Теория взрыва и горения

Теория взрыва и горения

Самовозгорание—резкое увеличение скорости экзотермических процессов в веществе, приводящее к возникновению очага горения.

Самовозгорание веществ и материалов часто становится причиной пожара на промышленных объектах.

Выделение из всех горючих веществ, группы самовозгорающихся объясняется их повышенной опасностью по сравнению с другими горючими веществами и необходимостью проведения дополнительных профилактических мероприятий, в связи с чем уделяется особое внимание изучению этих процессов.

Все горючие вещества, находящиеся в соприкосновении с воздухом, при определенных температурах начинают окисляться. Этот процесс сопровождается выделением тепла. В некоторых случаях отвод выделяющегося тепла сильно ограничен, и при определенном соотношении скоростей выделения и отвода тепла, возможно самонагревание горючего материала. самовозгорание экзотермический очаг Самонагревание некоторых веществ может происходить не только в результате окисления, но и от других экзотермических реакций (разложение), а также от ряда физических и биологических явлений.

Саморазогрев веществ может происходить по следующим причинам:

• а) протекание химических экзотермических реакций
• б) биологические процессы жизнедеятельности микроорганизмов (бактерии, растительные клетки и др.)
• в) физические процессы с выделением тепла адсорбции и конденсация.

При определенных условиях, процесс самонагревания может привести к возникновению горения, аналогично как при явлении самовоспламенения.

Отличие самовозгорания от самовоспламенения заключается в следующем:

• 1. Самовозгорание происходит в твердых и конденсированных веществах, в то время как самовоспламенение в — газопаро-воздушных системах.
• 2. Процессы самонагревания при самовозгорании начинаются при «низких» температурах (до 70°С), а самовоспламенение происходит при относительно высоких (более 150°С)
• 3. Самовозгорание проходит через стадию тления.
• 4. При самовозгорании период индукции может проходить очень длительное время, при самовоспламенении же секунды

К самовозгоранию склонно большое количество веществ и материалов. Их делят на три группы:

• 1. вещества, самовозгорающиеся на воздухе. К этой группе относятся вещества: масла, жиры, белый фосфор, порошки металлов, сульфиды железа, ископаемое топливо, растительные продукты.
• 2. вещества, самовозгорающиеся при действии на них воды. К этой группе относятся вещества: щелочные металлы, гидриды щелочных металлов, карбиды щелочных металлов, карбид кальция, окись кальция, перекиси, силициды и гидросульфит натрия.
• 3. самовозгорающиеся смеси. В составе таких смесей обязательными компонентами являются окислитель и горючее вещество. Окислители: кислород сжатый, хлор, бром, фтор, азотная кислота, перекись натрия и бария, марганцево-кислый калий, хромовый ангидрид, селитры, хлораты, перхлораты и хлорная известь. Горючие вещества: сахар, сера, глицерин, спирты и др.

Современная теория теплового самовозгорания веществ и материалов базируется на представлении о блуждающих «горячих точках», которые формируются по определенным закономерностям. Представим дисперсную систему ограниченных размеров (кипы ваты, хлопка, мешки с рыбной мукой и т. п.). Система и окружающая среда имеют температуру Т_о, а внутри ее образовалась небольшая зона, в которой начались окислительные процессы.

В результате окисления стала выделяться теплота, которая распространяется во все стороны (конвекцию учитывать не будем). Температура в реакционной зоне будет постепенно расти и достигнет значений, при которых начнутся процессы термической деструкции твердого материала с выделением продуктов разложения.

Последние будут конденсироваться и адсорбироваться на поверхности вещества. Обязательным условием такого процесса является наличие кислорода и развитой поверхности горючего вещества. Чем больше дисперсность материала, тем больше его удельная поверхность, а значит и выше скорость процессов окисления, разложения, конденсации и адсорбции, в результате которых выделяется и накапливается внутри материала теплота:

q₊ = q_р + q_дестр + q_конд + q_адс,.

где q₊ тепловой эффект реакций окисления;

q_дестр тепловой эффект реакций термической деструкции;

q_конд теплота конденсации продуктов разложения;

q_адc теплота адсорбции продуктов реакций.

Если скорость теплоотвода будет ниже скорости тепловыделения в зоне реакций, то начнется процесс самонагревания внутри объема вещества. С увеличением температуры данный процесс будет ускоряться за счет увеличения скорости реакций и интенсивности тепловыделения. Если кислорода в зоне реакций достаточно, а отвод теплоты в окружающую среду затруднен, то непрерывный процесс самонагревания может перейти в качественно новую стадию самовозгорание. Процессы самонагревания и самовозгорания развиваются, как правило, в диффузионной области, и скорость их зависит от скорости поступления (диффузии) кислорода снаружи в зону реакции. Самовозгоранию подвержены легкоокисляющиеся пористые и волокнистые вещества и материалы, имеющие в себе большой запас молекулярного кислорода.

Структура горючих материалов по объему неоднородна: разная плотность упаковки, плотность, влажность и т. д. Это приводит к тому, что в большом объеме материала зона реакции будет перемещаться с разной скоростью, в разных направлениях. В той части, где теплоты отводится меньше, температура будет выше. Этот участок будет как бы подвижным тепловым центром реакционной зоны, ееблуждающей «горячей точкой». Максимальная температура будет наблюдаться в наиболее заглубленной части материала.

Первоначальный период самовозгорания часто бывает незаметен снаружи, так как продукты термоокислительной деструкции полностью адсорбируются внутри вещества. В объеме материала, как правило, возникают одновременно несколько «горячих точек», которые по мере развития процесса сливаются друг с другом с образованием глухих, не сообщающихся с поверхностью вещества прогаров. Обнаружение таких прогаров при исследовании пожара является однозначным признаком его возникновения в результате самовозгорания.

Причиной возникновения «горячих точек» в некоторых материалах растительного происхождения являютсямикробиологические процессы. В органических веществах, подобных зерну, шерсти, рыбной муке, сену, торфу и т. п., вследствие жизнедеятельности микроорганизмоввыделяется теплота, которая аккумулируется в объеме материала. При достижении температуры 60−70 °С микроорганизмы погибают. Однако к этому времени уже формируются блуждающие «горячие точки», и начинается процесс теплового самовозгорания.

Анализ приведенного выше выражения показывает, что условия самовозгорания зависят от химической природы материала, его формы и массы, начальных и граничных условий теплообмена с окружающей средой. Для каждого сыпучего или волокнистого материала существуют свои критические условия самовозгорания. Расчетные методы их определения отсутствуют, хотя и накоплен большой экспериментальный материал, на базе которого разрабатываются мероприятия по предотвращению пожаров от самовозгорания. Для этого, прежде всего, необходимы знания параметров пожарной опасности веществ и материалов в конкретных условиях их переработки, хранения и транспортировки. К этим параметрам относятся температура самонагревания, температура тления и условия теплового самовозгорания. Указанные параметры определяются по специальным экспериментальным методикам, изложенным в ГОСТе 12.1.044.