Казанский межвузовский инженерный центр
«НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»
ГОУ ВПО КГТУ
Контрольная работа.
Теория горения и взрыва
На тему:
«Классификация взрывов по плотности вещества, по типам химических реакций.»
Казань 2011 г.
Оглавление
Введение
Взрывы
Классификация взрывов по плотностивещества два основных типа
Классификация по типам химическихреакций
Список используемой литературы
Введение
Горение — с детства и навсегда поражающийнаше воображение феномен природы — несомненно один из важнейших для природы и человеческойпрактики физико-химических процессов. Греческий миф о Прометее, похитившем огоньу богов и отдавшем его людям, культ огня в других древних мифологиях — своеобразная"поэтическая дань роли огня в возникновении цивилизации.
Научное исследование горения началосьв XVIII в, имеете со стремительныйраспитием химии. Па первоначальном этапе горение определялось как соединение с кислородомгорючих веществ (п первую очередь содержащих водород и углерод). Обобщая эту точкузрения, химики формулируют в то время широко известное высказывание: «Жизнь- это медленное горение»; это высказывание остается первым и поныне, посколькуименно соединение с кислородом накопленного растениями горючего служит источникомэнергии человека и вообще живых существ.
Выяснение химической сущности горенияна этом раннем этапе развития пауки подготовило базу для развитии энергетики и термодинамики,поскольку горение — сонорной поставщик газов высокой температуры и энергии, В концеXIX в. интенсивно занимаются важныеисследовании химико-термодинамических равновесий и системе Н3-НаО--СО-СО,-С-О,,определяющих в первом приближении температуру, достигаемую при горении углеводородныхтоплен, и состав продуктов горения газон, твердых и жидких, веществ.
Этап изучения горения и взрывов, начавшийсяв конце XIX в. и продолжающийсядо настоящего времени, был связан с появлением двигателей внутреннего сгорания,развитием внутренней баллистики артиллерийских орудии и взрывного дела, а в последниедесятилетия — с широким внедрением в технику реактивных двигателей. Это во многомстимулировало быстрое развитие науки о горении.
На современном этапе исследований процессагорения н центре внимании стоит вопрос о скорости химического превращения. Сегоднягорением и взрывом мы называем быстрое протекание реакции в веществе, которое висходном состоянии инертно. При этом решающим оказывается выделение тепла и/илиактивных центров при самой реакции. В современном поминании с понятиями горении,взрыва, пламени, детонации и т, д. связывается характер протекания реакции, а неел химическое содержание: мы говорим, например, о пламени разложения озонэ 203 — * 30й, хотя в этой реакции выделяется, а не потребляется кислород.Разумеется > полностью научить характер проникания реакции молкни, лишь знаяее элементарные акты, механизм и кинетику химического превращения. Развитие теориигорения оказалось, таким образом, тесно связанным — и логически и исторически — с трудами академика Н.Н. Семенова и его школы. Основанный Н. Н, Семеновым Институтхимической, физики АН СССР сохраняет ведущее положение и сегодня, когда увеличилосьчисло и расширилась география учреждений, работающих в области горения ивзрывов. Отметим имена ушедших из жизни замечательных ученых. На стыке химическойкинетики и науки о горении плодотворно работали В.В. Воеводский, А.В. Загулин, А.А.Ковальский, В. Н, Кондратьев.
Рядом с советской школой химическойкинетики возникла и советская школа современной науки о горении,
Развитие теории горения привело к формированиюнекоторых специфических, асимптотических по своей природе понятий и математическихметодов. Дело в том, что для теории горения типична весьма сильная зависимость скоростихимической реакции от температуры. Если подходить к делу с точки зрения численногорешения получающихся уравнений, это вызывает затруднения. Но это же обстоятельствообусловливает плодотворность асимптотических подходов. Само основополагающее понятиев теории горения — понятие пламени, распространяющегося с постоянной скоростью,не зависящей от условий поджигания и определяемой только свойствами и состояниемгорючей смеси, — представляет собой продукт асимптотического подхода.
Сильная зависимость скорости химическойреакции от температуры обусловливает также специфическое для теории горения резкоеразличие режимов протекания реакции: существование воспламенения, разнообразныхкритических условий смены режимов, для которых характерна сильная, в пределе скачкообразнаязависимость режима от параметров задачи.
Именно эти асимптотические понятия иподходы имеют значение, далеко выходящее за пределы теории горения. Свидетельствомэтому являются, например, проблемы механики полимеров, разрушения материалов, распространенияимпульсов по нервным тканям; в этих и во многих других проблемах с большим эффектомиспользовались методы теории горения.
Интересные постановки задач возникаютпри диффузионном горении, когда реагирующие вещества первоначально пространственноразделены. В этом случае можно считать в первом приближении, что скорость химическойреакции бесконечна, однако для количества сгорающего вещества и для количества тепла,выделяющегося в единицу времени, получаются конечные выражения. При уменьшении скоростиреакции толщина зоны растет, но лишь до определенного предела, за которым следуетсрыв, погасание пламени — один из типичных примеров критических условий в теориигорения.
В качестве примера парадоксальной ситуации,с которой часто приходится сталкиваться в теории горения, упомянем вопрос о гидродинамическойнеустойчивости плоского фронта пламени. Прямой анализ показывает, что тонкий плоскийфронт пламени абсолютно неустойчив к пространственным искривлениям, какой бы длиныволны они небыли. Этот выдающийся результат принадлежит замечательному советскомуфизику-теоретику Л.Д. Ландау (независимо и практически одновременно он получен такжефранцузским ученым Дарье (С. Вагпеив)). И тем интереснее было выяснение физико-химическихи гидродинамических факторов, обеспечивающих устойчивость пламени, которая наблюдаетсяв экспериментах.
Теория горения, как часть математическойфизики, включает и использует достижения многих родственных наук — теории тепло- и массообмена, газодинамики реагирующих потоков, химической кинетики, турбулентногодвижения газа и др. Отбирая материал для книги, предлагаемой вниманию читателя,авторы стремились включить в нее вопросы, наиболее полно характеризующие спецификутеории горения как с позиции новых любопытных физико-химических и гидродинамическихэффектов, так в с точки зрения разработанных в теории новых математических методов,которые могут быть полезны читателю при решении разнообразных задач, даже весьмадалеких от теории горения. Именно на эти методы мы хотели обратить внимание читателя,и название книги подчеркивает эту ее особенность: к «теории горения» добавленоопределение «математическая». Подчеркнем еще раз, что основной математическийфакт теории горения заключен в следующем: исходные дифференциальные уравнения молекулярныхи макроскопических процессов и химической кинетики имеют непрерывные решения, непрерывнымобразом зависящие от параметров, начальных и граничных условий. Но при выделенииасимптотик возникает скачкообразность решений, их критичность к малому изменениюпараметров, т.е. характер решения резко изменяется.
Взрывы
Взрывы чаще всего происходят на пожаро- и взрывоопасных объектах,где могут возникнуть условия для образования газо-паровоздушных смесей, пылевоздушныхсмесей, где в больших количествах применяются углеводородные газы (метан, этан,пропан). Возможны взрывы котлов в котельных, газовой аппаратуры, продукции и полуфабрикатовхимических заводов, паров бензина и других компонентов, муки на мельницах, пылина элеваторах, сахарной пудры на сахарных заводах, древесной пыли на деревообрабатывающихпредприятиях.
Могут быть взрывы в жилых помещениях, когда люди забывают выключитьгаз. Взрывы происходят на газопроводах при плохом контроле за их состоянием и несоблюдениитребований техники безопасности при их эксплуатации. К тяжелым последствиям приводятвзрывы рудничного газа в шахтах.
Классификация взрывов по плотности вещества дваосновных типа
Существуют два основных типа взрыва:
1) взрыв конденсированного ВВ
2) объемный взрыв.
1) ВЗРЫВЫ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВВ
Взрывы этого типа вызываются всеми твердыми ВВ и относительнонезначительным числом жидких ВВ, включая нитроглицерин. Такие ВВ обычно имеют плотность,лежащую в диапазоне 1,5 — 1,80 г/см3 (т.е.1500 — 1800 кг/м). Однако первичные ВВ,содержащие свинец или ртуть, имеют намного большие плотности.
К физическим взрывам следует отнести также явление так называемойфизической (или термической) детонации. Это явление возникает при смешении горячейи холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температурукипения другой (например, при выливании расплавленного металла в воду). В образовавшейсяпарожидкостной смеси испарение может протекать взрывным образом вследствие развивающихсяпроцессов тонкой фрагментации капель расплава, быстрого теплоотвода от них и перегревахолодной жидкости. Физическая детонация сопровождается возникновением ударной волныс избыточным давлением в жидкой фазе, достигающим в некоторых случаях тысяч атмосфер.Указанное явление может стать причиной крупных аварий в ядерных реакторах и на промышленныхпредприятиях металлургической, химической и бумажной промышленности.
2) ОБЪЕМНЫЕ ВЗРЫВЫ
Объемный взрыв в разреженной среде возникает от смесей воздухаи некоторых окисляющихся веществ в виде пыли, аэрозоли или пара. Такие смеси имеютплотность, едва отличимую от плотности воздуха. Объемные взрывы в разреженной средеможно разделить на два класса: ограниченные и неограниченные.
Все взрывы, кроме одного — пылевого, подробно описанного ниже,были ограниченными. В книге [Bartnecht, 1979] приводится фотография неограниченноговзрыва 4 кг пигмента, рассеянного в воздухе, но в ней не обсуждаются неограниченныепылевые взрывы. Можно предположить из-за отсутствия противоположных данных, чтотакие взрывы не имеют широкого распространения.
Известно мало данных (за одним важным исключением) о серьезныхвзрывах, связанных с аэрозолями, хотя сравнительно небольшие аэрозольные взрывыслучаются не так уж редко в системах сжатого воздуха, где аэрозоль представляетсобой туман из масляных капелек. Упомянутое исключение — это авария 20 января 1968 г. в Пернисе (Нидерланды), где, согласно [Pernis, 1968], сильный взрыв при очистке масла произошелпосле зажигания облака пара, содержащего около 50 т углеводородов.
взрыв реакция химическая плотность
Газовые или паровые взрывы могут быть как ограниченными (их большинство),так и неограниченными, когда количество газа/пара достигает по крайней мере 3 т.
Классификация по типам химических реакций
1) РЕАКЦИИ РАЗЛОЖЕНИЯ
Самый простой случай взрыва — это процесс разложения, которыйдает газообразные продукты. Один из примеров — пероксид водорода, который разлагаетсясо значительной теплотой реакции, давая водяной пар и кислород:
2Н2О2 Н2О + О2 — 23,44 ккал/моль
Как бытовой продукт пироксид водорода продается в виде 3% -ноговодного раствора и представляет незначительную опасность. Иначе дело обстоит с пироксидомводорода «высокой пробы», концентрация которого составляет 90% или более.Разложение Н2О2 высокой пробы ускоряется рядом веществ, что используется в качествереактивного топлива или в газовой турбине для накачки топлива к главным двигателям.Второй пример — это азид свинца, который легко разлагается при трении или ударе:
PbN6 Pb + 3N2 — 115,5 ккал/моль
Азид свинца — это первичное ВВ, или детонатор. Подавляющее большинствоВВ после детонации дает различные продукты. Например, ТНТ высокой плотности (1,59г/см3) при детонации дает, согласно [Cook. 1966], продукты реакции разложения, указанныев табл.10.2. Надо отметить, что ТНТ является веществом
ТАБЛИЦА 10.2. Продукты разложения ТНТПродукт CO CO2 H2O N2 NH3 CH3OH HCN C Количество моль/кг 0,6 10,0 0,8 6,0 0,4 4,7 1 14,9
С «дефицитом кислорода», и поэтому одним из основныхпродуктов его распада является углерод. При взрывах ТНТ образуется, таким образом,очень много дыма. Большинство бризантных ВВ (за исключением нитроглицерина) — веществас дефицитом кислорода, т.е. в их молекулах недостаточно атомов кислорода, чтобыобразовался 1 моль СО2 на каждый атом углерода, присутствующий в молекуле, и 1 мольН2О на каждые два атома водорода. Ряд промышленно важных веществ, не классифицируемыхкак ВВ, ведет себя сходным образом. Они перечислены в [ECD. 1982]; во многих случаяхони являются органическими пероксидами.
На основе законов термохимии можно выявить, будет или нет данноесоединение способным к взрыву. Согласно [Stull. 1977], если в данной реакции сумматеплот образования продуктов имеет более низкое значение, чем теплота образованияисходного соединения, то тогда это вещество потенциально взрывоопасно.
Таким образом, для реакции
А В + С + D
Должно быть
/>
Где δf — теплота образования. * δf имеет положительноезначение для соединений, которые поглощают тепло в процессе образования (эндотермическаяреакция), и наоборот, отрицательное значение для соединений, которые выделяют теплов процессе образования (экзотермическая реакция). Например:
/>
Для составных частей в их обычном молекулярном состоянии, напримерО2, N2, Н2 (но не О3), δf считается равной нулю.
Следует иметь в виду, что применение термохимии может лишь указатьна возможность взрывного процесса, тогда как скорость реакции определяет мощность,т.е. силу эффекта. Реакция между воском свечи и кислородом — это реакция высокоэкзотермическая,но обычно не приводит к взрыву.
2) ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
Окислительно-восстановительные реакции, в которых воздух иликислород реагирует с восстановителем, весьма обычны и составляют основу всех реакцийгорения. В тех случаях, когда восстановитель является недиспергированным твердымвеществом или жидкостью, реакции горения протекают недостаточно быстро, чтобы статьвзрывными. Если, однако, твердое вещество мелко раздроблено или жидкость находитсяв виде капелек, то возможен быстрый рост давления. Это, вообще говоря, может привестив условиях замкнутого объема к росту избыточного давления вплоть до 8 бар.
3) РЕАКЦИИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ, ИЗОМЕРИЗАЦИИ И КОНДЕНСАЦИИ
Некоторые вещества могут полимеризоваться более или менее самопроизвольно,и обычные реакции полимеризации будут экзотермическими. Если мономер — летучий,как это часто бывает, достигается стадия, при которой может произойти опасное повышениедавления. Иногда полимеризация может протекать только при повышенных температурах,но для некоторых веществ, таких, как этиленоксид, полимеризация может начаться прикомнатной температуре, особенно когда исходные соединения загрязняются веществами,ускоряющими полимеризацию. Этиленоксид может также изомеризоваться в ацетальдегидэкзотермическим путем:
/>
Эта реакция, а также реакция разложения ацетальдегида с образованиемдвух молей постоянных газов обсуждаются в работе:
/>
Реакции конденсации весьма распространены. Они особенно широкоприменяются в производстве красок, лаков и смол, где служат основой процессов вреакторах непрерывного действия со змеевиками для нагрева или охлаждения. Зарегистрированомного примеров неконтролируемых реакций, обусловленных тем, что скорость переносатепла в таких сосудах является линейной функцией разности температур между реакционноймассой и охладителем, тогда как скорость реакции — это экспоненциальная функциятемпературы реагента. Однако благодаря тому, что скорость выделения тепла, будучифункцией концентрации реагентов, во время протекания реакции уменьшается, нежелательныйэффект до некоторой степени компенсируется.
4) РЕАКЦИИ СМЕСЕЙ
Наиболее наглядный пример смеси, которая реагирует со взрывом,- это смесь, известная первоначально под названием «черный порох», а позднее- «дымный порох».
Типичный состав ружейного пороха таков:Компонент Содержание, в %
Нитрат калия (селитра)
Древесный уголь
Сера
75
15
10
В этой смеси богатая кислородом селитра окисляет углерод и серу.
Аналогичные эффекты характерны для детонации смесей органическихсоединений с другими окислителями, такими, как перхлораты или хлораты. Некоторыеорганические вещества, если намочить их в жидком кислороде и подходящим образоминициировать, взрываются. Древесина, намоченная в жидком кислороде, используетсядля взрывов в минном деле.
Интересно отметить, что высокоэкзотермичная реакция
/>
Не будет сама по себе приводить к взрыву, так как не образуетсягазообразных продуктов.
Список используемой литературы
1. Зельдовичь Я.В. «Математическая теория горения и взрывов»
3. По ссылке: www.genon.ru/GetAnswer. aspx? qid=b28d75bd-5415-4dff-8317-55879b42e86e
4. По ссылке: www.agps-mipb.ru/index. php/2010-12-23-08-05-07/148-10-3-taksonomiya-vzryvov.
5. По ссылке: ru. wikipedia.org/wiki/%C2%E7%F0%FB%E2