Podstawowe pojęcia dotyczące spalania i pożarów.pdf

(669 KB) Pobierz
SZKOŁA ASPIRANTÓW PSP
W KRAKOWIE
Podstawowe pojęcia dotyczące
spalania i pożarów
Marzec 2014
Spis treści
1.
Proces spalania jako reakcja fizykochemiczna ................................................................................. 3
1.1. Chemiczne podstawy reakcji spalania ....................................................................................... 3
1.2. Spalanie ......................................................................................................................................... 4
1.3. Płomień i jego budowa ............................................................................................................... 5
1.4. Ciepło spalania i wartość opałowa ............................................................................................ 7
1.5. Dym ............................................................................................................................................... 8
Spalanie cieczy ...................................................................................................................................... 9
Spalanie ciał stałych ........................................................................................................................... 10
Pożar i jego rozwój ............................................................................................................................ 11
Wybuch................................................................................................................................................ 12
Zagrożenia stwarzane przez pyły..................................................................................................... 13
Literatura ............................................................................................................................................. 15
2.
3.
4.
5.
6.
7.
2
1. Proces spalania jako reakcja fizykochemiczna
1.1.
Chemiczne podstawy reakcji spalania
Utlenianie:
reakcja egzotermiczna
przebiega w każdej temperaturze z różną szybkością
prowadzi do zwiększenia wartościowości pierwiastka chemicznego
Proces utleniania może nastąpić nie tylko przez działanie samego tlenu, ale także związków
bogatych w tlen, zdolnych do oddawania go. Związki te noszą nazwę utleniaczy.
Przykłady:
Tabela 1. Przykłady utleniaczy [3]
Lp.
1
2
3
4
Nazwa utleniacza
Nadmanganian
potasu
Dwuchromian
potasu
Woda utleniona
Powietrze
Wzór chemiczny
KMnO
4
K
2
Cr
2
O
7
H
2
O
2
(O
2
+N
2
)
Sposób działania
rozkład
2KMnO
4
→K
2
O+Mn
2
O
7
→2MnO+2,5O
2
rozkład
K
2
Cr
2
O
7
→K
2
O+2CrO
2
→Cr
2
O
2
+1,5O
2
H
2
O
2
→H
2
O+ -O-
O
2
(O=O)
Określenie „utleniacz” ma charakter umowny ponieważ własności chemiczne wielu
pierwiastków zależą również od własności substancji z którymi reagują: np. siarka w obecności
tlenu jest utleniana zgodnie z reakcją
0
0
+
4
−
2
S
+
O
2
→
S O
2
z wartościowości 0 do +4, czyli tlen jest utleniaczem. Natomiast w reakcji siarki np. z miedzią
0
0
+
1
−
2
S
+
2
Cu
→
Cu
2
S
siarka jest utleniaczem ponieważ utlenia miedź z wartościowości 0 do +1.
Zderzenia aktywne
Szybkość przemiany chemicznej zależy nie tylko od budowy substancji lecz również od
warunków zewnętrznych, szczególnie od temperatury. Zależność szybkości reakcji od
temperatury opisuje równanie Arrheniusa:
gdzie:
k – stała szybkości reakcji,
A – stała dla danej reakcji, zwana też czynnikiem przedwykładniczym,
E
A
– energia aktywacji,
R – stała gazowa,
T – temperatura w kelwinach
Wytłumaczenie przyczyny dla której szybkość reakcji tak znacznie zależy od temperatury, daje
teoria zderzeń aktywnych. Zgodnie z nią przemiana chemiczna zachodzi w wyniku zderzania się
ze sobą reagujących cząsteczek. Liczba tych zderzeń w sekundzie jest jednak ogromna, rzędu
miliarda i gdyby każde z nich było efektywne czyli prowadziło do przemiany chemicznej
reagujących cząsteczek, to czas trwania reakcji chemicznych powinien być niemierzalnie krótki.
3
k
=
Ae
−
E
a
RT
Tak jednak nie jest. Logicznie nasuwającą się więc konsekwencją jest przyjęcie dodatkowego
założenia że nie wszystkie zderzenia są efektywne, nie wszystkie prowadzą do reakcji
chemicznych. Efektywnymi są tylko te zderzenia, w których biorą udział cząsteczki o energii
większej lub równej pewnej wartości granicznej zwanej energią aktywacji [3].
Energia aktywacji (slajd 7)
Zgodnie z teorią stanu przejściowego (kompleksu aktywnego) substraty przed przejściem
w produkty tworzą kompleks aktywny, nie będący jeszcze produktem, ale jednocześnie będący
czymś więcej niż wzbudzonym substratem. Jest to twór, w którym nastąpiły już częściowe
przegrupowania, zmiana energii poszczególnych wiązań oraz powstanie zalążków nowych.
Kompleks aktywny charakteryzuje się wyższą energia wewnętrzną niż suma substratów czy suma
produktów. Zatem substraty, zanim osiągną stan produktów muszą uzyskać energię wewnętrzną
odpowiadającą kompleksowi aktywnemu, bez względu na to czy po zakończeniu reakcji energia
produktów będzie wyższa (reakcja endotermiczna) czy niższa (reakcja egzotermiczna) od
substratów. Ta "energetyczna przeszkoda" na drodze od substratu do produktu jest najczęściej
głównym wyznacznikiem szybkości reakcji, całkowicie ją niekiedy uniemożliwiając. Aby ułatwić
pokonanie bariery energetycznej związanej z energią aktywacji możemy albo dostarczyć do
środowiska reakcji więcej energii (np. ogrzewanie) albo zastosować substancję, która łatwo
reaguje z substratem (mała energia aktywacji), a powstały związek łatwo przechodzi w produkt
końcowy (także niska energia aktywacji). Substancję, która w ten sposób ułatwia przejście od
substratów do produktów nazywamy katalizatorem.
Każda reakcja spalania wiąże się z redukcją i utlenianiem. Spalanie to bardzo szybko
przebiegająca reakcja utleniania.
1.2.
Spalanie
Spalanie
jest to fizykochemiczny proces polegający na łączeniu się materiału palnego z powietrzem
podczas którego wydziela się ciepło (reakcja egzotermiczna),
zachodzi w ściśle określonej objętości (np. płomień zapałki, ognisko),
jest to proces kontrolowany.
Czynniki konieczne do zaistnienia reakcji spalania – czworościan spalania (slajd 9):
paliwo – materiał który jest zdolny do utleniania się w takim stanie w jakim występuje
w przyrodzie (substancje nieorganiczne) lub który w środowisku pożarowym rozkłada się
dając produkty rozkładu termicznego zdolne do utleniania się,
utleniacz – substancja niezbędna do zaistnienia reakcji utleniania, najczęściej tlen
atmosferyczny (do 14%),
ciepło – każdy impuls cieplny, który może spowodować inicjację reakcji spalania,
rozgałęzione reakcje łańcuchowe – obecność w płomieniu pośrednich produktów
(rodników, np. H
.
, HO
.
) warunkujących ciągłość spalania.
W reakcję spalania wchodzą tylko te cząsteczki, które mają energię większą niż energia aktywacji.
Granice wybuchowości (slajd 10)
DGW (ang. LEL) – min stężenie substancji palnej, przy którym już może nastąpić
wybuch/zapłon.
GGW (ang. UEL) – max stężenie substancji palnej, przy którym jeszcze może nastąpić
wybuch/zapłon.
4
Podział spalania:
ze względu na szybkość spalania:
⇒
dyfuzyjne – szybkość zależy od dyfuzji powietrza do środowiska pożarowego,
⇒
kinetyczne – szybkość zależy od szybkości przebiegu reakcji chemicznej,
ze względu na sposób przepływu fazy lotnej
⇒
laminarne – stała prędkość spalania,
⇒
turbulencyjne – zmienna prędkość spalania,
ze względu na cechy spalania
⇒
płomieniowe,
⇒
bezpłomieniowe,
ze względu na stan skupienia
⇒
homogeniczne – jednofazowe, nie ma rozdziału faz,
⇒
heterogeniczne – wielofazowe, rozdział faz.
1.3.
Płomień i jego budowa
Płomień jest to widzialna objętość gazowa, w której przebiegają procesy rozkładu
termicznego, spalania. Płomień powstaje w części przestrzeni, w której zachodzi chemiczna
reakcja spalania.
Dyfuzyjny płomień laminarny (slajd 19)
Nigdy paliwo nie jest wstępnie zmieszane z powietrzem przy spalaniu dyfuzyjnym.
Laminarny płomień dyfuzyjny składa się z 2 podstawowych części [3]:
wewnętrznej – zwanej strefą palnej fazy lotnej
⇒
nie zachodzi w niej spalanie ponieważ cały tlen dyfunduje (przenika)
do zewnętrznej części płomienia
⇒
w tej strefie następuje przygotowanie do reakcji spalania polegające na tym,
że substancje palne ulegają rozkładowi termicznemu (dysocjacji termicznej)
⇒
rozkład termiczny materiałów organicznych polega na tym, iż cząsteczki
rozpadają się na atomy C, H, O, albo rodniki HO
2
i OH
⇒
ilość ciepła która przenika do palnej fazy lotnej jest niewielka, dużo, dużo niższa
od temperatury, która tworzy się w strefie spalania
⇒
temperatura tej strefy zależy od ciepła spalania paliwa
zewnętrznej – zwanej strefą spalania
⇒
z punktu widzenia rozwoju pożaru jest to najważniejsza część płomienia
⇒
w niej zachodzi spalanie, tzn. łączenie się produktów dysocjacji termicznej
z powietrzem w wyniku czego powstają produkty spalania
⇒
w tej strefie jest najwyższa temperatura i ona stanowi wartość temperatury
płomienia
⇒
decyduje o wymianie ciepła.
Dyfuzja molekularna obejmuje zarówno dyfuzję fazy lotnej tworzącej się z paliwa jak również
powietrza. Tuż nad powierzchnią wylotu z palnika (ewentualnie powierzchni cieczy, materiału
palnego) stężenie składnika palnego jest największe, a w miarę oddalania się od tej powierzchni
bardzo szybko maleje. Odmienna sytuacja jest w przypadku powietrza którego stężenie przy
powierzchni jest bardzo małe natomiast w miarę oddalania się wzrasta. W konsekwencji
powoduje to tworzenie się mieszaniny palnej.
5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin