Теория горения и взрыва: практикум

УДК 331.4
ББК 65.247

Д25

Рецензенты:

Б.Н. Рахманов — доктор технических наук, профессор
(Московский государственный университет путей сообщения);
А.И. Скушникова — доктор химических наук, профессор
(Иркутский государственный университет путей сообщения);
Л.В. Каницкая — доктор химических наук, профессор
(Иркутский государственный технический университет)

Девисилов В.А.

Д25
Теория горения и взрыва: практикум : учебное пособие / В.А. Девисилов, Т.И. Дроздова, С.С. Тимофеева ; под общ. ред. В.А. Девисилова. — 2е изд., перераб. и доп. — Москва : ФОРУМ : ИНФРАМ
384 с. — (Высшее образование).

ISBN 9785000910061 (ФОРУМ)
ISBN 9785160104652 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161021590 (ИНФРАМ, online)

В учебном пособии рассмотрены явления, возникающие при горении и

взрыве. Представлены практические работы по расчету материального и теплового баланса, температурных параметров и критических условий при
горении горючих смесей, а также расчеты основных параметров взрыва.
Практикум иллюстрирован графиками, схемами и дополнен справочными
данными.

Пособие предназначено для студентов технических вузов, изучающих

дисциплину «Теория горения и взрыва» и обучающихся по направлению
«Техносферная безопасность», рекомендовано для студентов и бакалавров
технических специальностей, а также для магистрантов и аспирантов технических вузов. Практикум может быть полезен для работников служб охраны труда, промышленной безопасности и отделов ГО и ЧС предприятий.

УДК 331.4
ББК 65.247

ISBN 9785000910061 (ФОРУМ)
ISBN 9785160104652 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161021590 (ИНФРАМ, online)

© Девисилов В.А., Дроздова Т.И.,

Тимофеева С.С., 2011, 2014

© Издательство «ФОРУМ», 2011, 2014

—

Предисловие

В настоящее время проблемы национальной безопасности и промышленной безопасности, защиты населения от чрезвычайных ситуаций становятся все более актуальными. Реальную угрозу представляют крупные промышленные предприятия, нефтепроводы, газовые
магистрали, на которых наблюдается устойчивая тенденция роста
числа аварийных ситуаций, связанных с пожарами и взрывами.
В последние годы участились аварии на шахтах, приводящие к человеческим жертвам и значительным материальным потерям. Изза неисправностей оборудования, транспортных средств, а также изза
действий человека растет число аварий на авиационном, железнодорожном, автомобильном транспорте. Наибольшую опасность представляют аварии с выбросом химически опасных и радиоактивных
веществ, розливом нефтепродуктов, разрушением оборудования с
опасными веществами и работающих под высоким давлением.
В Российской Федерации разработано множество нормативных
документов для обеспечения безаварийной эксплуатации технологического оборудования, соблюдения правил пожарной безопасности.
Однако для предотвращения чрезвычайных ситуаций, для борьбы с
пожарами и взрывами требуется совершенствование профилактической работы, организация которой требует теоретических знаний основных физикохимических аспектов горения и взрыва.
Современному специалисту, обучающемся по направлению «Техносферная безопасность», необходимо знать потенциальные пожарои взрывоопасные ситуации на предприятиях, владеть методами их
предотвращения.
Предлагаемое учебное пособие призвано сформировать у студентов представление о характере процессов горения и взрыва, умение
предвидеть и предотвращать опасные явления, приводящие к пожарам, взрывам.
В пособии представлены практические работы, предназначенные
для формирования у студентов практических навыков по расчету ос

новных параметров горения и взрыва. Пособие дополнено большим
количеством справочных данных по физикохимическим параметрам
горючих веществ и материалов.
Дисциплина «Теория горения и взрыва» является дисциплиной
федерального компонента государственных образовательных стандартов по направлению «Техносферная безопасность». В пособии
представлены основы теории и методы расчетов основных параметров горения и взрыва.
При изучении дисциплины «Теория горения и взрыва» обучающиеся должны знать в соответствии с ФГОС3: физикохимические
основы горения; теории горения и взрыва; уметь: использовать физические законы при анализе и решении проблем; владеть: понятийнотерминологическим аппаратом дисциплины; методами поиска
информации. Надеемся, что данная книга будет способствовать в
формировании компетенций: способность использовать законы и методы математики, естественных, гуманитарных и экономических
наук при решении профессиональных задач (ОК11); способность
ориентироваться в основных проблемах техносферной безопасности
(ПК19) и др.
Во втором издании практикума переработан и дополнен раздел,
характеризующий горение твердых веществ и материалов, рассмотрены вопросы взрывозащиты технологического оборудования, представленные в практической работе 18, внесены дополнения в нормативноправовую базу, дополнено приложение III таблицами с некоторыми физическими константами
Будем признательны всем читателям за замечания и предложения, которые следует направлять в издательство на имя авторов.

4
Предисловие

Раздел 1
ГОРЕНИЕ

Горением называется физикохимический процесс, при котором горючие вещества под воздействием высоких температур вступают в
химическое взаимодействие с окислителем, превращаясь в продукты горения.
Горение сопровождается интенсивным выделением теплоты и
световым излучением.
По этим признакам горение можно отличить от других явлений.
Например, горение электрической лампочки нельзя назвать горением, хотя при этом выделяется теплота и излучается свет. В этом явлении нет одного из главных признаков горения — химической реакции, приводящей к выделению огромного количества теплоты с последующим образованием пламени.
Горение в большинстве случаев сложный химический процесс,
состоящий из реакций окислительновосстановительного типа. Для
возникновения горения необходимы определенные условия.

1.1. Условия для возникновения горения

Для возникновения, развития и распространения процесса горения и его длительного существования необходимо выполнение определенных условий, без которых этот процесс невозможен.
Для возникновения горения необходимы:

• наличие горючей смеси, т. е. определенное сочетание горючего
вещества с окислителем (обычно кислородом воздуха);

• инициация реакции между горючим веществом и окислителем.

Основными факторами, определяющими возникновение реакции
между горючим веществом и окислителем, являются:
• нагревание горючей смеси до температуры самовоспламенения
или самовозгорания;
• воздействие внешнего источника зажигания (ИЗ).
При возникновении горения в случае нагревания горючей смеси
до температуры самовоспламенения или самовозгорания процесс горения осуществляется в режиме самовоспламенения (самовозгорания). При возникновении горения от источника зажигания происходит вынужденное воспламенение или вынужденное зажигание горючей смеси.
Основными условиями вынужденного зажигания являются:
• наличие горючего вещества или горючей смеси веществ;
• наличие окислителя;
• наличие источника зажигания, под воздействием которого начинается протекание химических реакций горения между компонентами горючей смеси.

1.1.1. Горючее вещество

Горючее вещество — это вещество, способное к горению. Горючие
вещества характеризуются горючестью.
Горючесть — это способность вещества или материала к распространению пламенного горения или тления.
Горючесть веществ характеризуется физикохимическими свойствами, агрегатным состоянием, особенностями загорания и горения.
Способность к горению определяется основными показателями,
приведенными в табл. 1.1, набор которых зависит от агрегатного состояния и условий процесса горения.
По горючести вещества или материалы подразделяются на
три группы:
• негорючие (несгораемые);
• трудногорючие (трудносгораемые);
• горючие (сгораемые).
Негорючие вещества не могут гореть на воздухе (металлы, их сплавы, керамические материалы и др.).
Трудногорючие вещества и материалы могут загораться на воздухе
от источника зажигания, но не способны самостоятельно гореть после его удаления. К таким веществам относятся полихлорвиниловая

6
Раздел 1. Горение

плитка, фенолформальдегидный стеклопластик, древесина, подвергнутая поверхностной огнезащитной обработке и др.
Горючие вещества и материалы способны самовозгораться или
возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после
его удаления (древесина, торф, уголь, нефтепродукты, органические
химические вещества и пр.)
Горючее вещество и окислитель образуют горючую смесь — горючую систему.
Горючие вещества или системы могут быть химически однородными и химически неоднородными.
Химически однородные горючие системы — это смеси горючих газов, паров или пылей с воздухом, в которых равномерно перемешаны
горючее вещество и воздух. Горение таких горючих смесей называется гомогенным.

1.1. Условия для возникновения горения
7

Таблица 1.1. Основные показатели пожаро, взрывоопасности

Показатель
Агрегатное состояние веществ

твердое
жидкое
газы
пыли

Группа горючести
+
+
+
+

Температура

тления
+
—
—
+

вспышки
—
+
—
—

воспламенения
+
+
—
+

самовоспламенения
+
+
+
+

самовозгорания
+
—
—
+

Концентрационные пределы распространения пламени (нижний и верхний)
—
+
+
+

Температурные пределы распространения
пламени
—
+
+
—

Скорость выгорания
—
+
—
—

Коэффициент дымообразования
+
—
—
—

Способность взрываться и гореть при
взаимодействии с водой, кислородом воздуха и другими веществами

+
+
+
+

Примечание. Знак «+» означает применяемость, знак «−» — неприменяемость
показателя.

Химически неоднородные горючие системы — это системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны и имеют границу раздела фаз. Чаще всего химически неоднородные системы — это твердые вещества. Однако такими системами могут быть и жидкости, находящиеся в воздухе, струи горючих газов и паров, поступающие в
воздух. Горение таких веществ называется гетерогенным.
Свойства некоторых горючих веществ приведены в табл. 1—4
прил. III.
Горючие вещества представляют собой сложные химические соединения. Элементный химический состав горючего вещества включает углерод (С), водород (Н), серу (S), а также кислород (О), азот
(N). Кроме того, в смеси горючих веществ (например, в нефти, мазуте
и др.) могут присутствовать минеральные примеси, превращающиеся
при сжигании в золу (А) и влагу (W).
Горючая смесь сложного состава, используемая для сжигания с
целью получения теплоты, называется топливом. В общем виде элементный химический состав топлив может быть представлен следующим образом:

Cp + Hp + Op + Np + Sp + Ap + W p = 100 %,

где индекс р означает рабочую массу топлива (%), поступающего к
потребителю. Например, рабочая масса древесины имеет состав:
49 % С, 6 % Н, 43 % О и 2 % других примесей, включая влагу.
Важное значение имеет содержание в составе топлив золы (А) и
влаги (W), так как эти составляющие определяют качество и теплотехнические характеристики топлив. Для сравнительной теплотехнической оценки топлив ввели условные понятия сухой, горючей и органической масс топлив. Содержание сухой, горючей, органической
масс выражается в процентах (%) и обозначается соответственно индексами «с», «г», «о» вместо рабочей массы «р».
Сухое горючее вещество не содержит влаги, и такое топливо называется обезвоженным. Элементный состав сухого горючего топлива
записывается с индексом «с» следующим выражением:

Cс + Hс + Oс + Nc + Sс + Aс = 100 %.

Топливо, которое содержит влагу либо приобретает влагу при
хранении, транспортировке, называется воздушносухим, и состав такого топлива записывается с индексом «а»:

Cа + Hа + Oа + Na + Sа + Aа + W а = 100 %.

8
Раздел 1. Горение

Безводная и беззольная масса топлив называется горючей, и состав ее отмечается индексом «г»:

Cг + Hг + Oг + Nг + Sг = 100 %.

Топлива с органической массой — это особый вид топлив, в которых присутствует сера в виде органических соединений и отсутствует
сера в неорганической форме (например, нет примесей серного колчедана). Уравнение таких топлив записываются с индексом «о», указывающим на органическую массу:

Cо + Hо + Oо + Nо + Sо = 100 %.

Расчет содержания в топливе сухой, горючей, органической или
воздушносухой массы определяет качество топлива и его горючесть.
Такие характеристики топлива представляют значительный интерес
для теплоэнергетиков.

1.1.2. Окислители

Горение — сложный химический процесс, состоящий из окислительновосстановительных химических реакций. В качестве окислителей могут выступать не только кислород или воздух, но и множество других соединений: хлор, бром, сера, марганцевокислый калий,
различные перекиси и другие кислородосодержащие вещества. Однако на практике чаще всего горение протекает в атмосфере воздуха.
Воздух представляет собой смесь газов, основными компонентами которого являются: азот — 78,084 %; кислород — 20,948 %, аргон — 0,934 %. В незначительных количествах присутствуют неон, гелий, криптон, аммиак, диоксиды углерода и серы и др. Аргон, содержащийся в воздухе, является инертным газом и в процессе горения
участия не принимает. Азот также не участвует в химическом взаимодействии с горючим веществом. Однако азот оказывает существенное
влияние на скорость протекания процесса горения. Присутствие азота следует учитывать, так как он участвует во многих физических процессах, сопровождающих горение: участвует в диффузии воздуха в горючее вещество; выступает в качестве инертного разбавителя горючего и окислителя (кислорода); влияет на скорость нагревания и
скорость горения горючей смеси.
При составлении уравнения реакции горения вещества в воздухе
необходимо учитывать присутствие азота следующим образом: горючее вещество и участвующий в горении воздух пишутся в левой части

1.1. Условия для возникновения горения
9

уравнения, а после знака равенства — образующиеся продукты реакции. На примере горения метана (природного газа) составим уравнение горения. Для простоты расчетов принимаем, что воздух состоит
из 21 % кислорода и 79 % азота с другими инертными газами, т. е. на
один объем кислорода приходится 79 : 21 = 3,76 объема азота, или на
каждую молекулу кислорода приходится 3,76 молекулы азота.
Таким образом, состав воздуха может быть представлен следующим выражением: O2 + 3,76N2.
Исходя из этого выражения, уравнение горения природного газа с
учетом коэффициентов перед формулами будет иметь следующий
вид:

CH4 + 2O2 + 2 ⋅ 3,76 N2 = CO2 + 2H2O + 2 ⋅ 3,76 N2.

Кроме продуктов сгорания: углекислого газа и воды, остается
3,76 молекулы азота. Азот воздуха в процессе горения участия не принимает, он целиком переходит в продукты сгорания.

1.1.3. Источники воспламенения (зажигания)

Для возникновения горения горючее вещество и окислитель
должны быть нагреты до определенной температуры источником
теплоты, источником воспламенения или зажигания.
Источник зажигания (воспламенения) — это любой источник теплоты, способный нагреть горючее вещество до определенной температуры (температуры воспламенения или самовоспламенения).
Наиболее распространенными источниками зажигания являются:

• искры различного происхождения: появляющиеся при неисправности электрооборудования; при соударении металлических тел, при сварке, кузнечных работах и т. д.;

• нагретые тела;

• теплота, возникающая в результате трения;

• аппараты огневого действия;

• искровые заряды статического электричества;

• теплота адиабатического сжатия;

• перегрев электрических контактов;

• химические реакции, протекающие с выделением теплоты;

• пламя и др.

10
Раздел 1. Горение