Теория горения и взрыва. ЛЕКЦИЯ 1. ФИЗ.-ХИМ. ОСНОВЫ ГОРЕНИЯ испр.. Лекция 1 Физикохимические основы горения Общие сведения о горении и взрыве

• Название: Лекция 1 Физикохимические основы горения Общие сведения о горении и взрыве
• Анкор: Теория горения и взрыва
• Дата: 27.11.2022
• Размер: 229.97 Kb.
• Имя файла: ЛЕКЦИЯ 1. ФИЗ.-ХИМ. ОСНОВЫ ГОРЕНИЯ испр..docx
• Тип: Лекция; #814644
• страница: 2 из 3

Гомогенное горение — процесс взаимодействия горючего и окислителя, находящихся в зоне химической реакции в одинаковом агрегатном состоянии.

Примером гомогенного горения является горение горючих газов и паров жидкостей, газообразных продуктов термического распада большинства твёрдых горючих веществ, а в ряде случаев пылевого аэрозоля в среде газообразного окислителя. При этом горючее и окислитель в зоне химической реакции перемешаны и не имеют поверхности раздела.

Гетерогенное горение — процесс взаимодействия горючего и
окислителя, находящихся в различных агрегатных состояниях, горение происходит на поверхности раздела фаз.

Особенностью гетерогенного горения является отсутствие пламени. Беспламенное горение называют тлением. Примерами являются горение антрацита, кокса, древесного угля, нелетучих металлов. При гетерогенном горении кислород (или другой газообразный окислитель) диффундирует сквозь продукты сгорания к поверхности горючего вещества, а затем вступает с ним в химическую реакцию.
4. По газодинамическим параметрам различают ламинарное и турбулентное горение (пламя).

Ламинарное горение — процесс, при котором массообмен и перенос тепла происходят путем молекулярной диффузии и возникающих конвективных потоков окислителя и горючего вещества к зоне химической реакции. При этом наблюдается спокойное, безвихревое пламя устойчивой геометрической формы.

Турбулентное горение — процесс, при котором массообмен и перенос тепла осуществляются не только за счет молекулярной, но и турбулентной диффузии, в результате макроскопического вихревого движения газовых слоев горючей смеси.

Газодинамический режим горения зависит от линейной скорости горючего вещества или смеси и характеризуется критерием Рейнольдса (мера отношения сил инерции и внутреннего трения в потоке):

, (1.1)

где υ – линейная скорость газового потока, м/с;

d – диаметр, м;

ρ – плотность потока, кг/м³;

μ – динамическая вязкость, Н·с/м².
При Re < 2300 режим горения ламинарный, при 2300 < Re < 10000 – переходный, при Re > 10000 – турбулентный.

Гомогенное, диффузионное горение образовано потоком горючего газа, втекающим в окислительную среду. В зависимости от скорости пото­ка, его диаметра и вязкости среды движение может быть ламинарным или турбулентным. Также и возникающее диффузионное пламя может быть ламинарным или турбулентным. Ламинарное пламя образуется при низких скоростях потока горючего и небольшом его диаметре. Ламинарное горе­ние воспринимается как спокойное горение, когда пламя неподвижно от­носительно окружающей среды. Такое пламя можно наблюдать при горе­нии свечи, при горении газа в горелке, если скорость истечения небольшая, а также при горении жидкости в небольших тиглях.

С увеличением скорости и диаметра потока газообразного горючего вещества происходит его турбулизация, появляются завихрения, пламя становится неустойчивым. Турбулизация пламени приводит к увеличению скорости смесеобразования и, как следствие, к увеличению скорости горе­ния.

Развитый турбулентный режим горения наблюдается на пожарах га­зовых фонтанов, крупных резервуаров с горючими жидкостями, больших штабелей древесины.

Ламинарный и турбулентный режимы горения характерны как для диффузионного, так и для кинетического пламени. При ламинарном ки­нетическом горении фронт пламени гладкий, движение его спокойное. При турбулизации кинетического горения происходит искривление фронта, образуются вихри и фронт разбивается на отдельные очаги. При этом скорость горения увеличивается, увеличивается и скорость движе­ния зоны горения. Турбулизации кинетического горения и его ускорению способствует наличие препятствий на пути движения фронта. Так, кинети­ческое пламя хорошо турбулизуется и ускоряется в загроможденных поме­щениях. Турбулизация и ускорение кинетического пламени может способ­ствовать переходу дефлаграционного горения в детонацию.

5. В зависимости от объёма окислителя, давления и температуры, горение вещества может быть полным и неполным.

При полном сгорании веществ образуются продукты, не способные к дальнейшему взаимодействию (СО₂, Н₂О, НСl).

При неполном сгорании образуются продукты, способные к дальнейшему горению (СО, НСN, NН₃).

В условиях пожара при горении органических веществ на воздухе чаще всего полного сгорания не происходит. Признаком неполного сгорания является наличие дыма, содержащего несгоревшие частицы углерода.

Пламя
Горение большинства горючих веществ сопровождается появлением пламени. Пламя образуется при горении тех веществ, которые при разложении, испарении или окислении выделяют горючие газы и пары, которые при горении нагреваются и светят.

Пламя — это газовый объём, в котором непосредственно происходит реакция горения. Пламя выделяет лучистую теплоту, а также конвективный поток теплоты и газов. Наиболее высокотемпературная поверхность пламени, где протекают окислительно-восстановительные процессы, называется реакционной зоной или фронтом пламени.

Накаленные пары и газы сами по себе светят мало и поэтому горение, например, водорода, этилового спирта, сопровождается бледным пламенем. Бледное пламя можно сделать светящимся, внося в него мелкие частицы твердых тел. Так, например, если в бледное пламя горения спирта или в пламя горения водорода поместить самую тонкую платиновую проволоку, то она будет ярко светить. Такой же эффект достигается, если в бледное пламя поместить тонкий порошок песка или в пламя ввести сетку, покрытую окислами, например, церия. В ярком пламени содержатся какие-либо твердые частицы или, по крайней мере, очень плотные тяжелые пары. Пламя горящей свечи, дерева, парафина и т. п. веществ яркое потому, что в этом пламени находятся частицы продуктов осмоления и угля, получающиеся в результате пиролиза вещества при горении.

Практически без пламени горят графит, кокс, древесный уголь и ряд других веществ потому, что они при горении не выделяют горючих газообразных продуктов. Наблюдаемое при горении этих веществ бледное синее пламя есть результат догорания угарного газа (СО). Вот почему нельзя закрывать трубу печи до тех пор, пока не прекратится синее бледное пламя, хорошо заметное в темноте, иначе помещение наполняется окисью углерода (II), газом весьма опасным для жизни животных и людей.

Пары и газы, выделяющиеся при горении горючих веществ, как правило, не содержат свободного кислорода и для горения им необходим кислород воздуха, который проникает к месту горения путем диффузии, поэтому пламя имеет определенное строение. На рисунке 1.1 приводится примерная схема диффузионного пламени, на примере пламени свечи:

Рис. 1.1. Схема диффузионного пламени (на примере пламени свечи).

Внутренняя зона (1) заполнена парами и продуктами разложения, выделяющимися из горючего вещества в результате его нагревания. Количество диффундирующего из окружающего воздуха кислорода в этой зоне мало и температура сравнительно невысока. На фотографии хорошо видно, что первая зона имеет характерный окрас, усиливающийся к краям зоны, что связано с тем что в этой зоне происходит неполное горение с образованием СO, являющимся источником синеватого окраса. По мере приближения к краям зоны количество диффундирующего кислорода увеличивается, и горение идет более интенсивно, что хорошо заметно по усилению окраса.

В зоне (2), куда частично, проникает кислород воздуха, происходит окисление паров и продуктов разложения, но вследствие недостаточности кислорода именно в этой зоне происходит осмоление и образование мелких частиц угля и поэтому эта зона ярко светится (напомним, что свечение пламени обусловлено наличием в пламени взвешенных частиц твердой фазы). Температура в этой зоне значительно выше, чем в зоне (1).

В зоне (3) происходит догорание продуктов, образовавшихся уже в зоне (2), и частично тех паров и продуктов разложения, которые не успели прореагировать в зоне (2). Зона (3) содержит самое большое количество диффундировавшего кислорода, т.к. она является самой внешней и имеет наибольшую поверхность. При достаточном количестве кислорода происходит полное окисление паров до газообразных продуктов, поэтому именно в этой зоне выделяется наибольшее количество тепла. Температура в этой зоне еще выше, чем в зоне (2), но яркости пламени уже нет, т.к. в зоне почти отсутствуют частицы недогоревшей твердой фазы.

Зона горения в диффузионном пламени представляет собой очень тонкий слой, в котором протекает реакция горения. Толщина этого слоя порядка 0,1 — 1,0 мм.

Характер свечения пламени зависит от состава горючего вещества (главным образом от процентного соотношения углерода и кислорода, таблица 1.1.).
Таблица 1.1.

Характер свечения пламени в зависимости от состава горючего вещества.

Характер свечения пламени	Содержание кислорода в горючем веществе, %	Содержание углерода в горючем веществе, %
Пламя бесцветное	Более 30	До 50
Пламя яркое, не коптящее	Отсутствует или менее 30	Не более 75
Пламя яркое, коптящее	Отсутствует или менее 25	Более 75

Как уже отмечалось выше, свечение пламени связано с наличием несгоревших раскалённых твёрдых частиц углерода. При термическом разложении веществ с массовой долей углерода менее 50 % и содержащих в своём составе кислород (более 30 %) несгоревших частиц углерода образуется очень мало, и в момент образования они успевают окислиться до СО или СО₂. Такие вещества имеют бесцветное пламя. При горении веществ, содержащих более 75 % углерода (бензол, керосин), в зоне горения образуется настолько много частиц углерода, что поступающего путём диффузии в зону горения воздуха не хватает для его полного окисления. Не окислившийся в пламени углерод выделяется в виде копоти, и пламя при горении таких веществ будет ярким коптящим.
Процентное содержание элементов рассчитывают по формуле:


где А – атомный вес элемента,

n – число атомов данного элемента в формуле горючего вещества,

молекулярная масса горючего вещества
Механизм химического взаимодействия при горении
После возникновения горения источником дальнейшего зажигания новых порций горючей смеси обычно является сама зона горения, в которой происходит интенсивное выделение тепла. Это тепло и является причиной непрерывного поддержания процесса горения.

Для возникновения и протекания процесса горения горючее вещество и окислитель должны находиться в определённом количественном соотношении.

Другим необходимым условием того, чтобы между молекулами горючего вещества и окислителя произошло химическое взаимодействие, является их столкновение друг с другом (соударение).

То есть молекулы должны сблизиться на столько, чтобы атомы одной из них испытывали бы действие электрических полей, создаваемых атомами другой молекулы. Только при этом возможны переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы продуктов горения.

Однако не всякое столкновение молекул реагирующих веществ приводит к образованию продуктов реакции. Для того чтобы произошла реакция, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах горючего вещества и окислителя. На это нужно затратить определённую энергию. Поэтому молекулы горючего вещества и окислителя должны находиться в активном состоянии, т.е. обладать избыточной энергией — энергией активации.

Энергия активации — минимальная энергия реагентов, достаточная для того, чтобы они вступили в химическую реакцию, то есть преодолели барьер на поверхности потенциальной энергии, через который должна пройти система в ходе элементарного акта химического превращения.

Изменение энергии в ходе экзотермической реакции можно представить следующей схемой:


Для того чтобы произошла химическая реакция между водородом и кислородом с образованием воды

2Н₂ + О₂ → 2Н₂О,

необходимо затратить энергию для разрыва химических связей в двух мо­лекулах водорода и в одной молекуле кислорода:
Н – Н Н Н

+ О = О → О + О

Н – Н Н Н
При образовании четырех новых связей О-Н в молекулах воды энер­гия выделится. В экзотермических реакциях количество энергии, выде­лившейся при образовании химических связей, больше, чем затраченной на разрыв. Разница между ними составляет величину теплового эффекта химической реакции

Е_выдел - Е_затр = Q

Радикальный механизм реакции горения
Взаимодействие горючего и окислителя происходит через ряд промежуточных стадий с участием не целых молекул, а их составных частей: атомов и радикалов. Этот процесс более длинный, но энергетиче­ски более выгодный. Атомы и радикалы образуются при разрыве в моле­куле какой-либо химической связи и поэтому имеют неспаренные элек­троны, благодаря которым являются высокореакционноспособными (ак­тивными) частицами. Эти частицы легко вступают в реакции с молекула­ми, так как энергетический барьер у таких реакций низкий, т. е. низкая энергия активации.

В качестве примера рассмотрим механизм, по которому происходит окисление водорода.

При соударении двух возбужденных молекул, имеющих достаточ­ную энергию для разрыва химических связей, происходит образование двух активных частиц - гидроксильных радикалов

_•

Н₂ + О₂ → 2ОН (1)
Точкой сверху указывают наличие неспаренного электрона в радика­ле, благодаря которому эта частица является активной (высокореакционно­способной). Отметим, что радикалы, как и атомы, в целом нейтральны. Ко­личество электронов и протонов у них одинаково.

Количество образующихся радикалов в реагирующей системе обыч­но мало и поэтому они находятся в основном в окружении молекул. Обра­зовавшийся гидроксильный радикал легко вступает в реакцию с молекулой водорода





В результате этой реакции образуются конечный продукт - вода и новая активная частица - атом водорода, который, в свою очередь, легко вступает в реакцию с молекулой кислорода





Атом кислорода имеет два неспаренных электрона, его называют би­радикалом (двойным радикалом), он вступает в реакцию с молекулой во­дорода





Образующиеся новые гидроксильные радикалы (ОН) будут опять реа­гировать с молекулой водорода (реакция 2), а атомы водорода - с молеку­лой кислорода (реакция 3), и это будет многократно повторяться. Возника­ет цепочка превращений, в результате которых образуется большое коли­чество молекул продукта Н₂О (по реакции 2).

Таким образом, затратив один раз большое количество энергии в ре­акции (1) для образования активных частиц - начальных центров реакции, можно в дальнейшем получить не одну, а много молекул Н₂О, так как все последующие реакции атомов и радикалов с молекулами протекают легко без больших затрат энергии. Такие реакции называются радикально­ - цепными. Цепочка превращений прекратится, если встретятся две актив­ные частицы. В результате их соударения образуется молекула





или





В реакциях (5) и (6) происходит гибель активных частиц и цепочка превращений на этом обрывается.

Механизм химических превращений при окислении водорода в це­лом выглядит так:








Реакции развития цепей (2, 3 и 4), в которых происходит взаимодей­ствие активных частиц с молекулами, могут многократно повторяться. Число этих повторений носит название длины цепи. Обычно для радикаль­но-цепных реакций длина цепи составляет от 10 до 10 , а иногда достигает даже значения 10⁵. Это означает, что на один акт химического взаимодей­ствия по реакции (1) в реакциях развития цепей может образоваться до 10⁵ молекул продукта. В этом заключается энергетическая выгода такого пути реакции. Радикально-цепной механизм химической реакции горения облег­чает ее протекание. Отметим, что уменьшение энергии активации не влияет на тепловой эффект химической реакции (см. рис. 1.1), который определя­ется только начальным и конечным положением системы.