Теория горения и взрыва

№ 2484

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»



Кафедра техносферной безопасности








                Теория горения и взрыва




Учебно-методическое пособие

Под редакцией профессора Б.С. Мастрюкова




Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению Металлургия

ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ

Москва 2014

УДК 544.45(075) Т33



Рецензент
д-р техн. наук, проф. Л.С. Стрижко





         Авторы: О.М. Зиновьева, Б.С. Мастрюков, А.М. Меркулова, Н.А. Смирнова


          Теория горения и взрыва : учеб.-метод. пособие / О.М. Зиновьева

Т33 [и др.] ; под ред. Б.С. Мастрюкова. - М. : Изд. Дом МИСиС,

      2014. - 102 с.
         ISBN 978-5-87623-832-0





          Пособие относится к основной учебной литературе по курсу «Теория горения и взрыва» и дополнительной по курсу «Безопасность жизнедеятельности», а также может быть использовано при выполнении выпускных квалификационных работ. Состоит из десяти практических занятий по разделам: материальный баланс процессов горения, концентрационные пределы распространения пламени, температурные показатели процессов горения и расчет параметров взрыва. Практические занятия содержат основные понятия и определения, принципиальные теоретические положения, примеры решения ряда задач.
          Соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины «Теория горения и взрыва» по направлению подготовки бакалавров «Тех-носферная безопасность».
          Предназначено для студентов всех направлений подготовки НИТУ «МИСиС».


УДК 544.45(075)


ISBN 978-5-87623-832-0

© Коллектив авторов, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.............................................. 4
I. Материальный баланс процессов горения ................ 5
  Практическое занятие 1. Расчет количества воздуха, необходимого для горения веществ........................9
  Практическое занятие 2. Расчет объема и состава продуктов горения............................................... 17
  Практическое занятие 3. Расчет неполного горения топлива. 24
II. Концентрационные пределы распространения пламени....... 30
  Практическое занятие 4. Расчет концентрационных пределов распространения пламени............................... 32
III. Температурные показатели процессов горения ........ 40
  Практическое занятие 5. Расчет температурных пределов распространения пламени, температуры вспышки, воспламенения и самовоспламенения......................41
  Практическое занятие 6. Расчет температуры горения.... 54
IV. Параметры взрыва ................................... 60
  Практическое занятие 7. Расчет параметров взрыва парогазовоздушных систем.............................. 60
  Практическое занятие 8. Расчет теплоты, температуры и давления взрыва конденсированных взрывчатых систем . 65
  Практическое занятие 9. Расчет давления во фронте ударной волны и оценка последствий взрыва .................... 72
  Практическое занятие 10. Расчет скорости и давления детонации............................................. 75
  Библиографический список.............................. 80
  Приложения ........................................... 81

3

ПРЕДИСЛОВИЕ


   Целью изучения дисциплины «Теория горения и взрыва» является формирование современного, систематизированного и целостного представления о теории горения и взрыва как теоретической основы прогнозирования потенциальной пожаровзрывоопасности технологических процессов, веществ и материалов и навыков ее использования для разработки и оценки эффективности решений по предотвращению пожаров и взрывов и локализации последствий чрезвычайных ситуаций.
   В результате изучения курса студент должен уметь:
   -    определять и рассчитывать критические условия теплового самовоспламенения;
   -    определять скорость распространения горения и оценивать возможность и условия перехода горения во взрыв;
   -    рассчитывать параметры ударных и детонационных волн;
   -    рассчитывать термодинамические параметры горения и взрыва.
   Для этого в программу дисциплины включены практические занятия, охватывающие следующие разделы:
   I. Материальный баланс процессов горения.
   II. Концентрационные пределы распространения пламени.
   III. Температурные показатели процессов горения.
   IV. Параметры взрыва.

4

I. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
   Процессы горения подчиняются фундаментальным законам природы, в частности законам сохранения массы и энергии.
   Для решения многих практических задач необходимо знать количество воздуха, необходимого для горения, а также объем и состав продуктов горения. Эти данные необходимы для расчета температуры горения веществ, давления при взрыве, избыточного давления взрыва, флегматизирующей концентрации флегматизатора, площади легкосбрасываемых конструкций и т.д.
   Методика расчета материального баланса процессов горения определяется составом и агрегатным состоянием вещества. Свои особенности имеют расчеты для индивидуальных химических соединений, для смеси газов и для веществ сложного элементного состава.
   Индивидуальные химические соединения - это вещества, состав которых можно выразить химической формулой. Расчет процесса горения в этом случае производится по уравнению реакции горения. Составляя уравнение реакции горения, следует помнить, что, как правило, все расчеты приводят на один моль горючего вещества. Это, в частности, означает, что в уравнении реакции горения перед горючим веществом коэффициент всегда равен 1.
   Например, в случае горения пропана в кислороде:
С3Н8 + О2 = СО2 + Н2О.
   Уравнивая количество атомов в левой и правой части уравнения, получаем
С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О.
   Коэффициенты, стоящие в уравнении реакции, называются стехиометрическими коэффициентами и показывают, сколько молей (кмолей) веществ участвовало в реакции или образовалось в результате реакции.
   Стехиометрический коэффициент, показывающий число молей кислорода, необходимое для полного сгорания вещества, обозначается буквой в (в рассматриваемом случае в = 5).
   Чаще всего горение протекает в воздухе. Воздух состоит из азота (78 %), кислорода (21 %), оксидов азота, углекислого газа, инертных и других газов (1 %). Для проведения расчетов принимают, что в

5

воздухе содержится 79 % азота и 21 % кислорода. Таким образом, на один объем кислорода приходится 3,76 объемов азота (79 : 21 = 3,76).
   В соответствии с законом Авогадро соотношение молей этих газов будет 1 : 3,76. Таким образом, можно записать, что молекулярный состав воздуха (О2 + 3,76N2).
   Составление реакций горения веществ в воздухе аналогично составлению реакций горения в кислороде. Особенность состоит только в том, что азот воздуха при температуре горения ниже 2000 °С в реакцию горения не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения.
   Уравнение горения пропанола в воздухе:
     С3Н7ОН + 4,5<О2 + 3,76N2) = ЗСО2 + 4Н2О + 4,5-3,76N2.
   Поскольку в рассматриваемом случае в составе горючего присутствует кислород, то в = 4,5. Расчет коэффициента в проводят следующим образом: 10 - 1 = 9; 9 : 2 = 4,5.
   Природный, попутный нефтяной газ, промышленные газы (доменный, коксовый, генераторный и т.п.) представляют собой смеси газов. Состав газов выражается обычно в объемных процентах фоб (% объемн.).
   Расчет теоретического объема воздуха VBmeop (м³), необходимого для сгорания газовой смеси, проводится следующим образом: для каждого горючего компонента вычисляется теоретическое количество воздуха с учетом его содержания в смеси и полученные значения суммируются. Формула для расчета теоретического объема воздуха имеет следующий вид:

V теор ₌ ' п

в1 ' ф1 ⁺ в2 ' ф2 ⁺ в3 ' ф3 ⁺ ... ⁻ фО₂ 21

• V,

где в1, в2, в3 - стехиометрические коэффициенты при воздухе в уравнениях реакций горения для каждого горючего компонента газовой смеси;
    ф1, ф2, ф3 - содержание каждого горючего компонента смеси, % объемн.;
    ф₀2 - содержание кислорода в горючем газе, % объемн.;
    Vᵣ - объем газовой смеси, м³.
   Если горение протекает с избытком (или недостатком) воздуха, то практический объем воздуха VBⁿp (м³) рассчитывают по формуле

6

                       Увпр = VBmeop . а, где а - коэффициент расхода воздуха.
   Вещества сложного элементного состава нельзя выразить химической формулой, их состав выражается чаще всего в процентном содержании каждого элемента. К таким веществам можно отнести нефть и нефтепродукты, древесину и многие другие органические вещества.
   При горении кислород воздуха расходуется на окисление углерода С, водорода Н, серы S и других горючих составляющих. Значительное число органических веществ имеют в своем составе кислород, и, следовательно, воздуха на горение будет затрачено меньше.
   Рассчитав объемы воздуха, теоретически необходимые для сжигания каждого компонента вещества сложного элементного состава, несложно найти теоретический объем воздуха для сгорания заданной массы вещества сложного элементного состава при нормальных условиях:
                             ( с so А
Vтеор = m . 0,269 .IC + H + S - °], в             ^ 3     8 8 )
где VBmeop - теоретический объем воздуха, необходимый для сжигания вещества сложного элементного состава, м³;
    m - масса вещества сложного элементного состава, кг;
    С, H, S, О - массовые доли элементов (углерода, водорода, серы и кислорода) в веществе (приложение 1), % масс.
   Состав продуктов горения зависит от химической природы горючего материала и условий его горения. Практически всегда органические вещества горят с образованием продуктов полного и неполного горения.
   К продуктам полного сгорания относятся: углекислый газ, образующийся при горении углерода и разложении карбонатов; водяной пар, образующийся при горении водорода и испарении влаги в исходном веществе; оксид серы SO2 и азот - продукты горения соединений, содержащих серу и азот.
   Продукты неполного сгорания - это оксид углерода (угарный газ) СО, сажа С, продукты термоокислительного разложения - смолы.
   Неорганические вещества сгорают, как правило, до соответствующих оксидов.

7

   Выход продуктов горения количественно установить невозможно из-за чрезвычайной сложности их состава, поэтому материальный баланс процесса горения рассчитывается из предположения, что вещество сгорает полностью до конечных продуктов. При этом в состав продуктов горения включают также азот воздуха, израсходованного на горение, и избыток воздуха при а > 1.
   Как и в случае расчета объема воздуха, необходимого для горения, свои особенности имеет расчет продуктов горения для индивидуальных веществ, смеси газов и веществ с известным элементным составом.

8

Практическое занятие 1


РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ВОЗДУХА, НЕОБХОДИМОГО ДЛЯ ГОРЕНИЯ ВЕЩЕСТВ

    Для практических расчетов принимают, что состав воздуха состоит из 21 % кислорода и 79 % азота. Таким образом, соотношение азота и кислорода в воздухе составит


    vN, фО₂


79
— = 3,76, 21

(1.1)

где ф^, фО2 - соответственно содержание азота и кислорода в окислительной среде (в воздухе), % объемн.
    Следовательно, на 1 м³ (кмоль) кислорода в воздухе приходится 3,76 м³ (кмоль) азота.
    Соотношение азота и кислорода в воздухе можно определить по формуле

ф^ • MN2 = 79 ■ 28 = ₃ ₂₉
Ф02 ■ Mо2 21 ■ 32 , ,


(1.2)

где MN₂ , MO₂ - молекулярные массы азота и кислорода, равные массам молекул, выраженные в атомных единицах массы и численно равные молекулярной массе.
   Для удобства расчетов горючие вещества разделяют на три типа (табл. 1.1): индивидуальные химические соединения (например, метан, уксусная кислота), вещества сложного состава (например, древесина, торф, сланцы, нефть), смесь газов (например, генераторный газ).

Таблица 1.1

Формулы для расчета объема воздуха, необходимого для полного сгорания горючих веществ разных типов

 Тип горючего               Расчетные формулы              Размерность 
   вещества                                                            
                                 n„ +nN                                
               V  = _---N2.             (1.3)              кмоль/кмоль;
                                   Пг                         м3/м3    
Индивидуальное                (nO +nN ) ■V                             
вещество       Vтеор = O O2    N2 ' 0                 (14)    м3/кг    
                                 пг ■ M                                

9

Окончание табл. 1.1

 Тип горючего         Расчетные формулы          Размерность
   вещества                                                 
Вещество слож-               ( с     s-o А (1.5)    м3/кг   
ного состава   V = 0,269-1 с + H + ---8O 1                  
Смесь газов     Vтеор = Е(Ф«- nO2i) - ФО2  (1.6)   м3/м3;   
                   в               21            кмоль/кмоль

(1.7)

Здесь VBmeop - теоретический объем воздуха; м³/м³, кмоль/кмоль или м³/кг;
      пг, nO2, nN2 - количество горючего, кислорода и азота, участвующих в химической реакции горения, кмоль;
      М - молярная масса горючего, кг/кмоль;
      V₀ - объем 1 кмоля газа при нормальных условиях, равный 22,4 м³/кмоль;
      C, H, S, O - массовые доли соответствующих элементов в составе горючего, % масс; фг. - содержание i-го горючего компонента, % объемн.;
      Фо2 - содержание кислорода в составе горючего газа, % объемн.;
      nO2i - количество кислорода, необходимое для окисления 1 кмоля i-го горючего компонента, кмоль.
    Для определения необходимого объема воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, используют уравнение состояния идеальных газов:
Po-Vo = P -V To       T1 ,
где P0 - нормальное давление, 101 325 Па;
     Т₀ - нормальная температура, 273 К;
     V₀ - объем воздуха при нормальных условиях, 22,4 м³;
     P1 - заданное давление, Па;
     T1 - заданная температура, К;
     V1 - заданный объем газа, м³.
    Отношение практического объема воздуха VBⁿ (м³/м³, кмоль/кмоль или м³/кг), поступившего в зону горения, к теоретическому объему Гвтеор (м³/м³, кмоль/кмоль или м³/кг) называется коэффициентом расхода воздуха а:
V пр
а = ——.                            (1.8)
V теор

    Разность между практическим и теоретическим объемами воздуха называется избытком воздуха Д VB:
ДК = Vпр - Vтеор .                    (1.9)
вв в

10

   Из формул (1.8) и (1.9) следует, что

AV = VT • (a-1).


(1.10)

   Если известно содержание кислорода в продуктах горения, то коэффициент расхода воздуха можно определить по формуле


a = 1 +

(1.11)

ФО2 -V

Vemeop - (21-Ф0Г2)’

     пг - содержание кислорода в продуктах горения, % объемн.;     
где Фо2 - объем продуктов горения, м3/м3.                          
     Vr веществ, у которых объем продуктов горения равен объему    
    Для ого воздуха (например, углерод), формула (1.11) упрощается:
 исходн                             21                             
                       a =--------.                          (1.12)
                                    пг                             
                                  21 -Фо2                          

   В случае образования продуктов неполного сгорания (CO, H2, CH4 и др.) формула (1.12) приобретает вид

 21                                                        
 a =-------------------------------------.           (1.13)
 21 -фО; + 0,5фсо2 + 0,5фн2 + 2фсн4                        

Формулу (1.13) можно представить в виде

                          пг V                       
    а = 1 +-----Ф02 пг-----                    (1.14)
                  VeTeOP ■ ( -2 -ФО2 )               
или 21                                               
        a =----------,                         (1.15)
    впг                                              
    Фо2 - Фо2                                        

где фО2 - исходное содержание кислорода в окислительной среде (в воздухе), % объемн.
   Часто в расчетах требуется определить массу воздуха тв (кг), пошедшего на горение:
тв = V -Рв ,                    ⁽¹-¹⁶)
где рв - плотность воздуха, кг/м³.

11