Условия воспламенения и горения нефтепродуктов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

 ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ 

"КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКМЙ УНИВЕРСИТЕТ"

(ФГБОУ ВПО КНИТУ)

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

Вариант 15

 

по дисциплине: Теория горения и взрыва

 

ШИФР________________________

 

 

 

 

                   Выполнил:

                  студент _2_ курса

                  группы 1213-Ц6

                  КМИЦ«Новые технологии»

                  Карпеева А.В

                  Проверил:

             

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Казань. 2012

Введение:

 

Горение является первым сложным техническим процессом, освоенным человеком. В истории прогресса техники этот процесс занимал и продолжает занимать очень важное место, являясь основой современной энергетики, многих технологических производств, транспорта и быта.

В то же время, процессы горения различных веществ играют значительную роль в безопасности жизнедеятельности. Огромный ущерб растительному покрову Земли наносят пожары. Ежегодно на всех континентах возникает около 200 тысяч лесных пожаров. Лишь около 3 % из них было вызвано молниями. Остальные – следствия неосторожного обращения людей с огнем. В России за последние три года наблюдается рост пожаров в учреждениях образования – школах, училищах, вузах, в социально значимых учреждениях – больницах, интернатах, домах престарелых. Поэтому знание основных процессов физики горения необходимо для оценки пожароопасности различных веществ и помещений и разработки эффективных мероприятий по предотвращению и тушению различных пожаров.

На различных промышленных сооружениях растет количество взрывных аварийных происшествий. При этом наряду с авариями на объектах, непосредственно  связанных с хранением и использованием энергоемких или взрывчатых материалов, все чаще встречаются случаи, когда причиной взрыва были внешне безопасные объекты.

Во взрывоопасных технологических процессах (угледобыча, нефтепереработка, химическая технология) предпринимаются серьезные усилия для предотвращения взрывов и ослабления их нежелательных последствий. В других отраслях народного хозяйства при проектировании оборудования часто исходят из гипотезы о взрывобезопасности многих объектов, которые, однако, потенциально способны породить взрывные явления. В связи с этим, весьма актуальной является проблема доведения до сознания широкого круга специалистов основных представлений о возможных источниках и последствиях взрывов. К последним относятся фугасное действие воздушной ударной волны, осколочное действие разрушенных и разлетающихся элементов оборудования и тепловое воздействие от выгорания энергоносителя.

Процессы горения и  взрыва играют большую роль в жизнедеятельности человека. С одной стороны, эти процессы широко используются в различных отраслях современной техники и технологии. Отметим лишь такие важнейшие отрасли как теплоэнергетика, двигателестроение, транспорт, ракетная техника и авиация, в которых основными источниками энергии являются управляемые процессы горения. С другой стороны, процессы горения и взрыва часто приводят к катастрофическим последствиям – лесные пожары, взрывы паровых котлов и газопроводов, ядерные взрывы и т.д. Для оценки характеристик и последствий этих явлений необходимо знать основные закономерности процессов, протекающих при горении и взрыве различных веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Условия  воспламенения  и горения нефтепродуктов

 

Горение – это сложный  физико-химический процесс, при котором 

превращение вещества сопровождается интенсивным выделением тепла, ярким свечением и тепло массообменном с окружающей средой.

В большинстве случаев горение происходит в результате экзотермического окисления вещества, способного к горению (горючего), некоторым окислителем (кислородом воздуха, хлором, закисью азота и т.д.).

При этом в процессе участвуют  два основных компонента – горючее и             окислитель.

 По этому механизму  происходит горение газов, нефти,  бензина, керосина, древесины, торфа  и других горючих веществ –  углеводородов, содержащих в химической  формуле углерод и водород.

Однако процесс горения  может протекать не только при реакция соединения горючего вещества с окислителем, но и при других реакциях, связанных с выделением значительного количества теплоты и с быстрым химическим превращением. К ним относятся разложение взрывчатых веществ и озона, взаимодействие оксидов натрия и бария с диоксидом углерода, распад ацетилена и т. д. Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения (например, бурта зерна или торфяника), либо инициировано

Процессы горения жидких, твердых и газообразных топлив широко

используются практически во всех отраслях современной техники и технологии. Отметим наиболее важные направления использования процессов горения. Наиболее важную роль процессы горения играют в теплоэнергетике. Тепловые электростанции используют энергию горения угля, горючих газов, и жидких углеводородов. В технологии получения черных и цветных металлов, стекла, керамики, цемента, и других необходимых материалов также используется энергия горения для нагрева и плавления соответствующих компонентов и сырья.

 

Артиллерия, стрелковое оружие и другие виды вооружений ис-

пользуют в качестве источника  энергии взрывчатые вещества различных 

классов.

– Большое народнохозяйственное значение имеют взрывные техно-

логии, применяемые для добычи угля и других полезных ископаемых,

при строительных работах (возведение плотин, прокладка туннелей и 

т.д.), при разрушении ледяных заторов.

– Важным направлением в науке  о горении являются экологические 

аспекты горения, получившие большое  развитие в последнее время. К 

ним относятся технология сжигания  бытовых отходов, изучение меха-

низмов образования экологически вредных продуктов сгорания (оксиды

азота, сажа, соединения хлора). Эти  исследования позволяют найти ус-

ловия, при которых концентрация токсичных веществ в выбросах минимальна.

– Одним из важнейших направлений науки о горении является изучение пожаров (в жилых помещениях, лесных массивов и т.д.) и разработка методов пожаротушения. Для тушения пожаров используются как физические, так и химические способы, которые способствуют обрыву цепей химической реакции горения.

– Отдельно следует отметить роль процессов горения в двигателест-

роении, авиации и ракетной технике. Процессы горения используются

для получения движущей энергии  различных транспортных средств,

начиная от паровоза и  вплоть до современных ракетных двигателей, автомобилей, самолетов, судов и т.д. Горение веществ возможно только при наличии горючего вещества, кислорода воздуха (или другого окислителя) и достижения температуры, способной вызвать процесс горения.

Воздух и горючее  вещество составляют систему, способную  гореть,

а температурные условия  обуславливают возможность самовоспламенения и горения системы. При установившемся режиме горения изменение состава системы и температурных условий ведет к изменению скорости горения или его прекращению.

 Например, изменение  концентрации горючего вещества в газовых или пылевых смесях первоначально изменяет скорость горения в ту или иную сторону, а затем ведет к уменьшению скорости и прекращению горения.

Из составных частей воздуха в горении участвует только кислород.

Азот и редкие газы, находящиеся в воздухе, в этом процессе не участвуют. Изменяя концентрацию кислорода в воздухе, можно изменить скорость горения веществ. Наибольшая скорость горения получается при

горении вещества в чистом кислороде, наименьшая (прекращение горения) – при содержании 14÷15% кислорода.

Горение веществ может  происходить за счет кислорода, находящегося

в составе других веществ, способных легко его отдавать. Такие вещества

называются окислителями. Приведем наиболее известные окислители.

– Бертолетова соль (KClO3).

– Калийная селитра (KNO3).

– Натриевая селитра (NaNO3).

– Нитрат аммония (NH4NO3).

– Марганцево-кислый калий (KMnO4).

– Перхлорат аммония (NH4ClO4).

В составе окислителей содержится кислород, который может быть выделен путем разложения соли, например:2 KClO3=2 KCl+3 O2

Разложение окислителей  происходит при нагревании, а некоторых  из

них даже под воздействием сильного удара. Для того, чтобы вещество горело за счет кислорода окислителя, необходимо как горючее, так и окислитель измельчить и тщательно перемешать для увеличения площади соприкосновения реагирующих веществ. Горение таких смесей происходит с большой скоростью, так как кислород в момент выделения находится в атомарном состоянии. Пример таких смесей – черный порох, термит, пиротехнические составы, смесевые твердые ракетные топлива. Для прекращения горения необходимо нарушить вызывающие его условия.

 

Так, при тушении водой  происходит охлаждение горящего ве-

щества и уменьшение концентрации горючих газов за счет образования

паров воды. При тушении  нефти пеной прекращается подача теплоты от

пламени к нефти и  затрудняется его поступление в  зону горения.

Горение всех веществ  начинается с их воспламенения. У большинства горючих веществ момент воспламенения характеризуется появлением пламени. У тех веществ, которые горят без пламени, например, у термитных составов, использующихся для сварки металлов, момент воспламенения характеризуется появлением свечения (накала). Известны два вида воспламенения веществ – самовоспламенение и зажигание (вынужденное воспламенение). При самовоспламенении равномерно нагревается вся горючая смесь. При зажигании используется явление распространения фронта пламени от местного относительного небольшого по размерам источника зажигания (пламя, искра, и т.п.). Таким образом, зажигание представляет собой два последовательных

процесса – сначала  начальное очаговое зажигание, которое  вызывает

первичное пламя, и затем  распространение пламени от источника по

всему объему горючей  смеси. Температура, до которой необходимо нагреть горючее вещество, что-бы оно воспламенилось, называется температурой самовоспламенения. Химическая реакция может закончиться самовоспламенением при следующих условиях.

– Выделение теплоты в результате реакции, то есть экзотермичность реакции.

– Возможность протекания реакции при температурах более низких, чем температура самовоспламенения.

– Способность реакции  к резкому ускорению при повышении температуры (по закону Аррениуса). Процесс самовоспламенения веществ происходит следующим образом.

При нагревании горючей  смеси (например, смеси паров бензина 

с воздухом) можно достигнуть такой температуры, при которой  в смеси 

начинает протекать  медленная реакция – окисление. Эта реакция сопровождается выделением теплоты, и смесь начинает нагреваться выше той

температуры, до которой  ее нагрели.

Одновременно с тепловыделением и нагревом смеси происходит теплоотдача от смеси в окружающую среду за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Если скорость реакции окисления мала, то теплоотдача превышает выделение теплоты. При этом, после некоторого  повышения температуры, скорость реакции начинает снижаться и самовоспламенения не происходит.

Если смесь нагреть  извне до более высокой температуры, то вместе

с увеличением скорости реакции увеличивается и количество теплоты,

выделяемой в единицу  времени. При достижении определенной температуры Т*

которая зависит от внешних условий, скорость тепловыделения начинает превышать скорость теплоотдачи, в результате чего реакция интенсивно ускоряется. В этот момент происходит самовоспламенение вещества. Таким образом, температура самовоспламенения реагирующего вещества – это такое значение температуры, при котором скорость тепловыделения Q+

(Дж/с) становится равной скорости тепло-отвода Q-(Дж/с): Q+(Т) = Q- (Т).

Зависимости Q+(Т) и Q- (Т), построенные на одном графике, называются диаграммой Семенова Точка пересечения кривых теплоприхода и теплоотвода определяет величину температуры самовоспламенения. Количественная теория теплового самовоспламенения была развита академиком Н.Н. Семеновым в 1928 г. на основе механизма цепных реакций. Согласно этому механизму, увеличение температуры смеси ведет к увеличению длины цепи и числа образующихся вследствие теплового движения активных молекул. При некотором значении температуры длина цепи становится такой, что число разветвлений в ней становится больше числа обрывов. Реакция при этом приобретает ускорение и происходит самовоспламенение смеси.

Из этого следует, что условием цепного самовоспламенения является равенство числа разветвлений числу