Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Теория горения и взрыва

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 321800.08.01
Доступ онлайн
316 ₽
от 269 ₽
В корзину
В учебнике кратко описаны процессы горения и взрыва с позиций физических и химических законов. Определены условия возникновения и развития горения, рассмотрен механизм распространения пламени и выгорания газообразных, жидких и твердых веществ. Показано влияние условий горения на скорость процесса и переход горения в детонацию. Рассмотрены источники образования ударных волн и основные положения гидродинамической теории детонации. Рассмотрены условия и механизм прекращения горения и взрыва. Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения. Учебник предназначен для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению подготовки «Техносферная безопасность», может быть полезен студентам и аспирантам других технических специальностей, а также работникам служб гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций и специалистам пожарно-технического профиля.
Девисилов, В. А. Теория горения и взрыва : учебник / В. А. Девисилов, Т. И. Дроздова, А. И. Скушникова. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 262 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/7763. - ISBN 978-5-16-010477-5. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1914107 (дата обращения: 20.04.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
ТЕОРИЯ 

ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

Москва
ИНФРА-М

202УЧЕБНИК

В.А. ДЕВИСИЛОВ
Т.И. ДРОЗДОВА
А.И. СКУШНИКОВА

Рекомендовано 

Учебно-методическим объединением вузов по университетскому 

политехническому образованию в качестве учебника для студентов 

высших учебных заведений, обучающихся по направлению 

подготовки «Техносферная безопасность» (20.03.01 и 20.04.01)

УДК 53.01(075.8)
ББК 22.31я73
 
Д25

Девисилов В.А.

Теория горения и взрыва : учебник / В.А. Девисилов, Т.И. Дроздова, 

А.И. Скушникова. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 262 с. — (Высшее 
обра-зование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/7763.

ISBN 978-5-16-010477-5 (print)
ISBN 978-5-16-102465-2 (online)

В учебнике кратко описаны процессы горения и взрыва с позиций физических 
и химических законов. Определены условия возникновения и развития 
горения, рассмотрен механизм распространения пламени и выгорания газообразных, 
жидких и твердых веществ. Показано влияние условий горения на 
скорость процесса и переход горения в детонацию. Рассмотрены источники 
образования ударных волн и основные положения гидродинамической теории 
детонации. Рассмотрены условия и механизм прекращения горения и взрыва.

Соответствует требованиям Федерального государственного образователь-

ного стандарта  высшего образования последнего поколения.

Учебник предназначен для бакалавров и магистров, обучающихся по на-

правлению подготовки «Техносферная безопасность», может быть полезен сту-
дентам и аспирантам других технических специальностей, а также работникам 
служб гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций и специалистам пожар-
но-технического профиля.

УДК 53.01(075.8)

ББК 22.31я73

Р е ц е н з е н т ы: 

заведующий кафедрой ФГБОУ ВПО «Российский химико-техно-

логический университет имени Д.И. Менделеева», д-р техн. наук, про-
фессор Н.И. Акинин;

профессор ФГБОУ ВПО «МАТИ — Российский государственный 

технологический университет имени К.Э. Циолковского», канд. техн. 
наук, профессор П.П. Кукин

Д25

©  Девисилов В.А., Дроздова Т.И., 

Скушникова А.И., 2015

ISBN 978-5-16-010477-5 (print)
ISBN 978-5-16-102465-2 (online)

ВВЕДЕНИЕ

Горение — один из сложных физико-химических процессов, с ко-

торым встречался человек еще на пороге развития цивилизации. 
С тех пор оно используется человечеством и является одной из древ-
нейших технологий. Процессами горения в настоящее время обес-
печивается около 90% всей энергии, потребляемой нашей цивили-
зацией (выработка электроэнергии, получение теплоты, работа 
транспорта и т.д.). Очень часто, особенно в неуправляемых условиях, 
горение может завершаться взрывом. Все эти обстоятельства опре-
деляют важность и актуальность изучения и продолжения исследо-
вания процессов горения и взрыва.

Большой вклад в развитие теории горения и взрыва внесла школа 

российских ученых, основанная академиком Н.Н. Семеновым. Ми-
ровое признание получили работы советских ученых Н.Н. Семенова, 
Я.Б. Зельдовича, К.И. Щелкина, А.А. Соколика и др. Много све-
дений о горении, взрыве можно найти в работах зарубежных ученых, 
таких как Б. Льюис, Г. Эльбе, А.Г. Гейдон, Х.Г. Вульфгард, Ю. Вар-
натц и др.

Горение — это сложная, быстрая экзотермическая реакция окис-

ления топлива, протекающая, как правило, с образованием пламени. 
Однако наличие экзотермических реакций не единственное условие 
горения и возникновения пламени. Необходимо, чтобы реакция как 
источник теплоты протекала достаточно быстро и ее скорость пре-
обладала над скоростью процессов, отводящих и потребляющих 
теплоту. Поэтому более ранние исследования, направленные 
главным образом на изучение механики сплошной среды, включая 
тепловыделение за счет химических реакций, оказались продуктив-
ными для описания стационарных процессов горения. Такой подход 
недостаточен для понимания переходных процессов, таких как вос-
пламенение и прекращение горения, а также для объяснения обра-
зования токсичных продуктов, поскольку эта проблема была, есть 
и будет одной из важнейших. Поэтому закономерности возникно-
вения, распространения и прекращения процессов горения и взрыва 
будут рассмотрены и с позиций химической кинетики.

В данном учебнике рассматриваются вопросы, связанные с воз-

никновением, распространением и прекращением процессов го-
рения и взрыва с позиций физических и химических законов, по-
скольку для научно обоснованной разработки профилактических мер 

предотвращения этих явлений, а следовательно, обеспечения пожа-
ровзрывобезопасности объектов различных сфер жизнедеятельности 
человека необходимо знание фундаментальных законов возникно-
вения и развития горения и взрыва.

Для усвоения теоретического материала в данной работе разо-

браны решения некоторых примеров, а также приведены основные 
физические постоянные (прил. А), единицы измерения физических 
величин, физико-химические константы веществ и материалов пред-
ставлены в табл. 1–16 прил. Б.

«Теория горения и взрыва» является дисциплиной федерального 

компонента государственного образовательного стандарта по на-
правлению «Техносферная безопасность». При изучении дисци-
плины «Теория горения и взрыва» обучающиеся должны знать фи-
зико-химические основы горения; теории горения и взрыва; уметь 
использовать физические законы при анализе и решении проблем; 
владеть понятийно-терминологическим аппаратом дисциплины; 
методами поиска информации. Надеемся, что данная книга будет 
способствовать формированию следующих компетенций: способ-
ность использовать законы и методы математики, естественных, гу-
манитарных и экономических наук при решении профессиональных 
задач; способность ориентироваться в основных проблемах техно-
сферной безопасности и др.

Будем признательны всем читателям за замечания и предло-

жения, которые следует направлять в издательство на имя авторов.

Глава 1 

ФИзИко-хИмИчЕскИЕ осНоВы  

ГорЕНИя И ВзрыВа

1.1. ГорЕНИЕ — ФИзИко-хИмИчЕскИй процЕсс

Процесс горения как физическое явление изучен достаточно 

полно, но дать ему единое определение трудно. Все зависит от того, 
с какой позиции подходят к его изучению — энергетической, теплофизической 
и т.д. Общим во всех определениях является то, что в основе 
процессов горения лежат быстротекущие экзотермические 
обратимые окислительно-воcстановительные реакции, которые подчиняются 
законам химической кинетики, химической термодинамики, 
фундаментальным физическим законам. В связи с этим разработкой 
теории горения занимались и продолжают заниматься в настоящее 
время российские и зарубежные ученые, имеющие мировое 
признание, каждый из которых вносит свой вклад в изучение той или 
иной области этого сложного явления. Российским физикам (Семенов 
Н.Н., Зельдович Я.Б. и др.) в первую очередь принадлежит 
разработка основных вопросов теории горения и взрыва (цепное 
и тепловое самовоспламенение, распространение пламени, возникновение 
и распространение детонационной волны и т.д.).

Для специалистов, занимающихся прекращением горения на пожаре, 
инженерно-технической экспертизой по расследованию возникновения, 
распространения горения и взрыва, можно дать следующее 
определение процесса горения.

Горение — сложный физико-химический процесс, при котором горючие 
вещества и материалы под воздействием высоких температур 
вступают в химическое взаимодействие с окислителем, превращаясь 
в продукты горения, и который сопровождается интенсивным выделением 
теплоты и световым излучением.

Химической составляющей данного процесса является окислительно-
восстановительная реакция, протекающая между горючим 
и окислителем:

 
Г
О
ПГ
+
→
+ Q,  
(1.1)

где Г — горючее; О — окислитель; ПГ — продукты горения; Q — выделяющая 
тепловая энергия, кДж/моль.

Горючие вещества и материалы являются восстановителями. 

Атомы, входящие в их состав, отдают электроны при протекании 
окислительно-восстановительного процесса.

Восстановителями являются: металлы, H2, C, Si, безкислородные 

кислоты (HCl, HBr, HJ, H2S) и их соли, NH3 и др.

Окислителями, атомы которых принимают электроны, являются: 

O2, O3, галогены (Cl2, F2, Br2, J2), оксиды металлов, имеющих пере-
менную валентность, кислородосодержащие кислоты (HClO — хлор-
новатистая, HClO3– хлорноватая, HClO4 — хлорная, H2SO4, HNO3, 
HMnO4 и др.) и их соли.

При расчете процесса горения (расчет массы сгоревшего горю-

чего, объема окислителя на горение, объема и состава выделившихся 
продуктов горения, теплоты и температуры горения) необходимо 
использовать правильно записанное уравнение реакции горения.

Запишем несколько уравнений реакций горения:
1. 4Al(Г) + 3О2(0) → 2Al2О3(ПГ) + Q
4
3

3
2
4
2

0
3

0
2

Al
Al

O
O

-
→

+
→

+

-

e

e

 
электронные уравнения

2. 3C3H6O + 16CrO3 → 8Cr2O3 + 9CO2 + 9H2O
3
16
3

16
3

3

4
4

6
3

C
C

Cr
Cr

-
+

+
+

-
→

+
→

e

e

3. C3H8O + 4,5O2 → 3CO2 + 4H2O + Q
Первым уравниваем атомы С, затем атомы Н, в последнюю оче-

редь атомы О (проверку ведем по О). При горении в воздухе на один 
моль кислорода, участвующего в реакциях окисления, приходится 
примерно 3,76 моля азота, химически не участвующего в реакциях 
горения. Однако присутствие азота в зоне реакции горения обяза-
тельно следует учитывать, так как он участвует в физических про-
цессах. Во-первых, на его нагревание в зоне горения затрачивается 
большое количество теплоты, выделяемой при горении, чем в зна-
чительной степени определяется температура продуктов горения. 
Во-вторых, его присутствие в зоне протекания химических реакций 
окисления горючего влияет на их скорость, так как азот воздуха вы-
ступает в роли нейтрального разбавителя реагирующих компонентов 
горючей смеси. Очевидно, что скорость горения в чистом кислороде 
значительно выше, чем в воздухе. Поэтому уравнение реакции го-
рения в воздухе следует записывать, прибавляя в левую и правую 
части этих уравнений по 3,76 моля азота на каждый реагирующий 
моль кислорода.

Например, уравнение реакции горения пропанов в воздухе можно 

записать так:

 
C3H8 + 5(O2 + 3,76N2) = 3CO2 + 4H2O + 18,8N2 + Q.

Для осуществления процесса горения по этому уравнению необ-

ходимо, чтобы в зоне горения на 1 м3 горючего газа приходилось 
примерно 23,8 м3 воздуха (в которых и будут содержаться требуемые 
5 м3 кислорода) и чтобы горючей смеси (или еe части) был сообщен 
тепловой импульс достаточной мощности для начала реакции го-
рения. Тогда в результате полного сгорания 1 м3 пропана образуется 
более 25,8 м3 продуктов горения (смеси двуокиси углерода, паров 
воды) и азота. При этом также выделится определенное количество 
теплоты, соответствующее запасу потенциальной химической 
энергии данного горючего вещества.

Для количественного описания горения недостаточно рассмат-

ривать этот процесс только в виде конечного уравнения реакции 
горения, отражающего состав горючей смеси, состав основных про-
дуктов полного сгорания и количество выделившейся тепловой 
энергии.

Горение углеводородов является чрезвычайно сложным про-

цессом, протекающим через ряд последовательных стадий. При этом 
образуются многочисленные более или менее стойкие промежу-
точные продукты. Для того чтобы выявить, через какие промежу-
точные стадии протекает сгорание углеводородов, было выполнено 
много наблюдений в условиях медленного окисления (при низких 
температурах или разбавлении горючих газов инертными газами). 
В составе продуктов окисления содержатся СО, CO2, H2O, спирты, 
альдегиды, кислоты, сложные эфиры, кетоны и ряд нестойких пере-
кисей различного состава: RCO(OO), RCH2OOH, RCO(OOH) и др. 
Кроме того, доказано присутствие различных короткоживущих ра-
дикалов. Для объяснения сложных процессов окисления различных 
видов топлива в 1897 г. А.А. Бах предложил пероксидную теорию. 
В том же году независимо от него немецкий ученый К. Энглер выд-
винул те же положения пероксидной теории. Согласно этой теории 
молекулы кислорода перед вступлением в реакцию должны активи-
роваться. Они либо распадаются на отдельные атомы, обладающие 
высокой реакционной способностью, либо присоединяются к окис-
ляемому веществу, образуя перекисные соединения — пероксиды. 
А.А. Бах и К. Энглер, считая второй случай более вероятным, по-
дробно рассмотрели его в своих работах.

При замещении двух атомов водорода в перекиси водорода орга-

ническими радикалами образуются органические перекиси, при за-
мещении одного — гидроперекиси.

Органическим перекисям свойственно строение:
CH3–O–O–CH3 (перекись диметила);

CH3–CH2–O–O–H (гидроперекись этила).
Перекиси и гидроперекиси являются неустойчивыми соедине-

ниями. Низшие члены ряда легко взрываются. Присоединение кис-
лорода к непредельным соединениям происходит по двойной связи:

H2C=CH2 + O2

H2C–CH2

O–O

Перекиси олефинов были выделены и описаны Г. Штаудингером. 

Диэтиловый эфир может легко образовывать перекисные соеди-
нения даже при действии кислорода воздуха на свету. При его хра-
нении часто происходят взрывы. При всех окислительных процессах, 
сопровождающихся появлением холодного пламени, Б.М. Нейману 
удалось выделить из реакционной смеси перекисные соединения.

Перекиси и гидроперекиси, образующиеся из различных классов 

органических соединений, в большинстве случаев легко разлагаются 
с вспышкой или взрывом. Энергия разрыва в связи –O–O– в перок-
сидах и гидропероксидах значительно ниже (125–167 кДж/моль), чем 
в молекуле кислорода (488,3 кДж/моль). При нагревании и механи-
ческих воздействиях они легко распадаются с образованием ради-
калов. Образующиеся при распаде перекисей радикалы являются 
активными центрами реакции окисления. Начальная температура 
окисления (to) зависит от структуры молекул горючего вещества и его 
молярной массы (М). Чем больше М, тем меньше температура окис-
ления. В гомологическом ряду предельных углеводородов наиболее 
устойчивым к окислению является метан (to > 400 °C), to октана равна 
250 °С. Окисление ароматических углеводородов происходит при 
более высоких температурах, чем предельных и непредельных. Ве-
щества с низкой начальной температурой (to) представляют наи-
большую пожарную опасность, так как они способны к окислению 
и самонагреванию уже при низких температурах. Накопление в ве-
ществах пероксидных соединений увеличивает потенциальную по-
жарную опасность веществ. Существовали и другие теории, объяс-
няющие начальные стадии окисления углеводородов (Беркль, Гейзе 
и др.), предполагающие первоначальную гидрогенизацию топлива 
с образованием ненасыщенных соединений, которые затем окисля-
лись кислородом в пероксиды.

Таким образом, пероксидная теория А.А. Баха и К. Энглера 

и другие близкие по своей сути к ней теории позволяют уяснить ме-
ханизм окислительного действия кислорода на органические соеди-
нения в начальной стадии окисления. Однако эта теория не в со-

стоянии объяснить некоторые особенности процесса окисления, 
например существование индукционного периода, предшеству-
ющего видимой реакции окисления, резкое действие следов при-
месей на скорость процесса и др. Эти особенности процесса окис-
ления объяснены теорией цепных реакций.

Механизм химической реакции горения необходимо рассмат-

ривать с позиций основных законов химической кинетики. Для ки-
нетического описания процесса горения такого простого топлива, 
как водород (суммарная реакция 2H2 + O2 → 2H2O), требуется 
механизм, включающий около сорока элементарных реакций, ме-
тана — значительно больше. В случае самовоспламенения дизель-
ного топлива (основной компонент цетан — C16H34) суммарный 
процесс включает несколько тысяч элементарных реакций.

Однако скорость процесса определяется лишь несколькими эле-

ментарными реакциями, контролирующими его лимитирующие 
стадии (протекающие с наименьшей скоростью), т.е. многими эле-
ментарными реакциями можно пренебречь в зависимости от реша-
емой задачи. Существует несколько методов анализа, позволяющих 
определить реакции, которыми можно пренебречь. Анализ чувстви-
тельности определяет лимитирующие стадии реакций. Анализ путей 
реакции определяет характерные пути реакции. Анализ на соб-
ственные значения определяет масштабы характерных времен и на-
правления химических реакций. Информация, получаемая при по-
мощи этих методов, может быть использована для исключения менее 
важных стадий и построения упрощенной кинетической схемы ре-
акции.

С этой точки зрения процессы горения — это радикально-цепные 

реакции. Впервые они были изучены М. Боденштейном в 1913 г. 
на примере взаимодействия водорода с хлором. Согласно закону 
Эйнштейна при фотохимических процессах каждая вступающая в ре-
акцию молекула поглощает один квант лучистой энергии. Так как 
грамм-молекула вещества содержит 6,06 ⋅ 1023 молекул, то для того 
чтобы в реакцию вступили все молекулы, они должны по закону 
Эйнштейна поглотить 6,06 ⋅ 1023 квантов лучистой энергии. Однако 
при исследовании широкого ряда фотохимических реакций были 
установлены отклонения от этого закона как в сторону уменьшения 
числа прореагировавших молекул по сравнению с затраченными 
квантами лучистой энергии, так и в сторону значительного увели-
чения. Например, поглощение смесью водорода с хлором только 
одного кванта лучистой энергии при длине волны 4000–4360 Å 
может вызвать реакцию не одной, а примерно 100 000 молекул, при 

этом реакция протекает за доли секунды и происходит взрыв. Эта 
чисто фотохимическая реакция является типичной реакцией го-
рения. Изучая механизм данного химического процесса, М. Боден-
штейн разработал новую теорию для таких быстропротекающих ре-
акций. Согласно этой теории возбужденная молекула, вступая в хи-
мическую реакцию, дает новые возбужденные молекулы, которые, 
прореагировав, дают, в свою очередь, ряд новых возбужденных мо-
лекул и т.д. Такие реакции получили название цепных реакций.

Цепными называются реакции, протекающие через ряд промежу-

точных стадий, в которых образуются соединения, обладающие избы-
точной энергией, необходимой для дальнейшего развития последующих 
быстропротекающих реакций. Эти частицы, обладающие избыточной 
энергией, называются радикалами. Активный радикал может пред-
ставлять собой атом, молекулу или группу молекул. Иными словами, 
цепными называются такие реакции, при которых наблюдается ре-
генерация активных частиц. Они могут быть разветвляющимися 
и неразветвляющимися. Примером неразветвляющейся цепной ре-
акции является приведенная ниже реакция взаимодействия хлора 
с водородом. Неразветвляющаяся цепная реакция может самоуско-
ряться только при повышенных температурах, а разветвленная — при 
постоянной температуре. В.Г. Нернст несколько иначе объяснил 
механизм этих реакций. Он считал, что активирование молекулы 
хлора квантом света вызывает ее распад на атомы. В зоне этой ре-
акции действительно были обнаружены свободные атомы как водо-
рода, так и хлора.

 
Cl
Cl
Cl
2 +
=
+
hv
i
i

 
Cl
H
HCl
H
i
i
+
→
+
2

 
H
Cl
HCl
Cl
i
i
+
→
+
2

 
Cl
H
HCl
H
i
i
+
→
+
2
 и т.д.

Кинетика цепных реакций получила дальнейшее развитие в ра-

ботах зарубежных и советских ученых и имеет большое значение при 
объяснении горения и взрывов газовых смесей и взрывчатых ве-
ществ. В 1927 г. теория цепных реакций была широко развита и под-
тверждена многочисленными работами советских ученых школы 
академика Н.Н. Семенова, а также чуть позже в лаборатории Кем-
бриджского университета школой С. Хиншельвуда.

Радикально-цепные реакции лежат в основе процессов горения. 

Общие закономерности таких реакций детально изучены. Схема наи-
более важных реакций разветвленной цепной реакции, лежащей 

Доступ онлайн
316 ₽
от 269 ₽
В корзину