消防燃烧学第一章

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1、 免责声明免责声明本书是由杜文峰组织编写的本书是由杜文峰组织编写的消防工程学消防工程学，以下电，以下电 子版内容仅作为学习交流，严禁用于商业途径。子版内容仅作为学习交流，严禁用于商业途径。 本人为西安科技大学消防工程专业学生，本专业消防本人为西安科技大学消防工程专业学生，本专业消防 燃烧学科目所选教材为这版的书籍，无奈本书早已绝版，燃烧学科目所选教材为这版的书籍，无奈本书早已绝版， 我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚，严重我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚，严重 影响我们专业课的学习。并且此书为消防工程研究生的专影响我们专业课的学习。并且此书为消防工程研究生的专 业课指定教

2、材，因此本人花费一个月时间将此书整理修改业课指定教材，因此本人花费一个月时间将此书整理修改 为电子版，希望可以帮助所有消防工程的同学。为电子版，希望可以帮助所有消防工程的同学。 由于本人能力有限，书上的图表均使用的是截图的，由于本人能力有限，书上的图表均使用的是截图的， 可能不是很清楚，还有难免会有错误，望广大读者海涵。可能不是很清楚，还有难免会有错误，望广大读者海涵。西安科技大学西安科技大学消防工程专业消防工程专业 20092009 级级赵盼飞赵盼飞20122012、5 5、2828第一章1第一章燃烧的化学基础第一章燃烧的化学基础基础化学、热化学、化学动力学等方面的知识对燃烧的研究 起着重要

3、作用。第一节燃烧的本质和条件第一节燃烧的本质和条件一、燃烧的本质一、燃烧的本质所谓燃烧，是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常 伴有火焰、发光和(或)发烟的现象。燃烧区的温度较高，使其中白 炽的固体粒子和某些不稳定(或受激发)的中间物质分子内电子发 生能级跃迁，从而发出各种波长的光；发光的气相燃烧区就是火 焰，它的存在是燃烧过程中最明显的标志；由于燃烧不完全等原 因，会使产物中混有一些微小颖粒，这样就形成了烟。 从本质 上讲，燃烧是一种氧化还原反应，但其放热、发光、发烟、伴有 火焰等基本特征表明它不同于一般的氧化还原反应。如果燃烧反应速度极快，则因高温条件下产生的气体和周围 气体共同膨胀作

4、用，使反应能量直接转变为机械功，在压力释放 的同时产生强光、热和声响，这就是所谓的爆炸。它与燃烧没有 本质差别，而是燃烧的常见表现形式。现在，人们发现很多燃烧反应不是直接进行的，而是通过游 离基团和原子这些中间产物在瞬间进行的循环链式反应。这里， 游离基的链锁反应是燃烧反应的实质，光和热是燃烧过程中的物 理现象。二、燃烧的条件及其在消防中的应用二、燃烧的条件及其在消防中的应用(一)燃烧的条件 燃烧现象十分普遍，但其发生必须具备一定的条件。作为一 种特殊的氧化还原反应，燃烧反应必须有氧化剂和还原剂参加， 此外还要有引发燃烧的能源。1、可燃物(还原剂)不论是气体、液体还是固体，也不论是金属还是非金

5、属、无 机物还是有机物，凡是能与空气中的氧或其它氧化剂起燃烧反应 的物质，均称为可燃物。如氢气、乙快、酒精、汽油、木材、纸 张、硫、磷、钾、钠等。2、助燃物(氧化剂) 凡是与可燃物结合能导致和支持燃烧的物质，都叫做助燃物。第一章2如空气(氧气)、氯气、氯酸钾、高锰酸钾、过氧化钠等。空气是 最常见的助燃物，以后如无特别说明，可燃物的燃烧都是指在空 气中进行的。3、点火源凡是能引起物质燃烧的点燃能探，统称为点火源。如明火、 高温表面、摩擦与冲击、自然发热、化学反应热、电火花、光热 射线等。 上述三个条件通常被称为燃烧三要素。但是既使具备了三要 素并且相互结合、相互作用燃烧也不一定发生。要发生燃烧还

6、必 须满足其他条件，如可燃物和助燃物有一定的数量和浓度，点火 源有一定的温度和足够的热量等。燃烧能发生时，三要素可表示 为封闭的三角形，通常称之为着火三角形，如图 11(a)所示。 经典的着火三角形一般足以说明燃烧得以发生和持续进行的 原理。但是根据燃烧的链锁反应理论，很多燃烧的发生和持续有 游离基(自由基)作“中间体”，因此着火三角形应扩大到包括一个 说明游离基参加燃烧反应的附加维，从而形成一个着火四面体， 如图 11(b)所示。(二)燃烧条件在消防中的应用掌握发生燃烧的条件，就可以了解预防和控制火灾的基本原 理。所谓火灾，是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾 害。 根据着火三角形，可

7、以提出以下防火方法：1.控制可燃物第一章3在可能的情况下，用难燃或不燃材料代替易燃材料；对工厂 易产生可燃气体的地方，可采取通风；在森林中采用防火隔离林 等。2.隔绝空气涉及易然易爆物质的生产过程，应在密闭设备中进行；对有 异常危险的，要充入情性介质保护；隔绝空气储存某些物质等。3.消除点火源在易产生可燃性气体的场所，应采用防爆电器；同时禁止一 切火种等。根据着火三角形，可以得出以下灭火方法；l.隔离法将尚未燃烧的可燃物移走，使其与正在燃烧的可燃物分开； 断绝可燃物来源等，燃烧区得不到足够的可然物就会熄火。2.窒息法用不燃或难燃物捂住燃烧物表面；用水蒸气或惰性气体灌注 着火的容器；密闭起火的建

8、筑物的孔洞等，使燃烧区得不到足够 的氧气而熄火。3.冷却法 用水等降低燃烧区的温度，当其低于可燃物的燃点时，燃烧 就会停止。 着火四面体为另一种灭火方法抑制法提供了理论依据， 这种方法的原理是：使灭火剂参与到燃烧反应中去，它可以销毁 燃烧过程中产生的游离基，形成稳定分子或低活性游离基，从而 使燃烧反应终止。 根据燃烧的条件，防火和灭火最根本的原理就是防止燃烧条 件的形成和破坏已形成的燃烧条件。第二节燃烧反应速度理论第二节燃烧反应速度理论着火条件的分析、火势发展快慢的估计、燃烧历程的研究及 灭火条件的分析等，都用到燃烧反应速度方程。此方程可以根据 化学动力学理论得到。一、反应效率的基本概念一、反

9、应效率的基本概念第一章4化学反应进行的快慢，可以用单位时间内在单位体积中反应 物消耗或生成物的摩尔数来衡量，并称之为反应速率，用公式表 达为(11)dtdc dtVdn式中是反应速率，；V 是体积，m3；dn和 dc 分别)(3smmol 是物质摩尔数和摩尔浓度的变化量，mol 和 mol/m3 是发生变化的 时间，s。虽然用反应物浓度变化和用生成物浓度变化得出的反应速率 值不同，但是它们之间存在单值计量关系，这可由化学反应式得 到。如已知任一反应 aA+bBeE+F，反应速率可写成(12)dtdcAAdtdcBBdtdcEEdtdcFF以上四个反应速率之间有如下关系：(13)febaFEBA

10、上式中，代表反应系统的化学反应速率，其数值是唯一的，称 之为系统反应速率。二、质量作用定律二、质量作用定律通常用化学计量方程式来表达反应前后反应物与生成物之间 的数量关系。这种表达式描述的只是反应的总体情况，没有说明 反应的实际过程，即未给出反应过程中经历的中间过程。例如氢 与氧化合生成水的反应可用 2H2+O2=2H2O 表达，但实际上 H2和 O2 需要经过若干步反应才能转化为 H2O。 反应物分子在碰撞中一步转化为产物分子的反应。称为基元 反应，一个化学反应从反应物分子转化为最终产物分子往往需要 经历若干个基元反应才能完成。实验证明：对于单相的化学基元 反应，在等温条件下，任何瞬间化学反

11、应速度与该瞬间各反应物 浓度的某次幂的乘积成正比。在基元反应中，各反应物浓度的幂 次等于该反应物的化学计量系数。 这种化学反应速度与反应物浓度之间关系的规律，称为质量 作用定律。其简单解释为：化学反应是由于反应物各分子之间碰第一章5撞后产生的，因此单位体积内的分子数目越多，即反应物浓度越 大，反应物分子与分子之间碰撞次数就越多，反应过程进行得就 越快，这样，化学反应速度是与反应物浓度成正比的。 对于反应式 aA 十 bBeE+fF，根据质量作用定律可以得出化 学反应速度方程为：(14) b Ba ACKCV 式中，比例常数 K 称为反应速度常数，其值等于反应物为单 位浓度时的反应速率(a +b

12、)称为反应级数。必须强调指出，质量作用定律只适用于基元反应，因为只有 基元反应才能代表反应进行的真实途径。对于非基元反应，只有 分解为若干个基元反应时，才能逐个运用质量作用定律。三、阿累尼乌斯定律三、阿累尼乌斯定律大量的实脸证明：反应温度对化学反应速度的影响很大，同 时这种影响也很复杂，但是最常见的情况是反应速度随着温度的 升高而加快。范德霍夫近似规则认为：对于一般反应，如果初始 浓度相等，温度每升高 10，反应速度大约加快 24 倍。温度对反应速度的影响，集中反映在反应速度常数 K 上。阿 累尼乌斯提出了反应速度常数 K 与反应温度 T 之间有如下关系：(15) )exp(0RTEKK式中，

13、K0称为频率因子,与 K 单位相同，相对于温)exp(RTE度对 K0的影响可以忽略不计；E 和R分别为活化能和通用气体常 数。式(15)所表达的关系通常称为阿累尼乌斯定律，它不仅适用 于基元反应。而且也适用于具有明确反应级数和速度常数的复杂 反应。将式(l5)两边取对数，得0lnlnKRTEK或者 (16)0lg303. 2lgKRTEK第一章6由上式看出： 或对作图，可得到一条直线，由其KlnKlgT1斜率可求 E，由其截距可求 K0。 根据质量作用定律和阿累尼乌斯定律，可得出基元反应的速 度方程，即(17)exp(0RTECCKVb Ba A四、燃烧反应速度方程四、燃烧反应速度方程假定在

14、燃烧反应中，可燃物的浓度为 CF，反应系数为，助x 燃物(主要指空气)的浓度为，反应系数为；“频率因子”为oxCy；“活化能”为 ES，反应温度为 TS。这样，仿照式(17)可写osK 出燃烧反应速度方程，即(l8)exp(SSy oxx FosSRTECCKV在处理某些燃烧问题时，常假定反应物的浓度为常数，因此 各种物质的浓度比也为常数，一种物质的浓度可由另一种物质的 浓度来表示。例如在方程(l8)中，设，为常数，且Fy oxCmCm 反应级数为 ，这样方程(18)可表示为nyxn(19)exp(SSn FnsSRTECKV式中，。y osnsmKK对于大多数的碳氢化合物的燃烧反应，反应级数

15、都近似等于 2，且 x=y=1，因此燃烧反应速度方程可写为(110)exp(SS oxFosSRTECCKV假定反应物的浓度为常数，根据方程(l9)燃烧反应速度方程 可写为(111)exp(2SS FnsSRTECKV在实际工作中，用质量相对浓度表示物质的浓度时，使用起 来比较方便。这样，方程(110)可表示为如下常见形式：(112)exp(2SS osFosSRTEffKV第一章7方程(l11)可表示为如下形式：(113)exp(22SS FnsSRTEfKV式(112)推导过程为： 假定可燃物和助燃物的摩尔质童分别为、，质量浓度FMoxM分别为、燃烧反应过程的总质量浓度为，可燃物和助燃Fox物的质量相对浓度分别为、。根据质量浓度和摩尔浓度之间Ffoxf 的关系，有， FF FMCoxox oxMC而 ， FFfoxoxf则 ， FF FMfCoxox oxMfC将此两式代入方程(l10)得：)exp(112SS oxF oxFosSRTEffMMKV令，上式就变为方程(112)的形式。oxFososMMKK11需要特别指出的是，由于燃