Теория гетерогенного горения. Диффузионное и кинетическое горение Горение каких горючих смесей называют гетерогенным

Гомогенное и гетерогенное горение.

Исходя из рассмотренных примеров, в зависимости от агрегатного со-стояния смеси горючего и окислителя, т.е. от количества фаз в смеси, разли-чают:

1. Гомогенное горение газов и паров горючих веществ в среде газооб-разного окислителя. Таким образом, реакция горения протекает в системе, состоящей из одной фазы (агрегатного состояния).

2. Гетерогенное горение твердых горючих веществ в среде газообраз-ного окислителя. В этом случае реакция протекает на поверхности раздела фаз, в то время как гомогенная реакция идет во всем объеме.

Это горение металлов, графита, т.е. практически нелетучих материалов. Многие газовые реакции имеют гомогенно-гетерогенную природу, когда возможность протекания гомогенной реакции обусловлена происхождением одновременно гетерогенной реакции.

Горение всех жидких и многих твердых веществ, из которых выделяя-ются пары или газы (летучие вещества) протекает в газовой фазе. Твердая и жидкая фазы играют роль резервуаров реагирующих продуктов.

Например, гетерогенная реакция самовозгорания угля переходит в го-могенную фазу горения летучих веществ. Коксовый остаток горит гетероген-но.

По степени подготовки горючей смеси различают диффузионное и ки-нетическое горение.

Рассмотренные виды горения (кроме взрывчатки) относятся к диффу-зионному горению. Пламя, т.е. зона горения смеси горючего с воздухом, для обеспечения устойчивости должна постоянно подпитываться горючим и ки-слородом воздуха. Поступление горючего газа зависит только от скорости его подачи в зону горения. Скорость поступления горючей жидкости зависит от интенсивности ее испарения, т.е. от давления паров над поверхностью жидкости, а, следовательно, от температуры жидкости. Температурой вос-пламенения называется наименьшая температура жидкости, при которой пламя над ее поверхностью не погаснет.

Горение твердых веществ отличается от горения газов наличием стадии разложения и газификации с последующим воспламенением летучих продук-тов пиролиза.

Пиролиз – это нагрев органических веществ до высоких температур без доступа воздуха. При этом происходит разложение, или расщепление, сложных соединений на более простые (коксование угля, крекинг нефти, су-хая перегонка дерева). Поэтому сгорание твердого горючего вещества в про-дукт горения не сосредоточено только в зоне пламени, а имеет многостадий-ный характер.

Нагрев твердой фазы вызывает разложение и выделение газов, которые воспламеняются и сгорают. Тепло от факела нагревает твердую фазу, вызы-вая ее газификацию и процесс повторяется, таким образом поддерживая го-рение.

Модель горения твердого вещества предполагает наличие следующих фаз (рис. 17):

Рис. 17. Модель горения

твердого вещества.

Прогрева твердой фазы. У плавящихся веществ в этой зоне происхо-дит плавление. Толщина зоны зависит от температуры проводности вещест-ва;

Пиролиза, или реакционной зоны в твердой фазе, в которой образу-ются газообразные горючие вещества;

Предпламенной в газовой фазе, в которой образуется смесь с окисли-телем;

Пламени, или реакционной зоны в газовой фазе, в которой превраще-ние продуктов пиролиза в газообразные продукты горения;

Продуктов горения.

Скорость подачи кислорода в зону горения зависит от его диффузии через продукт горения.

В общем, поскольку скорость химической реакции в зоне горения в рассматриваемых видах горения зависти от скорости поступления реаги-рующих компонентов и поверхности пламени путем молекулярной или кине-тической диффузии, этот вид горения и называют диффузионным .

Структура пламени диффузионного горения состоит из трех зон (рис.18):

В 1 зоне находятся газы или пары. Горение в этой зоне не происходит. Температура не превышает 500 0 С. Происходит разложение, пиролиз летучих и нагрев до температуры самовоспламенения.

Рис. 18. Структура пламени.

Во 2 зоне образуется смесь паров (газов) с кислородом воздуха и про-исходит неполное сгорание до СО с частичным восстановлением до углерода (мало кислорода):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + Н 2 О;

В 3 внешней зоне происходит полное сгорание продуктов второй зоны и наблюдается максимальная температура пламени:

2CO+O 2 =2CO 2 ;

Высота пламени пропорциональна коэффициенту диффузии и скорости потока газов и обратно пропорциональна плотности газа.

Все виды диффузионного горения присущи пожарам.

Кинетическим горением называется горение заранее

перемешанных горючего газа, пара или пыли с окислителем. В этом случае скорость горения зависит только от физико-химических свойств горючей смеси (теплопроводности, теплоемкости, турбулентности, концентрации веществ, давления и т.п.). Поэтому скорость горения резко возрастает. Такой вид горения присущ взрывам.

В данном случае при поджигании горючей смеси в какой-либо точке фронт пламени движется от продуктов сгорания в свежую смесь. Таким об-разом, пламя при кинетическом горении чаще всего нестационарно (рис. 19).

Рис. 19. Схема распространения пламени в горючей смеси: - источник зажигания; - направления движе-ния фронта пламени.

Хотя, если предварительно перемешать горючий газ с воздухом и подать в горелку, то при поджигании образуется стационарное пламя, при условии, что скорость подачи смеси будет равна скорости распространения пламени.

Если скорость подачи газов увеличить, то пламя отрывается от горелки и может погаснуть. А если скорость уменьшить, то пламя втянется во внутрь горелки с возможным взрывом.

По степени сгорания , т.е. полноты протекания реакции горения до ко-нечных продуктов, горение бывает полным и неполным .

Так в зоне 2 (рис.18) горение неполное, т.к. недостаточно поступает ки-слород, который частично расходуется в 3 зоне, и образуются промежуточ-ные продукты. Последние догорают в 3 зоне, где кислорода больше, до пол-ного сгорания. Наличие сажи в дыму говорит о неполном горении.

Другой пример: при недостатке кислорода углерод сгорает до угарного газа:

Если добавить O, то реакция идет до конца:

2СО+O 2 =2СО 2 .

Скорость горения зависит от характера движения газов. Поэтому раз-личают ламинарное и турбулентное горение.

Так, примером ламинарного горения может служить пламя свечи в не-подвижном воздухе. При ламинарном горении слои газов текут параллель-но, не завихряясь.

Турбулентное горение – вихревое движение газов, при котором интен-сивно перемешиваются сгорающие газы, и фронт пламени размывается. Гра-ницей между этими видами служит критерий Рейнольдса, который характе-ризует соотношение между силами инерции и силами трения в потоке:

где: u - скорость газового потока;

n - кинетическая вязкость;

l – характерный линейный размер.

Число Рейнольдса, при котором происходит переход ламинарного по-граничного слоя в турбулентный называется критическим Re кр, Re кр ~ 2320.

Турбулентность увеличивает скорость горения из-за более интенсивной передачи тепла от продуктов горения в свежую смесь.

горение кислородный взрыв

К гомогенному относится горение предварительно перемешанных газов. Многочисленными примерами гомогенного горения являются процессы сгорания газов или паров, в которых окислителем является кислород воздуха: горение смесей водорода, смесей оксида углерода и углеводородов с воздухом. В практически важных случаях не всегда выполняется условие полного предварительного перемешивания. Поэтому всегда возможны комбинации гомогенного с другими видами горения.

Гомогенное горение может быть реализовано в двух режимах: ламинарном и турбулентном. Турбулентность ускоряет процесс горения за счет дробления фронта пламени на отдельные фрагменты и соответственно увеличения площади контакта реагирующих веществ при крупномасштабной турбулентности или ускорения процессов те-пломассопереноса во фронте пламени при мелкомасштабной. Турбулентному горению присуща автомодельность: турбулентные вихри увеличивают скорость горения, что приводит к увеличению турбулентности.

Все параметры гомогенного горения проявляются и в процессах, в которых окислителем выступает не кислород, а другие газы. Например, фтор, хлор или бром.

Гетерогенное горение происходит на поверхности раздела фаз. При этом одно из реагирующих веществ находится в конденсированном состоянии, другое (обычно кислород воздуха) поступает за счет диффузии газовой фазы. Обязательным условием гетерогенного горения является очень высокая температура кипения (или разложения) конденсированной фазы. При несоблюдении этого условия горению предшествует испарение или разложение. От поверхности в зону горения поступает поток пара или газообразных продуктов разложения, и горение происходит в газовой фазе. Такое горение можно отнести к диффузионным квазигетерогенным, но не полностью гетерогенным, поскольку процесс горения происходит уже не на границе фаз. Развитие такого горения осуществляется за счет теплового потока от факела пламени к поверхности материала, который обеспечивает дальнейшее испарение или разложение и поступление горючего в зону горения. В подобных ситуациях возникает смешанный случай, когда реакции горения частично протекают гетеро-генно - на поверхности конденсированной фазы, частично гомогенно - в объеме газовой смеси.

Примером гетерогенного горения является горение каменного и древесного угля. При сгорании этих веществ протекают реакции двоякого рода. Некоторые сорта каменного угля выделяют при нагревании летучие компоненты. Сгоранию таких углей предшествует их частичное термическое разложение с выделением газообразных углеводородов и водорода, сгорающих в газовой фазе. Кроме того, при сгорании чистого углерода может образовываться оксид углерода СО, догорающий в объеме. При достаточном избытке воздуха и высокой температуре поверхности угля объемные реакции протекают настолько близко от поверхности, что в определенном приближении дает основание считать такой процесс гетерогенным.

Примером действительно гетерогенного горения является горение тугоплавких нелетучих металлов. Эти процессы могут осложняться образованием окислов, покрывающих горящую поверхность и препятствующих контакту с кислородом. При большой разнице в физико-химических свойствах между металлом и его окислом в процессе горения окисная пленка растрескивается, и доступ кислорода в зону горения обеспечивается.

Горючая среда

Окислители

Окислители – это вещества, атомы которых в химических превращениях принимают электроны. Среди простых веществ к ним относятся все галогены и кислород.

Наиболее распространенным в природе окислителем является кислород воздуха.

На реальных пожарах, горение в основном протекает в воздухе, однако во многих технологических процессах используется воздух, обогащенный кислородом, и даже чистый кислород (например металлургические производства, газовая сварка, резка и т.д.). С атмосферой, обогащенной кислородом можно встретиться в подводных и космических аппаратах, доменных процессах и т.п. Такие горючие системы имеют повышенную пожарную опасность. Это необходимо учитывать при разработке систем пожаротушения, пожарно-профилактических мероприятий и при пожарно-технической экспертизе пожаров.

Помимо кислорода воздуха и галогенов, окислителями в реакциях горения могут выступать и сложные вещества, например, соли кислородсодержащих кислот – нитраты, хлораты и т.п., применяемые в производстве порохов, боевых и промышленных взрывчатых веществ и различных пиротехнических составов.

Смесь горючего и окислителя в одинаковом агрегатном состоянии в определенных пропорциях и способную гореть (а горение возможно только при определенных их соотношениях), называют горючей средой.

Выделяют два вида горючих сред: однородную и неоднородную .

Однородной горючей средой называется предварительно перемешанная смесь горючего с окислителем, а, соответственно неоднородная горючая среда – когда горючее и окислитель не перемешаны.

Влияние на процесс горения большого числа факторов обусловливает многообразие видов и режимов горения. Так, в зависимости от агрегатного состояния компонентов горючей смеси горение может быть гомогенным и гетерогенным, от условий смешения компонентов – горением предварительно приготовленной смеси (кинетическое) и диффузионным, от газодинамических условий – ламинарным и турбулентным, и т.д.

Основными видами горения являются гомогенное и гетерогенное.

Гомогенное горение - это процесс взаимодействия горючего и
окислителя, находящихся в одинаковом агрегатном состоянии. Наиболее
широко распространено гомогенное горение газов и паров в воздухе.

Гетерогенное горение - это горение твердых горючих матери-
алов непосредственно на их поверхности. Характерной особенностью
гетерогенного горения является отсутствие пламени. Примерами его
являются горение антрацита, кокса, древесного угля, нелетучих металлов.
Беспламенное горение в ряде случаев называют тлением.

Как видно из определений, принципиальным отличием гомогенного горения от гетерогенного, является то, что в первом случае горючее и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии, во втором – в разных.

При этом необходимо отметить, далеко не всегда горение твердых веществ и материалов является гетерогенным. Это объясняется механизмом горения твердых веществ.

Так, например, горение древесины в воздухе. Для того, чтобы зажечь ее, необходимо поднести какой-либо источник тепла, например пламя от спички или зажигалки, и подождать некоторое время. Возникает вопрос: почему она загорается не сразу? Это объясняется тем, что в начальный период, источник зажигания должен нагреть древесину до определенной температуры, при которой начинается процесс пиролиза, или иными словами термическое разложение. При этом, в результате разложения целлюлозы и других составляющих, начинают выделяться продукты их разложения – горючие газы – углеводороды. Очевидно, что чем больше нагрев, тем больше скорость разложения и, соответственно, скорость выделения горючих газов. И вот только тогда, когда скорость выделения ГГ будет достаточной для создания определенной их концентрации в воздухе, т.е. образования горючей среды, может возникнуть горение. При чем горение не древесины, а продуктов ее разложения – горючих газов. Именно по этому, горение древесины, в большинстве случаев – гомогенное горение, а не гетерогенное.

Вы можете возразить: древесина, в конце концов, начинает тлеть, а тление, как было сказано выше – это гетерогенное горение. Так и есть. Дело в том, что конечными продуктами разложения древесины являются в основном горючие газы и углистый остаток, так называемый кокс. Этот самый углистый остаток все вы видели и даже покупали для приготовления шашлыков. Эти угли примерно на 98% состоят из чистого углерода и не могут выделять ГГ. Угли горят уже в режиме гетерогенного горения, то есть тлеют.

Таким образом, древесина горит сначала в режиме гомогенного горения, затем, при температуре примерно 800°С пламенное горение переходит в тление, т.е. становится гетерогенным. Так же происходит и с другими твердыми веществами.

Как горят жидкости в воздухе? Механизм горения жидкостей заключается в том, что сначала происходит ее испарение, и именно пары образуют горючую смесь с воздухом. То есть в этом случае также происходит гомогенное горение. горит не жидкая фаза, а пары жидкости

Механизм горения металла такой же, как и жидкостей, за исключением того, что металлу необходимо сначала расплавиться и после этого нагреться до высокой температуры, чтобы скорость испарения была достаточной для образования горючей среды. Некоторые металлы горят на их поверхности.

В гомогенном горении выделяют два режима: кинетическое и диффузионное горение.

Кинетическое горение – это горение предварительно перемешанной горючей смеси, т.е. однородной смеси. Скорость горения определяется только кинетикой окислительно-восстановительной реакции.

Диффузионное горение – это горение неоднородной смеси, когда горючее и окислитель предварительно не перемешаны, т.е. неоднородной. В этом случае, смешивание горючего и окислителя происходит во фронте пламени за счет диффузии. Для неорганизованного горения характерен именно диффузионный режим горения, большинство горючих материалов на пожаре могут гореть только в этом режиме. Однородные смеси, конечно, могут образовываться и при реальном пожаре, однако их образование скорее предшествует пожару или обеспечивает начальную стадию развития.

Принципиальным отличием этих видов горения заключается в том, что в однородной смеси молекулы горючего и окислителя уже находятся в непосредственной близости и готовы вступить в химическое взаимодействие, при диффузионном же горении эти молекулы сначала должны приблизится друг к другу за счет диффузии, и только после этого вступить во взаимодействие.

Этим обуславливается различие в скорости протекания процесса горения.

Полное время горения t г, складывается из длительности физиче-
ских и химических процессов:

t г = t ф + t х.

Кинетический режим горения характеризуется длительностью только химических процессов, т.е. t г » t х, поскольку в этом случае физических процессов подготовки (перемешивания) не требуется, т.е. t ф » 0.

Диффузионный режим горения, наоборот, зависит в основном от
скорости подготовки однородной горючей смеси (грубо говоря сближения молекул), В этом случае t ф >> t х, и поэтому последним можно пренебречь, т.е. длительность его определяется в основном скоростью протекания физических процессов.

Если t ф » t х, т.е. они соизмеримы, то горение протекает в так
называемой промежуточной области.

Для примера, представьте себе две газовые горелки(рис. 1.1): в одной из них в сопле имеются отверстия для доступа воздуха (а), в другой их нет (б). В первом случае воздух будет засасываться инжекцией в сопло, где он перемешивается в горючим газом, таким образом, образуется однородная горючая смесь, которая сгорает на выходе из сопла в кинетическом режиме . Во втором случае (б), воздух перемешивается с горючим газом в процессе горения за счет диффузии, в этом случае – горение диффузионное .

Рис. 1.1 Пример кинетического (а) и диффузионного (б) горения

Другой пример: в помещении происходит утечка газа. Газ постепенно перемешивается с воздухом, образуя однородную горючую смесь. И в случае появления после этого источника зажигания, происходит взрыв. Это и есть горение в кинетическом режиме.

Аналогично при горении жидкостей, например бензина. Если его налить в открытую емкость и поджечь, будет происходить диффузионное горение. Если же поместить эту емкость в закрытое помещение и подождать некоторое время, бензин частично испарится, перемешается с воздухом и образует тем самым однородную горючую смесь. При внесении источника зажигания, как вам известно, произойдет взрыв, это – кинетическое горение.

В каком режиме протекает горение на реальных пожарах? Конечно в основном в диффузионном. В некоторых случаях пожар может начаться и с кинетического горения, как в приведенных примерах, однако после выгорания однородной смеси, что происходит очень быстро, горение продолжится уже в диффузионном режиме.

При диффузионном горении, в случае недостатка кислорода воздуха, например при пожарах в закрытых помещениях, возможно неполное сгорание горючего с образованием продуктов неполного сгорания таких как СО – угарный газ. Все продукты неполного сгорания очень токсичны и представляют большую опасность на пожаре. В большинстве случаев именно они являются виновниками гибели людей.

Итак, основными видами горения являются гомогенное и гетерогенное. Визуальное отличие этих режимов – наличие пламени.

Гомогенное горение может протекать в двух режимах: диффузионном и кинетическом. Визуально, их отличие заключается в скорости горения.

Следует отметить, что выделяют еще один вид горения – горение взрывчатых веществ. Взрывчатые вещества включают в свой состав горючее и окислитель в твердой фазе. Поскольку и горючее и окислитель находятся в одинаковом агрегатном состоянии, такое горение – гомогенное.

На реальных пожарах, в основном, происходит пламенное горение. Пламя, как известно, выделяют как один из опасных факторов пожара. Что же такое пламя и какие процессы в нем протекают?

Тема 4. ВИДЫ ГОРЕНИЯ.

По разным признакам и особенностям процессы горения можно разде-лить на следующие виды:

По агрегатному состоянию горючего вещества:

Горение газов;

Горение жидкостей и плавящихся твердых веществ;

Горение неплавящихся твердых пылевидных и компактных веществ.

По фазовому составу компонентов:

Гомогенное горение;

Гетерогенное горение;

Горение взрывчатых веществ.

По подготовленности горючей смеси:

Диффузионное горение (пожар);

Кинетическое горение (взрыв).

По динамике фронта пламени:

Стационарное;

Нестационарное.

По характеру движения газов:

Ламинарное;

Турбулентное.

По степени сгорания горючего вещества:

Неполное.

По скорости распространения пламени:

Нормальное;

Дефлаграционное;

Детонационное.

Рассмотрим подробнее эти виды.

4.1. Горение газообразных, жидких и твердых веществ.

В зависимости от агрегатного состояния горючего вещества различают горение газов, жидкостей, пылевидных и компактных твердых веществ.

Согласно ГОСТ 12.1.044-89:

1. Газы – это вещества, критическая температура которых менее 50 о С. Т кр – это минимальная температура нагрева 1 моля вещества в закрытом со-суде, при котором оно полностью превращается в пар (см. § 2.3).

2. Жидкости – это вещества с температурой плавления (каплепадения) менее 50 о С (см. § 2.5).

3. Твердые вещества – это вещества с температурой плавления (капле-падения) более 50 0 С.

4. Пыли – это измельченные твердые вещества с размером частиц менее 0,85 мм.

Зона, в которой происходит химическая реакция в горючей смеси, т.е. горение, называется фронтом пламени.

Рассмотрим процессы горения в воздушной среде на примерах.

Горение газов в газовой горелке. Тут наблюдаются 3 зоны пламени (рис. 12.):

Рис. 12. Схема горения газа: 1 – прозрач-ный конус – это исходный нагревается газ (до температуры самовоспламенения); 2 – светящаяся зона фронта пламени; 3 – про-дукты сгорания (бывают почти невидимы при полном сгорании газов и, особенно при горении водорода, когда не образуется са-жа).

Ширина фронта пламени в газовых смесях составляет десятки доли миллиметра.

Горение жидкостей в открытом сосуде. При горении в открытом со-суде имеются 4 зоны (рис. 13):

Рис. 13. Горение жидкости: 1 – жид-кость; 2 – пары жидкости (темные участки); 3 – фронт пламени; 4 – про-дукты горения (дым).

Ширина фронта пламени в этом случае больше, т.е. реакция протекает медленнее.

Горение плавящихся твердых веществ. Рассмотрим горение свечи. В данном случае наблюдается 6 зон (рис. 14):

Рис. 14. Горение свечи: 1 – твердый воск; 2 – расплав-ленный (жидкий) воск; 3 – темный прозрачный слой паров; 4 – фронт пламени; 5 – продукты горения (дым); 6 – фитиль.

Горящий фитиль служит для стабилизации горения. В него впитывается жидкость, поднимается по нему, испаряется и горит. Ширина фронта пламе-ни увеличивается, что увеличивает площадь светимости, так как используют-ся более сложные углеводороды, которые, испаряясь, распадаются, а потом уже вступают в реакцию.

Горение неплавящихся твердых веществ. Этот вид горения рассмот-рим на примере горения спички и сигареты (рис. 15 и 16).

Здесь также имеется 5 участков:

Рис. 15. Горение спички: 1 – свежая древесина; 2 – обуг-ленная древесина; 3 – газы (газифицированные или испа-рившиеся летучие вещества) - это темноватая прозрачная зона; 4 – фронт пламени; 5 – продукты сгорания (дым).

Видно, что обгоревший участок спички намного тоньше и имеет чер-ный цвет. Это значит, что часть спички обуглилась, т.е. осталась нелетучая часть, а летучая часть испарилась и сгорела. Скорость горения угля значи-тельно медленнее, чем газов, поэтому он не успевает полностью выгореть.

Рис.16. Горение сигареты: 1 – исходная табач-ная смесь; 2 – тлеющий участок без фронта пламени; 3 – дым, т.е. продукт сгоревших час-тиц; 4 – втягиваемый в легкие дым, который представляет собой в основном газифицирован-ные продукты; 5 – смола, сконденсировавшаяся на фильтре.

Беспламенное термоокислительное разложение вещества называется тлением. Оно возникает при недостаточной диффузии кислорода в зону го-рения и может протекать даже при очень малом его количестве (1-2%). Дым имеет сизый, а не черный цвет. Значит в нем больше газифицированных, а не сгоревших веществ.

Поверхность пепла почти белая. Значит, при достаточном поступлении кислорода происходит полное сгорание. Но внутри и на границе горящего слоя со свежими – черное вещество. Это свидетельствует о неполном сгора-нии обугленных частиц. Кстати, на фильтре конденсируются пары улету-чившихся смолистых веществ.

Подобный вид горения наблюдается при горении кокса, т.е. угля, из ко-торого удалены летучие вещества (газы, смолы), или графита.

Таким образом, процесс горения газов, жидкостей и большинства твер-дых веществ протекает в газообразном виде и сопровождается пламенем. Не-которые твердые вещества, в том числе имеющие склонность к самовозгора-нию, горят в виде тления на поверхности и внутри материала.

Горение пылевидных веществ. Горение слоя пыли происходит так же, как и в компактном состоянии, только скорость горения возрастает из-за увеличения поверхности контакта с воздухом.

Горение пылевидных веществ в виде аэровзвеси (пылевого облака) мо-жет протекать в виде искр, т.е. горения отдельных частиц, в случае малого содержания летучих веществ, не способных при испарении образовать доста-точное количество газов для единого фронта пламени.

Если образуется достаточное количество газифицированных летучих веществ, то возникает пламенное горение.

Горение взрывчатых веществ. К данному виду относится горение взрывчатки и пороха, так называемых конденсированных веществ, в которых уже находится химически или механически связанные горючее и окислитель. Например: у тринитротолуола (тротила) C 7 H 5 O 6 N 3 ×C 7 H 5 ×3NO 2 окислителями служат O 2 и NO 2 ; в составе пороха – сера, селитра, уголь; в составе само-дельной взрывчатки алюминиевая пудра и аммиачная селитра, связующее – соляровое масло.

4.2. Гомогенное и гетерогенное горение.

4.3. Диффузионное и кинетическое горение.

По степени подготовки горючей смеси различают диффузионное и ки-нетическое горение.

Модель горения твердого вещества предполагает наличие следующих фаз (рис. 17):

Рис. 17. Модель горения

твердого вещества.

Пиролиза, или реакционной зоны в твердой фазе, в которой образу-ются газообразные горючие вещества;

Предпламенной в газовой фазе, в которой образуется смесь с окисли-телем;

Продуктов горения.

Скорость подачи кислорода в зону горения зависит от его диффузии через продукт горения.

Структура пламени диффузионного горения состоит из трех зон (рис.18):

Рис. 18. Структура пламени.

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + Н 2 О;

2CO+O 2 =2CO 2 ;

Все виды диффузионного горения присущи пожарам.

Кинетическим горением называется горение заранее перемешанных горючего газа, пара или пыли с окислителем. В этом случае скорость горения зависит только от физико-химических свойств горючей смеси (теплопровод-ности, теплоемкости, турбулентности, концентрации веществ, давления и т.п.). Поэтому скорость горения резко возрастает. Такой вид горения присущ взрывам.

Другой пример: при недостатке кислорода углерод сгорает до угарного газа:

Если добавить O, то реакция идет до конца:

2СО+O 2 =2СО 2 .

Скорость горения зависит от характера движения газов. Поэтому раз-личают ламинарное и турбулентное горение.

где: u - скорость газового потока;

n - кинетическая вязкость;

l – характерный линейный размер.

4.4. Нормальное горение.

В зависимости от скорости распространения пламени при кинетиче-ском горении может реализоваться либо нормальное горение (в пределах не-скольких м/с), либо взрывное дефлаграционное (десятки м/с), либо детона-ционное (тысячи м/с). Эти виды горения могут переходить друг в друга.

Нормальное горение – это горение, при котором распространение пламени происходит при отсутствии внешних возмущений (турбулентности или изменения давления газов). Оно зависит только от природы горючего вещества, т.е. теплового эффекта, коэффициентов теплопроводности и диф-фузии. Поэтому является физической константой смеси определенного со-става. В этом случае обычно скорость горения составляет 0,3-3,0 м/с. Нор-мальным горение названо потому, что вектор скорости его распространения перпендикулярен фронту пламени.

4.5. Дефлаграционное (взрывное) горение.

Нормальное горение неустойчиво и в закрытом пространстве склонно к самоускорению. Причиной этому является искривление фронта пламени вследствие трения газа о стенки сосуда и изменения давления в смеси.

Рассмотрим процесс распространения пламени в трубе (рис. 20).

Рис. 20. Схема возникнове-ния взрывного горения.

Сначала у открытого конца трубы пламя распространяется с нормаль-ной скоростью, т.к. продукты горения свободно расширяются и выходят на-ружу. Давление смеси не изменяется. Длительность равномерного распро-странения пламени зависит от диаметра трубы, рода горючего и его концен-трации.

По мере продвижения фронта пламени внутрь трубы продукты реак-ции, имея больший объем по сравнению с исходной смесью, не успевают вы-ходить наружу и их давление возрастает. Это давление начинает давить во все стороны, и поэтому впереди фронта пламени исходная смесь начинает двигаться в сторону распространения пламени. Прилегающие к стенкам слои тормозятся. Наибольшую скорость имеет пламя в центре трубы, меньшую – у стенок (из-за теплоотвода в них). Поэтому фронт пламени вытягивается в сторону распространения пламени, а поверхность его увеличивается. Про-порционально этому увеличивается количество сгораемой смеси в единицу времени, которое влечет за собой возрастание давления, а то в свою очередь – увеличивает скорость движения газа и т.д. Таким образом, происходит ла-винообразное повышение скорости распространения пламени до сотен мет-ров в секунду.

Процесс распространения пламени по горючей газовой смеси, при ко-тором самоускоряющаяся реакция горения распространяется вследствие ра-зогрева путем теплопроводности от соседнего слоя продуктов реакции, назы-вается дефлаграцией . Обычно скорости дефлаграционного горения дозвуко-вые, т.е. менее 333 м/с.

4.6. Детонационное горение .

Если рассматривать сгорание горючей смеси послойно, то в результате термического расширения объема продуктов сгорания каждый раз впереди фронта пламени возникает волна сжатия. Каждая последующая волна, двига-ясь по более плотной среде, догоняет предыдущую и накладывается на нее. Постепенно эти волны соединяются в одну ударную волну (рис. 21).

Рис. 21. Схема образования де-тонационной волны: Р о < 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.

В ударной волне в результате адиабатического сжатия мгновенно уве-личивается плотность газов и повышается температура до Т 0 самовоспламе-нения. В результате происходит зажигание горючей смеси ударной волной и возникает детонация – распространение горения путем воспламенения удар-ной волной. Детонационная волна не гаснет, т.к. подпитывается ударными волнами от движущегося вслед за ней пламени.

Особенность детонации – она происходит с определенной для каждого состава смеси сверхзвуковой скоростью 1000-9000 м/с, поэтому является фи-зической константой смеси. Она зависит только от калорийности горючей смеси и теплоемкости продуктов сгорания.

Встреча ударной волны с препятствием ведет к образованию отражен-ной ударной волны и еще большему давлению.

Детонация – самый опасный вид распространения пламени, т.к. имеет максимальную мощность взрыва (N=A/t) и огромную скорость. Практически «обезвредить» детонацию можно лишь на преддетонационном участке, т.е. на расстоянии от точки зажигания до места возникновения детонационного горения. Для газов длина этого участка от 1 до 10 м.

Общие сведения о горении. Гомогенное и гетерогенное горение

Горение - это интенсивные химические окислительные реакции, которые сопровождаются выделением тепла и свечением. Горение возникает при наличии горючего вещества, окислителя и источника воспламенения. В качестве окислителей в процессе горения могут выступать кислород, азотная кислота, пероксид натрия, бертолетова соль, перхлораты, нитросоединения и др. В качестве горючего - многие органические соединения, сера, сероводород, колчедан, большинство металлов в свободном виде, оксид углерода, водород и т. д. Горение различается также по скорости распространения пламени и в зависимости от этого фактора оно может быть: -дефляграционным (скорость пламени в пределах нескольких метров с секунду); -взрывным (скорость пламени до сотен метров в секунду); - детонационным (скорость пламени порядка тысяч метров в секунду). Гомогенное горение. При гомогенном горении исходные вещества и продукты горения находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится горение газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителем - обычно, кислородом воздуха), горение негазифицирующихся конденсированных веществ (например, термитов - смесей алюминия с оксидами различных металлов), а также изотермическое горение - распространение цепной разветвленной реакции в газовой смеси без значительного разогрева. При горении негазифицирующихся конденсированных веществ диффузии обычно не происходит и процесс распространения горения идет только в результате теплопроводности. При экзотермическом горении, напротив, основным процессом переноса является диффузия. Гетерогенное горение. При гетерогенном горении исходные вещества (например твердое или жидкое горючее и газообразный окислитель) находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие технологические процессы гетерогенного горения- горение угля, металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, двигателях внутреннего сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей. Процесс гетерогенного горения обычно очень сложен. Химическое превращение сопровождается дроблением горючего вещества и переходом его в газовую фазу в виде капель и частиц, образованием оксидных пленок на частицах металла, турбулизацией смеси и т. д. Гомогенное горение: компоненты горючей смеси находятся в газообразном состоянии. Причем, если компоненты перемешаны, то горение называют кинетическим. Если – не перемешаны – диффузионное горение. Гетерогенное горение: характеризуется наличием раздела фаз в горючей смеси (горение жидких и твердых горючих веществ в среде газообразного окислителя).

Теория гетерогенного горения. Диффузионное и кинетическое горение Горение каких горючих смесей называют гетерогенным

Еще на эту тему:

Другие статьи: