Homogeno se imenuje zgorevanje, pri katerem. heterogeno zgorevanje. Teoretične osnove gorenja in eksplozije
gorljivo okolje
Oksidanti
Oksidanti so snovi, katerih atomi sprejemajo elektrone pri kemičnih transformacijah. Med enostavne snovi uvrščamo vse halogene in kisik.
Najpogostejši oksidant v naravi je atmosferski kisik.
Pri resničnih požarih poteka zgorevanje predvsem v zraku, v mnogih pa tehnološki procesi uporablja se zrak, obogaten s kisikom, in celo čisti kisik (na primer metalurška proizvodnja, plinsko varjenje, rezanje itd.). Atmosfero, obogateno s kisikom, lahko srečamo v podvodnih in vesoljskih plovilih, procesih v plavžih itd. Takšnih gorljivih sistemov se je povečalo požarna nevarnost. To je treba upoštevati pri razvoju gasilnih sistemov, protipožarnih in preventivnih ukrepov ter pri požarno-tehničnem izvedenstvu požarov.
Poleg atmosferskega kisika in halogenov lahko kompleksne snovi delujejo tudi kot oksidanti v reakcijah zgorevanja, na primer soli kislin, ki vsebujejo kisik - nitrati, klorati itd., Ki se uporabljajo pri proizvodnji smodnika, vojaških in industrijskih eksplozivov ter raznih pirotehnične kompozicije.
Mešanica goriva in oksidanta v enakem agregatnem stanju določenih razmerjih in lahko gorijo (in zgorevanje je možno le pri določenih razmerjih), imenujemo gorljivo sredstvo.
Obstajata dve vrsti gorljivih medijev: homogeno in heterogeno.
Homogen gorljiv medij se imenuje predhodno mešana mešanica goriva z oksidantom in v skladu s tem nehomogen gorljiv medij – ko gorivo in oksidant nista mešana.
Vpliv velikega števila dejavnikov na proces zgorevanja določa raznolikost vrst in načinov zgorevanja. Torej, odvisno od agregatnega stanja komponent gorljiva mešanica zgorevanje je lahko homogeno in heterogeno, odvisno od pogojev mešanja komponent - zgorevanje vnaprej pripravljene zmesi (kinetično) in difuzijsko, odvisno od plinskodinamičnih pogojev - laminarno in turbulentno itd.
Glavne vrste zgorevanja so homogeno in heterogeno.
homogeno zgorevanje -
je proces interakcije med gorivom in
oksidant v istem agregatnem stanju. večina
homogeno zgorevanje plinov in hlapov v zraku je zelo razširjeno.
heterogeno zgorevanje- to je zgorevanje trdnih gorljivih snovi
neposredno na njihovi površini. značilna lastnost
heterogeno zgorevanje je odsotnost plamena. Primeri tega
kurijo antracit, koks, oglje, nehlapne kovine.
Zgorevanje brez plamena se včasih imenuje razpad.
Kot je razvidno iz definicij, je temeljna razlika med homogenim zgorevanjem in heterogenim zgorevanjem ta, da sta v prvem primeru gorivo in oksidant v istem agregatnem stanju, v drugem pa v različnih stanjih.
Hkrati je treba opozoriti, da zgorevanje trdnih snovi in materialov še zdaleč ni vedno heterogeno. To je posledica mehanizma zgorevanja trdnih snovi.
Na primer kurjenje lesa na zraku. Če ga želite prižgati, morate prinesti nekakšen vir toplote, na primer plamen iz vžigalice ali vžigalnik, in počakati nekaj časa. Postavlja se vprašanje: zakaj ne zasveti takoj? To je razloženo z dejstvom, da mora vir vžiga v začetnem obdobju segreti les na določeno temperaturo, pri kateri se začne proces pirolize ali z drugimi besedami termični razpad. Hkrati se zaradi razgradnje celuloze in drugih komponent začnejo sproščati produkti njihove razgradnje - gorljivi plini - ogljikovodiki. Očitno je, da večje kot je ogrevanje, večja je stopnja razgradnje in s tem tudi hitrost sproščanja gorljivih plinov. In to šele takrat, ko bo hitrost sproščanja GH zadostna za ustvarjanje določene koncentracije v zraku, tj. vnetljiva atmosfera, lahko pride do vžiga. Kaj počne kurjenje ne lesa, temveč njegovih produktov razgradnje - gorljivih plinov. Zato je zgorevanje lesa v večini primerov homogeno in ne heterogeno zgorevanje.
Lahko trdite, da les sčasoma začne tleti, tlenje pa je, kot je omenjeno zgoraj, heterogeno zgorevanje. In obstaja. Dejstvo je, da so končni produkti razgradnje lesa predvsem gorljivi plini in ogljikovi ostanki, tako imenovani koks. Vsi ste že videli in celo kupili ta najbolj ogljikov ostanek za peko na žaru. Ti premogi so približno 98 % čisti ogljik in ne morejo sproščati HG. Premog gori že v načinu heterogenega zgorevanja, torej tli.
Tako les najprej gori v načinu homogenega zgorevanja, nato pa pri temperaturi približno 800 ° C plamensko izgorevanje preide v tlenje, tj. postane heterogena. Enako velja za druge trdne snovi.
Kako gorijo tekočine v zraku? Mehanizem gorenja tekočine je, da najprej izhlapi, hlapi pa tvorijo z zrakom gorljivo zmes. To pomeni, da v tem primeru pride tudi do homogenega zgorevanja. ne gori tekoča faza, temveč hlapi tekočine
Mehanizem zgorevanja kovine je enak kot pri tekočinah, le da se mora kovina najprej stopiti in nato segreti na visoko temperaturo, da je stopnja izhlapevanja zadostna za nastanek gorljivega medija. Nekatere kovine gorijo na njihovi površini.
Pri homogenem zgorevanju ločimo dva načina: kinetično in difuzijsko zgorevanje.
Kinetično zgorevanje- to je zgorevanje predhodno mešane gorljive zmesi, tj. homogena mešanica. Hitrost gorenja določa samo kinetika redoks reakcije.
Difuzijsko zgorevanje- to je zgorevanje nehomogene mešanice, ko gorivo in oksidant nista predhodno mešana, tj. heterogena. V tem primeru pride do mešanja goriva in oksidanta na sprednji strani plamena zaradi difuzije. Za neorganizirano zgorevanje je značilna difuzija. način zgorevanja, večina gorljivih materialov na ognju lahko gori samo v tem načinu. Homogene zmesi seveda lahko nastanejo tudi med pravim požarom, vendar njihov nastanek prej nastane pred požarom oziroma predstavlja začetno stopnjo razvoja.
Bistvena razlika med temi vrstami zgorevanja je v tem, da so v homogeni zmesi molekule goriva in oksidanta že v neposredni bližini in so pripravljene za kemično interakcijo, medtem ko se morajo pri difuzijskem zgorevanju te molekule zaradi difuzije najprej približati druga drugi in šele po tem vstopite v interakcijo.
To povzroča razliko v hitrosti procesa zgorevanja.
Skupni čas gorenja t g, sestoji iz trajanja fizič
nebo in kemični procesi:
t g = t f + t x.
Kinetični režim zgorevanja za katero je značilno trajanje samo kemičnih procesov, tj. t g » t x, ker v tem primeru fizikalni procesi priprava (mešanje) ni potrebna, tj. t f » 0 .
Difuzijski način zgorevanja, Nasprotno, odvisno predvsem od
hitrost priprave homogene gorljive mešanice (grobo rečeno, konvergenca molekul), V tem primeru t f >> t x, zato je slednje mogoče zanemariti, tj. njeno trajanje je določeno predvsem s hitrostjo fizičnih procesov.
Če t f » t x, tj. so sorazmerni, potem zgorevanje poteka tako
imenujemo vmesna regija.
Na primer, predstavljajte si dva plinska gorilnika (slika 1.1): v enem od njih so luknje v šobi za dostop zraka (a), v drugem pa niso (b). V prvem primeru se zrak vsesa z vbrizgavanjem v šobo, kjer se pomeša z gorljivim plinom in tako nastane homogena gorljiva zmes, ki na izstopu iz šobe gori v kinetični način . V drugem primeru (b) se zrak med zgorevanjem zaradi difuzije pomeša z gorljivim plinom, v tem primeru - difuzijsko zgorevanje .
riž. 1.1Primer kinetičnega (a) in difuzijskega (b) gorenja
Drug primer: v prostoru pride do uhajanja plina. Plin se postopoma meša z zrakom in tvori homogeno gorljivo zmes. In če se po tem pojavi vir vžiga, pride do eksplozije. To je zgorevanje v kinetičnem režimu.
Podobno je pri gorenju tekočin, kot je bencin. Če ga vlijemo v odprto posodo in zažgemo, pride do difuzijskega gorenja. Če to posodo postavite v zaprt prostor in počakate nekaj časa, bo bencin delno izhlapel, se pomešal z zrakom in tako nastal homogena gorljiva zmes. Ko se vnese vir vžiga, bo, kot veste, prišlo do eksplozije, to je kinetično zgorevanje.
Kakšen je način zgorevanja v resničnem požaru? Seveda predvsem v difuziji. V nekaterih primerih lahko požar nastane tudi s kinetičnim gorenjem, kot v navedenih primerih, vendar se bo po izgorevanju homogene zmesi, ki nastane zelo hitro, gorenje nadaljevalo v difuzijskem načinu.
Pri difuzijskem gorenju, v primeru pomanjkanja atmosferskega kisika, na primer pri požarih v zaprtih prostorih, je možno nepopolno zgorevanje goriva s tvorbo produktov nepopolnega zgorevanja, kot je CO - ogljikov monoksid. Vsi produkti nepopolnega zgorevanja so zelo strupeni in predstavljajo veliko požarno nevarnost. V večini primerov so prav oni odgovorni za smrt ljudi.
Torej so glavne vrste zgorevanja homogene in heterogene. Vizualna razlika med tema načinoma je prisotnost plamena.
Homogeno zgorevanje lahko poteka na dva načina: difuzijsko in kinetično. Vizualno je njihova razlika v hitrosti gorenja.
Treba je opozoriti, da se razlikuje še ena vrsta zgorevanja - zgorevanje eksplozivov. Eksplozivi vključujejo gorivo in oksidant v trdni fazi. Ker sta tako gorivo kot oksidant v istem agregatnem stanju, je tako zgorevanje homogeno.
Pri resničnih požarih pride predvsem do plamenskega gorenja. Plamen je, kot je znano, izoliran kot eden od nevarnih dejavnikov požara. Kaj je plamen in kakšni procesi potekajo v njem?
Na podlagi obravnavanih primerov je odvisno od agregatnega stanja mešanice goriva in oksidanta, tj. glede na število faz v mešanici ločijo:
1. Homogeno zgorevanje plini in hlapi gorljivih snovi v okolju plinastega oksidanta. Tako reakcija zgorevanja poteka v sistemu, sestavljenem iz ene faze (agregatnega stanja).
2. Heterogeno zgorevanje trdne gorljive snovi v plinastem okolju oksidanta. V tem primeru reakcija poteka na meji, medtem ko homogena reakcija poteka po celotnem volumnu.
To je izgorevanje kovin, grafita, tj. praktično nehlapnih materialov. Številne plinske reakcije so homogeno-heterogene narave, ko je možnost nastanka homogene reakcije posledica izvora istočasno heterogene reakcije.
V plinski fazi poteka zgorevanje vseh tekočih in številnih trdnih snovi, iz katerih se sproščajo hlapi ali plini (hlapne snovi). Trdna in tekoča faza igrata vlogo rezervoarja za produkte reakcije.
Na primer, heterogena reakcija spontanega zgorevanja premoga preide v homogeno fazo zgorevanja hlapnih snovi. Ostanki koksa gori heterogeno.
4.3. Difuzijsko in kinetično zgorevanje.
Glede na stopnjo priprave gorljive mešanice ločimo difuzijsko in kinetično zgorevanje.
Upoštevane vrste zgorevanja (razen za eksplozive) so difuzijsko zgorevanje. Plamen, tj. območje zgorevanja mešanice goriva z zrakom, da se zagotovi stabilnost, mora biti nenehno napajano z gorivom in kisikom v zraku. Pretok gorljivega plina je odvisen samo od hitrosti njegovega dovajanja v območje zgorevanja. Hitrost vstopa gorljive tekočine je odvisna od intenzivnosti njenega izhlapevanja, tj. na parni tlak nad površino tekočine in posledično na temperaturo tekočine. Temperatura vžiga imenovana najnižja temperatura tekočine, pri kateri plamen nad njeno površino ne ugasne.
Zgorevanje trdnih snovi se od zgorevanja plinov razlikuje po prisotnosti stopnje razgradnje in uplinjanja, ki ji sledi vžig hlapnih produktov pirolize.
Piroliza- to je segrevanje organskih snovi na visoke temperature brez dostopa zraka. V tem primeru pride do razgradnje ali cepitve kompleksnih spojin na enostavnejše (koksanje premoga, krekiranje nafte, suha destilacija lesa). Zato zgorevanje trdne gorljive snovi v produkt zgorevanja ni koncentrirano le v območju plamena, ampak ima večstopenjski značaj.
Segrevanje trdne faze povzroči razgradnjo in nastajanje plinov, ki se vnamejo in gorijo. Toplota iz bakle segreje trdno fazo, povzroči njeno uplinjanje in proces se ponavlja ter tako podpira gorenje.
Model zgorevanja trdne snovi predvideva prisotnost naslednjih faz (slika 17):
riž. 17. Model zgorevanja
trdna.
segrevanje trdne faze. Pri talilnih snoveh pride do taljenja v tem območju. Debelina cone je odvisna od temperature prevodnosti snovi;
piroliza ali reakcijsko območje v trdni fazi, v katerem nastajajo plinaste gorljive snovi;
predplamen v plinski fazi, v katerem nastane zmes z oksidantom;
plamen ali reakcijsko območje v plinski fazi, v katerem poteka pretvorba produktov pirolize v plinaste produkte zgorevanja;
produkti zgorevanja.
Hitrost dovoda kisika v območje zgorevanja je odvisna od njegove difuzije skozi produkt zgorevanja.
Na splošno, ker je hitrost kemijske reakcije v območju zgorevanja pri obravnavanih vrstah zgorevanja odvisna od hitrosti prihoda reagirajočih komponent in površine plamena z molekularno ali kinetično difuzijo, se ta vrsta zgorevanja imenuje difuzijo.
Struktura plamena difuzijskega zgorevanja je sestavljena iz treh con (slika 18):
Cona 1 vsebuje pline ali hlape. V tem območju ni izgorevanja. Temperatura ne preseže 500 0 C. Pride do razgradnje, pirolize hlapnih snovi in segrevanja do temperature samovžiga.
riž. 18. Zgradba plamena.
V coni 2 nastane mešanica hlapov (plinov) z atmosferskim kisikom in pride do nepopolnega zgorevanja do CO z delno redukcijo na ogljik (malo kisika):
C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;
V 3. zunanji coni so izdelki druge cone popolnoma zgoreli in opazimo najvišjo temperaturo plamena:
2CO+O 2 \u003d 2CO 2;
Višina plamena je sorazmerna z difuzijskim koeficientom in pretokom plinov ter obratno sorazmerna z gostoto plina.
Vse vrste difuzijskega zgorevanja so značilne za požare.
Kinetična zgorevanje je zgorevanje predhodno mešanih gorljivih plinov, hlapov ali prahu z oksidacijskim sredstvom. V tem primeru je hitrost gorenja odvisna samo od fizikalno-kemijskih lastnosti gorljive zmesi (toplotna prevodnost, toplotna kapaciteta, turbulenca, koncentracija snovi, tlak itd.). Zato se hitrost gorenja močno poveča. Ta vrsta zgorevanja je neločljivo povezana z eksplozijami.
AT 
V tem primeru, ko se gorljiva zmes na neki točki vžge, se fronta plamena premakne od produktov izgorevanja v svežo zmes. Tako je plamen pri kinetičnem gorenju največkrat nestalen (slika 19).
riž. 19. Shema širjenja plamena v gorljivi mešanici: - vir vžiga; - smer gibanja fronte plamena.
Čeprav se vnetljivi plin pomeša z zrakom in dovaja v gorilnik, potem med vžigom nastane stacionarni plamen, pod pogojem, da je hitrost dovajanja mešanice enaka hitrosti širjenja plamena.
Če se količina plina poveča, se plamen odtrga od gorilnika in lahko ugasne. In če se hitrost zmanjša, se bo plamen potegnil v notranjost gorilnika z možno eksplozijo.
Glede na stopnjo zgorevanja, tj. popolnost reakcije zgorevanja do končnih produktov, pride do zgorevanja popolne in nepopolne.
Torej je v coni 2 (slika 18) zgorevanje nepopolno, ker dovaja se premalo kisika, ki se delno porabi v coni 3 in nastajajo vmesni produkti. Slednji izgorevajo v coni 3, kjer je več kisika, do popolnega zgorevanja. Prisotnost saj v dimu kaže na nepopolno zgorevanje.
Drug primer: v odsotnosti kisika ogljik zgori ogljikov monoksid:
Če dodate O, gre reakcija do konca:
2CO + O 2 \u003d 2CO 2.
Hitrost gorenja je odvisna od narave gibanja plinov. Zato ločimo laminarno in turbulentno zgorevanje.
Torej, primer laminarnega zgorevanja je plamen sveče v mirujočem zraku. pri laminarno zgorevanje plasti plinov tečejo vzporedno, vendar brez vrtinčenja.
Turbulentno zgorevanje- vrtinčno gibanje plinov, pri katerem se goreči plini intenzivno mešajo, fronta plamena pa se izpira. Meja med temi vrstami je Reynoldsov kriterij, ki označuje razmerje med silami vztrajnosti in silami trenja v toku:
,
(4.1)
kje: - pretok plina;
- kinetična viskoznost;
l- značilna linearna velikost.
Reynoldsovo število, pri katerem pride do prehoda laminarne mejne plasti v turbulentno, se imenuje kritično Re cr, Re cr ~ 2320.
Turbulenca poveča hitrost zgorevanja zaradi intenzivnejšega prenosa toplote iz produktov zgorevanja na svežo zmes.
Navedeno v prejšnjem razdelku fizikalni pojavi opazimo v najrazličnejših procesih, ki se razlikujejo tako po naravi kemijskih reakcij kot po agregacijskem stanju snovi, ki sodelujejo pri gorenju.
Obstajajo homogeno, heterogeno in difuzijsko zgorevanje.
Homogeno zgorevanje vključuje predhodno mešane pline. Številni primeri homogenega zgorevanja so procesi zgorevanja plinov ali hlapov, pri katerih je oksidant atmosferski kisik: zgorevanje zmesi vodika, zmesi ogljikovega monoksida in ogljikovodikov z zrakom. V praktično pomembnih primerih pogoj popolnega predhodnega mešanja ni vedno izpolnjen. Zato so vedno možne kombinacije homogenega zgorevanja z drugimi vrstami zgorevanja.
Homogeno zgorevanje se lahko izvaja v dveh režimih: laminarnem in turbulentnem. Turbulenca pospeši proces zgorevanja zaradi razdrobljenosti fronte plamena na ločene fragmente in s tem povečanja kontaktne površine reaktantov v primeru velike turbulence ali pospeševanja procesov prenosa toplote in mase v plamenu spredaj v primeru turbulence majhnega obsega. Za turbulentno zgorevanje je značilna samopodobnost: turbulentni vrtinci povečajo hitrost zgorevanja, kar povzroči povečanje turbulence.
Vsi parametri homogenega zgorevanja se kažejo tudi v procesu, pri katerem oksidant ni kisik, temveč drugi plini. Na primer fluor, klor ali brom.
Med požari so najpogostejši procesi difuzijskega zgorevanja. V njih so vsi reaktanti v plinski fazi, vendar niso predhodno pomešani. Pri zgorevanju trdnih tekočin poteka proces oksidacije goriva v plinski fazi sočasno s procesom izhlapevanja tekočine (ali razgradnje trdnega materiala) in s procesom mešanja.
Najenostavnejši primer difuzijskega zgorevanja je zgorevanje zemeljski plin v plinski gorilnik. Pri požarih se uresničuje način turbulentnega difuzijskega gorenja, ko je hitrost gorenja določena s hitrostjo turbulentnega mešanja.
Razlikujemo med makromešanjem in mikromešanjem. Proces turbulentnega mešanja vključuje zaporedno drobljenje plina: na vedno manjše prostornine in njihovo medsebojno mešanje. Na zadnji stopnji pride do končnega molekularnega mešanja z molekularno difuzijo, katere stopnja narašča, ko se stopnja fragmentacije zmanjšuje. Po končanem makromešanju je hitrost gorenja določena s procesi mikromešanja v majhnih količinah goriva in zraka.
Na vmesniku pride do heterogenega zgorevanja. V tem primeru je ena od reagirajočih snovi v kondenziranem stanju, druga (običajno atmosferski kisik) vstopi zaradi difuzije plinske faze. Predpogoj za heterogeno zgorevanje je zelo visoko vrelišče (oz. razpad) kondenzirane faze. Če ta pogoj ni izpolnjen, pred zgorevanjem sledi izhlapevanje ali razgradnja. S površine tok pare ali plinastih produktov razgradnje vstopi v zgorevalno območje, zgorevanje pa se pojavi v plinski fazi. Takšno zgorevanje lahko pripišemo difuzijsko kvaziheterogenemu, vendar ne popolnoma heterogenemu, saj proces zgorevanja ne poteka več na fazni meji. Razvoj takšnega zgorevanja se izvaja zaradi toplotni tok od plamena do površine materiala, kar zagotavlja nadaljnje izhlapevanje ali razgradnjo in pretok goriva v območje zgorevanja. V takih situacijah pride do mešanega primera, ko reakcije zgorevanja delno potekajo heterogeno - na površini kondenzirane faze, delno homogeno - v prostornini mešanice plinov.
Primer heterogenega zgorevanja je zgorevanje premoga in oglja. Med zgorevanjem teh snovi potekata dve vrsti reakcij. Nekatere vrste premoga pri segrevanju oddajajo hlapne sestavine. Pred zgorevanjem takšnih premogov poteka njihova delna termična razgradnja s sproščanjem plinastih ogljikovodikov in vodika, ki zgorijo v plinski fazi. Poleg tega lahko pri zgorevanju čistega ogljika nastane ogljikov monoksid CO, ki v veliki meri zgori. Z zadostnim presežkom zraka in visoko temperaturo površine premoga se množične reakcije odvijajo tako blizu površine, da v določenem približku daje razlog, da se tak proces obravnava kot heterogen.
Primer resnično heterogenega zgorevanja je zgorevanje ognjevzdržnih nehlapnih kovin. Ti procesi so lahko zapleteni zaradi tvorbe oksidov, ki prekrijejo gorečo površino in preprečijo stik s kisikom. Z veliko razliko v fizikalno-kemijskih lastnostih med kovino in njenim oksidom se oksidni film med zgorevanjem razpoči in zagotovljen je dostop kisika do območja zgorevanja.
Tema 4. VRSTE GORENJA.
Glede na različne znake in lastnosti lahko procese zgorevanja razdelimo na naslednje vrste:
Glede na agregatno stanje gorljive snovi:
Goreči plini;
Zgorevanje tekočin in taljenje trdnih snovi;
Zgorevanje neporabljivih trdnih prahu podobnih in kompaktnih snovi.
Glede na fazno sestavo komponent:
homogeno zgorevanje;
heterogeno zgorevanje;
Goreče eksplozive.
Glede na pripravljenost gorljive mešanice:
Difuzijsko zgorevanje (požar);
Kinetično zgorevanje (eksplozija).
Glede na dinamiko fronte plamena:
Stacionarni;
Nestacionarni.
Glede na naravo gibanja plinov:
laminarno;
Turbulentno.
Glede na stopnjo zgorevanja gorljive snovi:
Nepopolna.
Glede na hitrost širjenja plamena:
Normalno;
deflagracija;
Detonacija.
Oglejmo si te vrste pobližje.
4.1. Gorenje plinastih, tekočih in trdnih snovi.
Glede na agregatno stanje gorljive snovi ločimo zgorevanje plinov, tekočin, prašnih in kompaktnih trdnih snovi.
Po GOST 12.1.044-89:
1. Plini so snovi, katerih kritična temperatura je nižja od 50 ° C. T cr je najnižja temperatura segrevanja 1 mola snovi v zaprti posodi, pri kateri se popolnoma spremeni v paro (glej odstavek 2.3).
2. Tekočine so snovi s tališčem (kapališčem) pod 50 °C (glej § 2.5).
3. Trdne snovi so snovi s tališčem (padcem) nad 50 0 С.
4. Prah so trdni delci z velikostjo delcev manj kot 0,85 mm.
Območje, v katerem poteka kemična reakcija v gorljivi mešanici, tj. zgorevanje imenujemo fronta plamena.
Razmislite o procesih zgorevanja v zraku na primerih.
Zgorevanje plinov v plinskem gorilniku. Obstajajo 3 območja plamena (slika 12.):
riž. 12. Shema zgorevanja plina: 1 - prozoren stožec - to je začetni plin, segret (do temperature samovžiga); 2 – svetlobno območje fronte plamena; 3 - produkti zgorevanja (so skoraj nevidni med popolnim zgorevanjem plinov in zlasti med zgorevanjem vodika, ko saje ne nastajajo).
Širina fronte plamena v plinskih mešanicah je desetine delcev milimetra.
Zgorevanje tekočin v odprti posodi. Pri gorenju v odprti posodi obstajajo 4 cone (slika 13):
riž. 13. Gorenje tekočine: 1 - tekočina; 2 - tekoča para (temna območja); 3 - plamen sprednji del; 4 - produkti zgorevanja (dim).
Širina fronte plamena je v tem primeru večja; reakcija poteka počasneje.
Zgorevanje talilnih trdnih snovi. Razmislite o zažiganju sveče. V tem primeru opazimo 6 con (slika 14):
riž. 14. Gorenje sveče: 1 - trdi vosek; 2 - staljeni (tekoči) vosek; 3 – temna prozorna parna plast; 4 - plamenska sprednja stran; 5 - produkti zgorevanja (dim); 6 - stenj.
Goreči stenj služi za stabilizacijo gorenja. Tekočina se vpije vanj, se dviga po njem, izhlapi in zgori. Širina fronte plamena se poveča, kar poveča območje svetilnosti, saj se uporabljajo bolj zapleteni ogljikovodiki, ki se z izhlapevanjem razgradijo in nato reagirajo.
Zgorevanje neporabljenih trdnih snovi. To vrsto zgorevanja bomo obravnavali na primeru gorenja vžigalice in cigarete (sl. 15 in 16).
Tukaj je tudi 5 parcel:
riž. 15. Kurjenje vžigalice: 1 - svež les; 2 - zoglenel les; 3 - plini (uplinjene ali izparele hlapne snovi) - to je temno prozorno območje; 4 - plamenska sprednja stran; 5 - produkti zgorevanja (dim).
Vidi se, da je ožgano območje vžigalice veliko tanjše in črne barve. To pomeni, da je del vžigalice zoglenel, tj. nehlapni del je ostal, hlapni pa je izhlapel in zgorel. Hitrost gorenja premoga je veliko počasnejša kot pri plinih, zato nima časa, da popolnoma izgori.
Slika 16. Gorenje cigaret: 1 - začetna mešanica tobaka; 2 - območje tlenja brez fronte plamena; 3 - dim, tj. produkt zgorelih delcev; 4 - dim, vlečen v pljuča, ki je večinoma uplinjen produkt; 5 - smola kondenzirana na filtru.
Brezplamensko termično-oksidativno razgradnjo snovi imenujemo tlenje. Pojavi se pri nezadostni difuziji kisika v območje zgorevanja in se lahko pojavi že pri zelo majhni količini (1-2%). Dim je moder, ne črn. To pomeni, da vsebuje več uplinjenih in ne zgorelih snovi.
Površina pepela je skoraj bela. To pomeni, da ob zadostni oskrbi s kisikom pride do popolnega zgorevanja. Toda znotraj in na meji goreče plasti s svežimi je črna snov. To kaže na nepopolno zgorevanje zoglenelih delcev. Mimogrede, na filtru se kondenzirajo hlapi hlapnih smolnatih snovi.
Podobno vrsto zgorevanja opazimo pri zgorevanju koksa, tj. premog, iz katerega so odstranjene hlapne snovi (plini, smole), ali grafit.
Tako proces zgorevanja plinov, tekočin in večine trdnih snovi poteka v plinasti obliki in ga spremlja plamen. Nekatere trdne snovi, vključno s tistimi, ki so nagnjene k samovžigu, gorijo v obliki tlenja na površini in v notranjosti materiala.
Izgorevanje prašnih snovi. Zgorevanje prašne plasti poteka na enak način kot v kompaktnem stanju, le hitrost zgorevanja se poveča zaradi povečanja kontaktne površine z zrakom.
Izgorevanje prahu podobnih snovi v obliki zračnega vzmetenja (oblaka prahu) lahko poteka v obliki isker, tj. zgorevanje posameznih delcev, v primeru nizke vsebnosti hlapljivih snovi, ki niso sposobne izhlapeti v zadostno količino plinov za enotna fronta plamen.
Če nastane zadostna količina uplinjenih hlapnih snovi, pride do gorenja s plamenom.
Goreče eksplozive. Sem sodi zgorevanje razstreliva in smodnika, tako imenovanih zgoščenih snovi, v katerih sta gorivo in oksidant že kemično ali mehansko vezana. Na primer: v trinitrotoluenu (TNT) C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2, O 2 in NO 2 služijo kot oksidanti; v sestavi smodnika - žveplo, soliter, premog; kot del domačega razstreliva, aluminijev prah in amonijev nitrat, vezivo - solarno olje.
4.2. Homogeno in heterogeno zgorevanje.
Na podlagi obravnavanih primerov je odvisno od agregatnega stanja mešanice goriva in oksidanta, tj. glede na število faz v mešanici ločijo:
1. Homogeno zgorevanje plini in hlapi gorljivih snovi v okolju plinastega oksidanta. Tako reakcija zgorevanja poteka v sistemu, sestavljenem iz ene faze (agregatnega stanja).
2. Heterogeno zgorevanje trdne gorljive snovi v plinastem okolju oksidanta. V tem primeru reakcija poteka na meji, medtem ko homogena reakcija poteka po celotnem volumnu.
To je izgorevanje kovin, grafita, tj. praktično nehlapnih materialov. Številne plinske reakcije so homogeno-heterogene narave, ko je možnost nastanka homogene reakcije posledica izvora istočasno heterogene reakcije.
V plinski fazi poteka zgorevanje vseh tekočih in številnih trdnih snovi, iz katerih se sproščajo hlapi ali plini (hlapne snovi). Trdna in tekoča faza igrata vlogo rezervoarja za produkte reakcije.
Na primer, heterogena reakcija spontanega zgorevanja premoga preide v homogeno fazo zgorevanja hlapnih snovi. Ostanki koksa gori heterogeno.
4.3. Difuzijsko in kinetično zgorevanje.
Glede na stopnjo priprave gorljive mešanice ločimo difuzijsko in kinetično zgorevanje.
Upoštevane vrste zgorevanja (razen za eksplozive) so difuzijsko zgorevanje. Plamen, tj. območje zgorevanja mešanice goriva z zrakom, da se zagotovi stabilnost, mora biti nenehno napajano z gorivom in kisikom v zraku. Pretok gorljivega plina je odvisen samo od hitrosti njegovega dovajanja v območje zgorevanja. Hitrost vstopa gorljive tekočine je odvisna od intenzivnosti njenega izhlapevanja, tj. na parni tlak nad površino tekočine in posledično na temperaturo tekočine. Temperatura vžiga imenovana najnižja temperatura tekočine, pri kateri plamen nad njeno površino ne ugasne.
Zgorevanje trdnih snovi se od zgorevanja plinov razlikuje po prisotnosti stopnje razgradnje in uplinjanja, ki ji sledi vžig hlapnih produktov pirolize.
Piroliza- to je segrevanje organskih snovi na visoke temperature brez dostopa zraka. V tem primeru pride do razgradnje ali cepitve kompleksnih spojin na enostavnejše (koksanje premoga, krekiranje nafte, suha destilacija lesa). Zato zgorevanje trdne gorljive snovi v produkt zgorevanja ni koncentrirano le v območju plamena, ampak ima večstopenjski značaj.
Segrevanje trdne faze povzroči razgradnjo in nastajanje plinov, ki se vnamejo in gorijo. Toplota iz bakle segreje trdno fazo, povzroči njeno uplinjanje in proces se ponavlja ter tako podpira gorenje.
Model zgorevanja trdne snovi predvideva prisotnost naslednjih faz (slika 17):
riž. 17. Model zgorevanja
trdna.
Segrevanje trdne faze. Pri talilnih snoveh pride do taljenja v tem območju. Debelina cone je odvisna od temperature prevodnosti snovi;
Piroliza ali reakcijsko območje v trdni fazi, v katerem nastajajo plinaste gorljive snovi;
Predplamen v plinski fazi, v katerem nastane zmes z oksidantom;
Plamen ali reakcijsko območje v plinski fazi, v katerem poteka pretvorba produktov pirolize v plinaste produkte zgorevanja;
produkti zgorevanja.
Hitrost dovoda kisika v območje zgorevanja je odvisna od njegove difuzije skozi produkt zgorevanja.
Na splošno, ker je hitrost kemijske reakcije v območju zgorevanja pri obravnavanih vrstah zgorevanja odvisna od hitrosti prihoda reagirajočih komponent in površine plamena z molekularno ali kinetično difuzijo, se ta vrsta zgorevanja imenuje difuzijo.
Struktura plamena difuzijskega zgorevanja je sestavljena iz treh con (slika 18):
Cona 1 vsebuje pline ali hlape. V tem območju ni izgorevanja. Temperatura ne preseže 500 0 C. Pride do razgradnje, pirolize hlapnih snovi in segrevanja do temperature samovžiga.
riž. 18. Zgradba plamena.
V coni 2 nastane mešanica hlapov (plinov) z atmosferskim kisikom in pride do nepopolnega zgorevanja do CO z delno redukcijo na ogljik (malo kisika):
C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;
V 3. zunanji coni so izdelki druge cone popolnoma zgoreli in opazimo najvišjo temperaturo plamena:
2CO+O 2 \u003d 2CO 2;
Višina plamena je sorazmerna z difuzijskim koeficientom in pretokom plinov ter obratno sorazmerna z gostoto plina.
Vse vrste difuzijskega zgorevanja so značilne za požare.
Kinetična zgorevanje je zgorevanje predhodno mešanih gorljivih plinov, hlapov ali prahu z oksidacijskim sredstvom. V tem primeru je hitrost gorenja odvisna samo od fizikalno-kemijskih lastnosti gorljive zmesi (toplotna prevodnost, toplotna kapaciteta, turbulenca, koncentracija snovi, tlak itd.). Zato se hitrost gorenja močno poveča. Ta vrsta zgorevanja je neločljivo povezana z eksplozijami.
V tem primeru, ko se gorljiva zmes na neki točki vžge, se fronta plamena premakne od produktov izgorevanja v svežo zmes. Tako je plamen pri kinetičnem gorenju največkrat nestalen (slika 19).
riž. 19. Shema širjenja plamena v gorljivi mešanici: - vir vžiga; - smer gibanja fronte plamena.
Čeprav se vnetljivi plin pomeša z zrakom in dovaja v gorilnik, potem med vžigom nastane stacionarni plamen, pod pogojem, da je hitrost dovajanja mešanice enaka hitrosti širjenja plamena.
Če se količina plina poveča, se plamen odtrga od gorilnika in lahko ugasne. In če se hitrost zmanjša, se bo plamen potegnil v notranjost gorilnika z možno eksplozijo.
Glede na stopnjo zgorevanja, tj. popolnost reakcije zgorevanja do končnih produktov, pride do zgorevanja popolne in nepopolne.
Torej je v coni 2 (slika 18) zgorevanje nepopolno, ker dovaja se premalo kisika, ki se delno porabi v coni 3 in nastajajo vmesni produkti. Slednji izgorevajo v coni 3, kjer je več kisika, do popolnega zgorevanja. Prisotnost saj v dimu kaže na nepopolno zgorevanje.
Drug primer: ob pomanjkanju kisika ogljik zgori v ogljikov monoksid:
Če dodate O, gre reakcija do konca:
2CO + O 2 \u003d 2CO 2.
Hitrost gorenja je odvisna od narave gibanja plinov. Zato ločimo laminarno in turbulentno zgorevanje.
Torej, primer laminarnega zgorevanja je plamen sveče v mirujočem zraku. pri laminarno zgorevanje plasti plinov tečejo vzporedno, vendar brez vrtinčenja.
Turbulentno zgorevanje- vrtinčno gibanje plinov, pri katerem se goreči plini intenzivno mešajo, fronta plamena pa se izpira. Meja med temi vrstami je Reynoldsov kriterij, ki označuje razmerje med silami vztrajnosti in silami trenja v toku:
kje: u- pretok plina;
n- kinetična viskoznost;
l- značilna linearna velikost.
Reynoldsovo število, pri katerem pride do prehoda laminarne mejne plasti v turbulentno, se imenuje kritično Re cr, Re cr ~ 2320.
Turbulenca poveča hitrost zgorevanja zaradi intenzivnejšega prenosa toplote iz produktov zgorevanja na svežo zmes.
4.4. Normalno zgorevanje.
Odvisno od hitrosti širjenja plamena med kinetičnim zgorevanjem lahko pride do normalnega zgorevanja (v nekaj m / s) ali eksplozivne deflagracije (desetine m / s) ali detonacije (tisoč m / s). Te vrste zgorevanja lahko prehajajo druga v drugo.
Normalno zgorevanje- to je gorenje, pri katerem pride do širjenja plamena brez zunanjih motenj (turbulence ali spremembe tlaka plina). Odvisno je samo od narave gorljive snovi, tj. toplotni učinek, koeficienti toplotne prevodnosti in difuzije. Zato je fizikalna konstanta zmesi določene sestave. V tem primeru je hitrost gorenja običajno 0,3-3,0 m/s. Normalno zgorevanje se imenuje zato, ker je vektor hitrosti njegovega širjenja pravokoten na fronto plamena.
4.5. Deflagracijsko (eksplozivno) zgorevanje.
Normalno zgorevanje je nestabilno in se v zaprtem prostoru rado samopospeši. Razlog za to je ukrivljenost čela plamena zaradi trenja plina ob stene posode in spremembe tlaka v mešanici.
Razmislite o procesu širjenja plamena v cevi (slika 20).
riž. 20. Shema pojava eksplozivnega zgorevanja.
Prvič, na odprtem koncu cevi se plamen širi z normalno hitrostjo, ker produkti zgorevanja se prosto širijo in izstopajo. Tlak mešanice se ne spremeni. Trajanje enakomernega širjenja plamena je odvisno od premera cevi, vrste goriva in njegove koncentracije.
Ko se fronta plamena premika znotraj cevi, reakcijski produkti, ki imajo večjo prostornino v primerjavi z začetno mešanico, nimajo časa iti ven in njihov tlak se poveča. Ta tlak začne pritiskati v vse smeri, zato se pred fronto plamena začetna mešanica začne premikati v smeri širjenja plamena. Plasti, ki mejijo na stene, so upočasnjene. Plamen ima največjo hitrost v središču cevi, najmanjšo pa ob stenah (zaradi odvajanja toplote v njih). Zato se fronta plamena razširi v smeri širjenja plamena, njegova površina pa se poveča. Sorazmerno s tem se poveča količina gorljive mešanice na časovno enoto, kar povzroči povečanje tlaka, nato pa poveča hitrost gibanja plina itd. Tako prihaja do plazovitega povečanja hitrosti širjenja plamena do sto metrov na sekundo.
Proces širjenja plamena skozi gorljivo plinsko zmes, pri katerem se samopospešujoča reakcija gorenja širi zaradi segrevanja s prevajanjem toplote iz sosednje plasti reakcijskih produktov, imenujemo deflagracija. Običajno so hitrosti deflagracijskega zgorevanja podzvočne, tj. manj kot 333 m/s.
4.6. detonacijsko zgorevanje.
Če upoštevamo zgorevanje gorljive mešanice v plasteh, potem kot posledica toplotnega raztezanja prostornine produktov zgorevanja, vsakič, ko se pred fronto plamena pojavi kompresijski val. Vsak naslednji val, ki se premika skozi gostejši medij, dohiti prejšnjega in se nanj nanese. Postopoma se ti valovi združijo v en udarni val (slika 21).
riž. 21. Shema nastajanja detonacijskega vala: R o< Р 1 < Р 2 < Р 3 < Р 4 < Р 5 < Р 6 < Р 7 ; 1-7 – нарастание давления в слоях с 1-го по 7-ой.
V udarnem valu se zaradi adiabatne kompresije gostota plinov takoj poveča in temperatura se dvigne do T 0 samovžiga. Zaradi tega se gorljiva mešanica vžge z udarnim valom in detonacija- širjenje izgorevanja z vžigom z udarnim valom. Detonacijski val ne ugasne, ker poganjajo udarni valovi iz plamena, ki se premika za njim.
Značilnost detonacije je, da se pojavi pri nadzvočni hitrosti 1000-9000 m/s, ki je določena za vsako sestavo zmesi, zato je fizikalna konstanta zmesi. Odvisna je samo od kurilne vrednosti gorljive mešanice in toplotne kapacitete produktov zgorevanja.
Srečanje udarnega vala z oviro povzroči nastanek odbitega udarnega vala in še večji pritisk.
Detonacija je najnevarnejša oblika širjenja plamena, saj. ima največjo moč eksplozije (N=A/t) in ogromno hitrost. V praksi lahko detonacijo »nevtraliziramo« le v preddetonacijskem delu, tj. na razdalji od mesta vžiga do mesta detonacijskega zgorevanja. Pri plinih je dolžina tega odseka od 1 do 10 m.
Fizikalne pojave, navedene v prejšnjem razdelku, opazimo v najrazličnejših procesih, ki se razlikujejo tako po naravi kemijskih reakcij kot po agregatnem stanju snovi, ki sodelujejo pri gorenju.
Obstajajo homogeno, heterogeno in difuzijsko zgorevanje.
Poglavje 1 koncepti teorije zgorevanja
Homogeno zgorevanje vključuje predhodno mešane pline*. Številni primeri homogenega zgorevanja so procesi zgorevanja plinov ali hlapov, pri katerih je oksidant atmosferski kisik: zgorevanje zmesi vodika, zmesi ogljikovega monoksida in ogljikovodikov z zrakom. V praktično pomembnih primerih pogoj popolnega predhodnega mešanja ni vedno izpolnjen. Zato so vedno možne kombinacije homogenega zgorevanja z drugimi vrstami zgorevanja.
Homogeno zgorevanje se lahko izvaja v dveh načinih: laminarno in turbulentno. Turbulenca pospeši proces zgorevanja zaradi razdrobljenosti fronte plamena na ločene fragmente in s tem povečanja kontaktne površine reaktantov v primeru obsežne turbulence ali pospeševanja procesov prenosa toplote in mase v fronta plamena v primeru turbulence majhnega obsega. Za turbulentno zgorevanje je značilna samopodobnost: turbulentni vrtinci povečajo hitrost zgorevanja, kar povzroči povečanje turbulence.
Vsi parametri homogenega zgorevanja se kažejo tudi v procesih, pri katerih oksidant ni kisik, temveč drugi plini. Na primer fluor, klor ali brom.
Med požari so najpogostejši procesi difuzijskega zgorevanja. V njih so vsi reaktanti v plinski fazi, vendar niso predhodno pomešani. Pri zgorevanju tekočin in trdnih snovi poteka proces oksidacije goriva v plinski fazi sočasno s procesom izhlapevanja tekočine (ali razgradnje trdnega materiala) in s procesom mešanja.
Najenostavnejši primer difuzijskega zgorevanja je zgorevanje zemeljskega plina v plinskem gorilniku. Pri požarih se uresničuje način turbulentnega difuzijskega gorenja, ko je hitrost gorenja določena s hitrostjo turbulentnega mešanja.
Razlikujemo med makromešanjem in mikromešanjem. Proces turbulentnega mešanja vključuje zaporedno drobljenje plina v vedno manjše prostornine in njihovo medsebojno mešanje. Na zadnji stopnji pride do končnega molekularnega mešanja z molekularno difuzijo, katere stopnja narašča, ko se stopnja fragmentacije zmanjšuje. Po zaključku makro mešanja
* Takšno izgorevanje pogosto imenujemo kinetično.
Korolčenko IN JAZ. procesi gorenja in eksplozije
Hitrost gorenja določajo procesi mikromešanja v majhnih količinah goriva in zraka.
Na vmesniku pride do heterogenega zgorevanja. V tem primeru je ena od reagirajočih snovi v kondenziranem stanju, druga (običajno atmosferski kisik) vstopi zaradi difuzije plinske faze. Predpogoj za heterogeno zgorevanje je zelo visoko vrelišče (oz. razpad) kondenzirane faze. Če ta pogoj ni izpolnjen, pred zgorevanjem sledi izhlapevanje ali razgradnja. S površine tok pare ali plinastih produktov razgradnje vstopi v zgorevalno območje, zgorevanje pa se pojavi v plinski fazi. Takšno zgorevanje lahko pripišemo difuzijsko kvaziheterogenemu, vendar ne popolnoma heterogenemu, saj proces zgorevanja ne poteka več na fazni meji. Razvoj takega zgorevanja poteka zaradi toplotnega toka od plamena do površine materiala, kar zagotavlja nadaljnje izhlapevanje ali razgradnjo in pretok goriva v območje zgorevanja. V takih situacijah pride do mešanega primera, ko reakcije zgorevanja delno potekajo heterogeno - na površini kondenzirane faze, delno homogeno - v prostornini mešanice plinov.
Primer heterogenega zgorevanja je zgorevanje premoga in oglja. Med zgorevanjem teh snovi potekata dve vrsti reakcij. Nekatere vrste premoga pri segrevanju oddajajo hlapne sestavine. Pred zgorevanjem takšnih premogov poteka njihova delna termična razgradnja s sproščanjem plinastih ogljikovodikov in vodika, ki zgorijo v plinski fazi. Poleg tega lahko pri zgorevanju čistega ogljika nastane ogljikov monoksid CO, ki v veliki meri zgori. Z zadostnim presežkom zraka in visoko temperaturo površine premoga se množične reakcije odvijajo tako blizu površine, da v določenem približku daje razlog, da se tak proces obravnava kot heterogen.
Primer resnično heterogenega zgorevanja je zgorevanje ognjevzdržnih nehlapnih kovin. Ti procesi so lahko zapleteni zaradi tvorbe oksidov, ki prekrijejo gorečo površino in preprečijo stik s kisikom. Z veliko razliko v fizikalno-kemijskih lastnostih med kovino in njenim oksidom se oksidni film med zgorevanjem razpoči in zagotovljen je dostop kisika do območja zgorevanja.
Poglavje 1. Osnovni koncepti teorije zgorevanja
