Долгое время представления об огне и горении оставались столь же наивными с точки зрения современной науки.

Лекция № 1. Введение

ЯВЛЕНИЕ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

 

Горение используется человечеством на протяжении миллиона лет и является одной из древнейших технологий. Археологи установили, что люди стали пользоваться огнем для обогрева и приготовления пищи 600000 лет назад, а научились получать огонь около 30000 лет назад. Огонь был первым источником энергии первобытного человека. По мере эволюции человек эмпирически познавал процессы горения, находил и применял новые виды горючего, открывал термические процессы, протекающие под воздействием теплоты горения, необходимые ему для удовлетворения своих нужд.

Вначале горение использовали для обогрева жилища и приготовления пищи, затем - и в технологических операциях, например, при выплавке металлов, при изготовлении изделий из металлов (ковка и литьё), керамики, стекла и многое другое. Без применения процессов горения человечество так и осталось бы в каменном веке, после которого никогда бы не наступил ни бронзовый, ни железный век.

Немного истории.

Огонь привлекал внимание ученых, начиная с глубокой древности. Так еще в V веке до н.э. Эмпедокл утверждал, что существуют 4 начала всех вещей – огонь, воздух, вода и земля, считая их материальными субстанциями.

В IV веке до н.э. древнегреческий философ Аристотель, признавая эти начала, дополнил их пятым принципом – «существо», но он считал их не материальными субстанциями, а лишь носителями некоторых основных свойств веществ, ощущаемых человеком при помощи осязания: теплоты, холода, сухости, влажности.

Долгое время представления об огне и горении оставались столь же наивными с точки зрения современной науки.

Развитие цивилизации требовало все больше энергии, которая получалась, в основном, за счет сжигания древесины, запасы которой были не безграничны. Кроме того, расширялась выплавка различных металлов путем обжига руд, которая также была малоэффективной из-за образования большого количества окалины.

Начало научных разработок, и исследования процессов горения следует отнести к 1660 году к экспериментам представителей оксфордской школы во главе с Робертом Бойлем.

Однако во времена Бойля связь науки с практической деятельностью человечества была слабая.

Только к концу XVII века стала отчетливо проявляться потребность свести многообразные изменения веществ, которые происходят в процессе горения, к одному общему принципу.

Это обусловило то, что в XVII веке немецким ученым Георгом Шталем была создана теория флогистона, установившая глубинную связь между процессами горения и окисления. Флогистон (термин происходит от греческого слова - горючий) – некоторый абстрактный принцип горючести, который становится «горючей субстанцией» только тогда, когда находится в сложном теле в сочетании с другими веществами. Шталь предполагал, что при нагревании сложных тел флогистон улетучивается и, соединяясь с воздухом, воспламеняется. Однако этому противоречили факты об увеличении массы металлов при их нагревании на воздухе, поэтому последователи флогистона объясняли это тем, что флогистон имеет отрицательный вес, поэтому при прокаливании металлов в воздухе, когда удаляется флогистон, остаток обжигаемого металла становится более тяжелым.

Характерной особенностью процессов горения является то, что химическая реакция происходит в узкой зоне (зоне горения), отделяющей исходное горючее вещество от продуктов горения.

В том случае, когда горение происходит в гетерогенной системе горючее – окислитель, зона горения будет оставаться на месте (при горении газа в горелке Бунзена) или слабо перемещаться (при сгорании угля или дров в топке печи), т.е. в этом случае химическая реакция будет обладать способностью к самоподдерживанию.

В случае химического вещества (или смеси веществ), способного к горению без доступа кислорода, зона горения будет перемещаться по исходному веществу, т.е. в данном случае химическая реакция будет обладать способностью к самораспространению.

Взрывные процессы

Упоминание слова "взрыв" ассоциируется в нашем сознании со вспышкой, быстром расширением облака дыма, разлётом кусков оболочки и окружающей среды (грунт, камни и т.п.) и сильным звуковым эффектом.

Наиболее существенным признаком взрыва является резкий скачок давления в среде, окружающей место взрыва, - образование ударной волны, которая и является непосредственной причиной разрушающего действия взрыва. Причины возникновения повышенного давления могут быть различными, но все они связаны с выделением энергии.

В зависимости от вида процесса, в результате которого происходит выделение энергии, различают взрывы физические, химические и ядерные (будут рассмотрены позднее).

В курсе лекций "Теория горения и взрыва" мы будем рассматривать только химические взрывы.

Взрывом называют быстрое химическое превращение вещества (или смеси веществ), сопровождающееся выделением большого количества тепла и образованием газов.

Взрыв может протекать в двух различных формах: гомогенного (теплового) взрыва или самораспростаняющегося взрывчатого превращения. Именно на использовании самораспространяющегося взрыва и основаны все современные взрывные технологии.

Взрывчатые вещества (ВВ), являясь единственным высококонцентрированным источником энергии, широко применяются в различных областях деятельности человека.

История развития взрывчатых веществ начиналась с использования селитросодержащих смесей в качестве зажигательных составов и фейерверков (Китай, 682 год) и позднее открытого китайцами дымного (черного) пороха.

В Европе первооткрывателем пороха, согласно летописям, следует признать францисканского монаха, англичанина Роджера Бекона (1242 г.).

С XIV века черный порох используют в Европе, но, главным образом, в военных целях, в частности, для огнестрельного оружия. Также черный порох применялся для подрыва крепостных стен подземными (минными) зарядами при осаде таких городов как Будапешт (1489 г.) и Казань (1552 г.).

Начало применения пороха в горном деле, по разным источникам, относят к XVI-XVII вв. Еще в 1548 году в России дымный порох применили для взрывания скал и камней, мешавших судоходству на реках.

Первое применение пороха при взрывных работах на рудниках относится к 1627 году (проходка штольни на руднике в Словакии). При этом порох в бумажных патронах заряжали в шпуры диаметром до 50 мм и глубиной до 1 м, выбуренные вручную.

Начиная с 1632 г. порох начали применять при взрывных работах на серебряных рудниках Швеции. К концу XVII века взрывные работы с помощью пороха стали широко распространенными в горной промышленности многих стран.

В течение нескольких столетий (до середины XIX века) черный порох оставался единственным практически применяемым взрывчатым веществом (ВВ). Начиная с последней четверти XVIII века, были открыты и другие ВВ: в 70-80-х годах XVIII века французские химики А. Лавуазье и К. Бертолле изобрели взрывчатую смесь на основе хлората калия (бертолетовой соли), однако взрыв на заводе, где готовилось это хлоратное ВВ, отодвинул его изготовление на многие годы. В 1771 году П. Вульфом был синтезирован тринитрофенол (пикриновая кислота), являющийся мощным бризантным ВВ, но его взрывчатые свойства и способность детонации стали известными лишь в 1873 году благодаря исследованиям Г.Шпренгеля.

Бурное развитие промышленности в XIX веке привело к созданию новых средств инициирования пороховых зарядов (СИ) и новых ВВ.

В 1812 году видный русский ученый П. Л. Шиллинг впервые применил электрический воспламенитель для взрывания пороховых зарядов. Для тех же целей в 1831 году в Англии был изобретен огнепроводный шнур, который по имени изобретателя называли бикфордовым.

Основу развития ВВ во второй половине XIX века положил синтез итальянцем А. Собреро в 1847 году мощного бризантного ВВ - нитроглицерина, сыгравший большую роль в замене черного пороха на более мощные бризантные ВВ в горном деле.

В 60-х годах XIX века под руководством В. Ф. Петрушевского было разработано и испытано такое ВВ, как динамит Петрушевского, состоявший из жидкого нитроглицерина и углекислого магния, который выполнял роль поглотителя жидкого нитроглицерина.

Параллельно с работами русских ученых и инженеров широкие исследования по взрыванию нитроглицерина и его смесей, а также по разработке промышленной технологии получения нитроглицерина были выполнены шведским инженером Альфредом Нобелем, жившем в те годы в России и знавшем об опытах Н. Н. Зинина и В. Ф. Петрушевского.

 

Нитроглицерин мощное ВВ оставался чрезвычайно опасным в применении и вследствие этого повинным во многих катастрофических несчастных случаях. А. Нобель постоянно искал пути стабилизации нитроглицерина. Он предложил смешивать жидкий нитроглицерин с химически инертным пористым веществом - кизельгуром (инфузорной землей, диатомитом), являющимся абсорбирующим материалом. Запатентованное в 1867 г. новое взрывчатое вещество было названо динамитом. В последующие годы А. Нобель построил заводы по производству динамита в Германии (Гамбург), в Швеции (Стокгольм), во Франции и других странах. С этого времени динамиты стали широко применяться во всех странах для разрушения крепких горных пород. В дальнейшем развитие также получили более стабильные и мощные пластичные ВВ (желатин-динамиты), в которых нитроглицерин связан нитроклетчаткой (коллоидным хлопком).

Безопасность при изготовлении, хранении, транспортировании и использовании энергетических материалов, эффективность их применения во многом определяются знанием физических и химических свойств, их термодинамических (химических) и детонационных свойств.

 

В современном обществе существует контролируемое горение, специально организованное человеком для удовлетворения своих потребностей в тепловой (печи, топки и т.п.), световой (свечи, керосиновые лампы, газовое освещение др.) и механической энергии (двигатели внутреннего сгорания, дизеля и т.п.), и неконтролируемое горение – пожары.

Используя горение как источник энергии в своих целях, человек иногда становился и жертвой этого «джина, самим им выпущенного из бутылки» - пожаров. Поэтому изучение процессов горения, приобретение умений их регулирования и прекращения стало жизненно важной потребностью.

Ежегодно в России случается около 300000 пожаров. В огне гибнут около 20 тысяч человек и примерно столько же получают травмы. В мире на каждые 100 пожаров гибнет 1 человек, в России эта печальная статистика еще выше.

Пожар – это горение, способное самостоятельно распространяться вне специально предназначенного для этого места, приводящее к травмированию или гибели людей, уничтожению или повреждению имущества, ухудшению экологической обстановки.

Как следует из этого определения в основе всех явлений, протекающих на пожарах, лежит процесс горения, иногда сопровождающийся возникновением взрыва. Уяснить сущность процессов, происходящих на пожаре можно только на основе изучения теории горения и взрыва. Все сопутствующие явления – деформация и обрушение строительных конструкций, вскипание и выбросы и т.п. - являются следствием процесса горения.

Горение и взрыв, несмотря на различие во внешних проявлениях, по своей научной сущности – очень близкие процессы. Они различаются лишь ролью газодинамических факторов и временем протекания химических реакций, но имеют в своих проявлениях много общего (инициирование процесса, волновая локализация реакции или объёмное реагирование и др.). Да и в целом системы, в которых возможны горение и взрыв, обладают общим свойством – высокой энергоёмкостью (во многих случаях горение и взрыв можно инициировать в одних и тех же системах). Поэтому горение и взрыв как область знания развиваются в единых рамках.

Например, аммиачная селитра является окислителем (группа 5.1) и в тоже время взрывоопасным веществом. В настоящее время известны ее взрывчатые характеристики и условия ее безопасного использования (транспортирования, хранения, применения). Однако в XX веке произошло значительное количество катастроф, связанных с взрывами аммиачной селитры и ее смесей.

На заводе в г. Оппау (Германия) производилась лайна-селитра (удобрение, состоящее из смеси 50% сульфата аммония (NH₄)₂SO₄ и 50 % нитрата аммония NH₄NO₃). Как продукт сезонного потребления она накапливалась за заводских складах в больших количествах и за время длительного хранения слеживалась в сплошную камнеобразную массу. Дробление этой массы механическими способами оказалось неэффективным, и было решено прибегнуть к взрывному методу. Для выяснения способности лайна-селитры к детонации предварительно были проведены опыты, давшие отрицательный результат. После этого рыхление взрывным способом применяли длительное время – было проведено более 20000 взрывов, пока, наконец, утром 21 сентября 1921 г. склад лайна-селитры, а вместе с ним и завод не взлетели на воздух. На месте склада образовалась воронка длиной 165 м, шириной 96 м и глубиной 18,5 м (рис.1). При взрыве погибло свыше 500 человек и было ранено около 2000.

 

 

Рис. 1. После взрыва на заводе в г. Оппау (Германия)

 

 

16 апреля 1947 года в Техас-Сити (США) произошел взрыв аммиачной селитры в грузовом отсеке корабля, масса груза 2300 т. Инициирующим событием послужил начавшийся в трюме пожар, для тушения которого капитан задраил все палубные люки и впускал пар в грузовой отсек. В результате взрыва погибло более 200 человек, в т. ч. 32 человека команды и люди, столпившиеся в порту и наблюдавшие за пожаром.

В США около г. Трасквуд в 1960 г. произошло крушение товарного поезда. Один из вагонов был загружен аммиачной селитрой в мешках, а другой – аммиачной селитрой навалом. При аварии возник сильный пожар, при котором взорвалась селитра, упакованная в мешки.

Также в США имели место случаи перехода горения во взрыв аммиачной селитры на производствах, осуществляющих технологические операции с ней (1973 г. – штат Оклахома, 1974 г. – фирма «Атлас Паудер»).

Аварийный взрыв аммиачной селитры в районе г. Сасово Рязанской области произошел 12 апреля 1989 года. Селитра массой 100 т, упакованная в бумажные мешки, складировалась навалом с автотранспорта на поле, покрытое черноземом. Прямая причина взрыва не установлена. Перед взрывом было отмечено появление сильного запаха аммиака, что могло свидетельствовать о реакции, происходящей в массиве селитры. Кроме того, по метеоусловиям не отрицается возможность активизации атмосферного электричества. При взрыве никто не пострадал. Образовалась воронка диаметром 28 м и глубиной 4 м.

Заводы-изготовители ВВ исторически находятся в отдаленных от потребителей районах. Почти 400 тыс. т ВВ, в т.ч. содержащие особо опасные в обращении тротил и гексоген, а также только гранулированный тротил, ежегодно доставляются потребителям по автомобильным и железным дорогам, средствами морского, речного и даже авиационого транспорта.

При этом перевалочные пункты обязательно примыкают к густонаселенным районам (крупные ж/д узлы). По данным ООН 50% всех мировых перевозок это ОПАСНЫЕ грузы из них 20% - опасные грузы 1-го класса, т.е. ВМ.

За последние 20 лет на территории бывшего СССР произошло более 25 аварий с ж/д вагонами, перевозившими ВМ. Две таких аварии закончились трагически:

- 1988 г. Арзамас - взрыв 140 т ВВ;

- 1989 г. Свердловск - взрыв 95 т ВВ.

Лекция № 1. Введение

ЯВЛЕНИЕ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

 

Горение используется человечеством на протяжении миллиона лет и является одной из древнейших технологий. Археологи установили, что люди стали пользоваться огнем для обогрева и приготовления пищи 600000 лет назад, а научились получать огонь около 30000 лет назад. Огонь был первым источником энергии первобытного человека. По мере эволюции человек эмпирически познавал процессы горения, находил и применял новые виды горючего, открывал термические процессы, протекающие под воздействием теплоты горения, необходимые ему для удовлетворения своих нужд.

Вначале горение использовали для обогрева жилища и приготовления пищи, затем - и в технологических операциях, например, при выплавке металлов, при изготовлении изделий из металлов (ковка и литьё), керамики, стекла и многое другое. Без применения процессов горения человечество так и осталось бы в каменном веке, после которого никогда бы не наступил ни бронзовый, ни железный век.

Немного истории.

Огонь привлекал внимание ученых, начиная с глубокой древности. Так еще в V веке до н.э. Эмпедокл утверждал, что существуют 4 начала всех вещей – огонь, воздух, вода и земля, считая их материальными субстанциями.

В IV веке до н.э. древнегреческий философ Аристотель, признавая эти начала, дополнил их пятым принципом – «существо», но он считал их не материальными субстанциями, а лишь носителями некоторых основных свойств веществ, ощущаемых человеком при помощи осязания: теплоты, холода, сухости, влажности.

Долгое время представления об огне и горении оставались столь же наивными с точки зрения современной науки.

Развитие цивилизации требовало все больше энергии, которая получалась, в основном, за счет сжигания древесины, запасы которой были не безграничны. Кроме того, расширялась выплавка различных металлов путем обжига руд, которая также была малоэффективной из-за образования большого количества окалины.

Начало научных разработок, и исследования процессов горения следует отнести к 1660 году к экспериментам представителей оксфордской школы во главе с Робертом Бойлем.

Однако во времена Бойля связь науки с практической деятельностью человечества была слабая.

Только к концу XVII века стала отчетливо проявляться потребность свести многообразные изменения веществ, которые происходят в процессе горения, к одному общему принципу.

Это обусловило то, что в XVII веке немецким ученым Георгом Шталем была создана теория флогистона, установившая глубинную связь между процессами горения и окисления. Флогистон (термин происходит от греческого слова - горючий) – некоторый абстрактный принцип горючести, который становится «горючей субстанцией» только тогда, когда находится в сложном теле в сочетании с другими веществами. Шталь предполагал, что при нагревании сложных тел флогистон улетучивается и, соединяясь с воздухом, воспламеняется. Однако этому противоречили факты об увеличении массы металлов при их нагревании на воздухе, поэтому последователи флогистона объясняли это тем, что флогистон имеет отрицательный вес, поэтому при прокаливании металлов в воздухе, когда удаляется флогистон, остаток обжигаемого металла становится более тяжелым.