какие физические процессы протекают при горении

Горение

Горение – это совокупность одновременно протекающих физических процессов (плавление, испарение, ионизация) и химических реакций окисления горючего вещества и материала, сопровождающееся, как правило, световым и тепловым излучением и выделением дыма. В основе горения лежит взаимодействие горючего вещества с окислителем, преимущественно с кислородом воздуха.

Однако горения может осуществляться без доступа воздуха (кислорода), если в состав горючей массы (среды) входит окислитель в виде примеси или составной части молекулы. В производственных условиях или ракетной технике горения может осуществляться в атмосфере таких окисляющих газов, как фтор, хлор, окислы азота и другие.

Некоторые вещества (порошкообразные титан и цирконий) способны гореть в атмосфере азота, двуокиси углерода, не относящимся к традиционным окислителям.

В зависимости от способа подвода окислителя различают:

При пожаре отмечается смешанный тип горения. В зависимости от скорости горение может быть медленным (тление), нормальным (дефлаграция) и взрывообразным (взрыв), переходящим в детонационное (детонация).

По внешнему проявлению горение может быть пламенным или беспламенным.

Беспламенное горение может возникнуть в результате дефицита окислителя (тление) или при низком давлении насыщенных паров горючего вещества (горение тугоплавких металлов и кокса).

По механизму развития горение может быть тепловым, при котором причиной самоускорения реакций окисления является повышение температуры, и автокаталитическим (цепным), когда ускорение процесса достигается накоплением промежуточных катализирующих продуктов (активных центров). Автокаталитическое горение осуществляется при сравнительно низких температурах. При достижении определенных концентраций промежуточных каталитических продуктов автокаталитическое горение может переходить в тепловое. При этом температура горения резко возрастает.

Горение может возникать и развиваться спонтанно, стихийно (пожар), но может быть специально организованным, целесообразным: энергетическое горение (в целях получения тепловой или электрической энергии) и технологическое горение (доменный процесс, металлотермия, синтез тугоплавких неорганических соединений и т.д.).

Горение характеризуется такими величинами, как: температура, скорость, полнота, состав продуктов. Располагая данными о механизме горения и его характерных особенностях, можно увеличивать скорость и температуру горения (промотирование горения) или снижать их вплоть до прекращения горения (ингибирование горения).

Источники: Основные характеристики горения. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. —М., 1977; Процессы горения в химической технологии и металлургии. Мержанов А.Г. —Черноголовка, 1975; Физика горения и взрыва. Хитрин Л.Н. —М., 1957.

Источник

Процессы, происходящие при горении. Виды горения

Для возникновения процессов горения необходимо наличие горючего вещества и окислителя. Для инициирования возникновения горения необходимо наличие источника тепловыделения (зажигания). Иногда горение может возникать самопроизвольно без источника зажигания (самовоспламенение и самовозгорание). Для возникновения горения должны быть соблюдены следующие условия:

· непосредственный контакт горючего и окислителя;

· горючее и окислитель должны находиться в определенных количественных соотношениях;

· источник зажигания должен обладать достаточной энергией.

При температурах, характерных для горячего пламени (они возникают в подавляющем большинстве случаев на реальных пожарах), скорость химической реакцииокисления при горении потенциально может быть очень высокой. Это вызвано тем, что при повышении температуры на каждые 100 0 скорость реакции увеличивается в 2…4 раза.

Скорость процесса горения в целом ограниченна скоростью конкретного физического процесса, сопровождающего горение.

Основные физические процессы при горении – это тепло- и массообмен с окружающей средой за счет конвекции, диффузии и излучения.При горении органических веществ образуются нагретые до высокой температуры летучие продукты горения: СО₂, Н₂О, СО и др. При горении некоторых неорганических веществ, например, некоторых металлов могут образовываться наряду с летучими и нелетучие продукты горения.

Плотность летучих продуктов горения в 3…5 раз меньше плотности окружающего воздуха, поэтому над очагом горения существует конвективный (непрерывно поднимающийся вверх) поток горячей парогазовой смеси продуктов горения. Он всасывает свежий воздух снизу к очагу горения. Этими процессами обусловлен массо-, газо- и теплообмен очага горения с окружающей средой.

Теплообмен с окружающей средой происходит и счет теплового (невидимого инфракрасного) светового изучения.

Лучистый поток распространятся во все стороны от зоны горения, в том числе и падает вниз на поверхность горящего вещества. Нагреваясь под воздействием лучистого теплового потока, горючее вещество испаряется или разлагается и испаряется с выделением горючих газообразных продуктов. Они, смешиваясь с воздухом, поступают в зону горения. Такое горение сопровождается образованием пламени.

Пламя –это часть реакционного объѐма, в котором протекают все физико-химические процессы, связанные с горением.

Пламя, как правило, излучает свет, лишь в редких случаях оно невидимо, например, при горении водорода.

Наиболее высокотемпературная часть пламени, где протекают окислительно-восстановительные реакции, называется реакционной зоной или фронтом пламени.

В газообразных горючих системах все процессы горения, в том числе и подготовительные, протекают в пламени. Поэтому для них понятия горение и пламя часто отождествляют и используют как синонимы. При горении конденсированных систем (жидких и твердых) подготовительные процессы (нагревание, плавление, испарение, термическое разложение) протекают вне пламени непосредственно на поверхности горящего вещества.Горение может происходить и за счет кислорода, содержащегося в молекуле горючего вещества.В зависимости от агрегатного состояния компонентов горючей смеси горение подразделяется на два вида: гомогенное и гетерогенное.Гомогенное горение –это процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, находящихся в одинаковом агрегатном состоянии. Оно бывает кинетическим и диффузионным в зависимости от однородности горючей смеси.

Однородной смесью называется предварительно перемешанная смесь горючего с окислителем.Скорость ее горения определяется только кинетикой окислительных реакций. Поэтому процесс горения гомогенной однородной (предварительно перемешанной) горючей смеси называется ещё и кинетическим горением(пламенем).В большинстве случаев на реальных пожарах горючее и окислитель предварительно не перемешаны. В этом случае окислитель (кислород воздуха) поступает в пламя из окружающей среды преимущественно за счет процессов диффузии.

Диффузионное горение (пламя)–это процесс горения неоднородной (предварительно не перемешанной) горючей смеси,в котором существенную роль играют процессы диффузии окислителя к фронту пламени.

Наиболее широко распространено гомогенное горение газов и паров в воздухе. Пары могут быть предварительно перемешаны или же нет. Гомогенное горение характерно для всех газообразных и большинства жидких и твердых горючих материалов. Отличительным признаком такого горения является возникновение пламени над поверхностью конденсированного горючего вещества.

Часто на пожарах гомогенное горение твердых горючих материалов на заключительной стадии после выгорания летучих веществ или после ликвидации пожара переходит в гетерогенное горение (догорание) углеродных остатков и в ряде случаев (при определенных условиях) может снова привести к открытому горению, через стадию возникновения повторных очагов горения.

Гетерогенное горение –это горение твердых горючих материалов на границе раздела фаз,т.е. горение происходит практически непосредственно на их поверхности.Характерной особенностью гетерогенного горения является небольшая высота (до 2 мм) пламени или его отсутствие. Беспламенное горение в ряде случаев называют тлением.

Тление –особый вид гетерогенного(беспламенного)горения.

Такому виду горения подвержены только диспергированные пористые вещества и материалы, образующие твердый углеродный остаток при нагревании, а в ряде случаев и горючие жидкости, пропитавшие твердые пористые материалы. Примеры – горение торфа, кокса, древесного угля. При тлении образуются высокотоксичные продукты неполного сгорания. Они способны привести к пламенному горению и (или) взрыву. Этот вид горения будет более подробно рассмотрен в разделе, посвященном горению твердых веществ и материалов.

Опасные факторы пожара

Тяжелые последствия пожаров связаны с действием протекающих на нем явлений. При достаточной мощности пожара в здании конвективный и лучистый тепловые потоки будут:

· нагревать и рушить негорючие ограждающие конструкции;

· воспламенять конструкции удаленные от очага горения.

Это способствует распространению пожара.

Если же горит достаточно большая постройка, например, из древесины, то часто возникают мощные конвективные потоки продуктов горения. Они способны разносить на значительное расстояние искры, угли, горящие куски кровли. Падая на удаленные постройки (до 3-х км ), они могут способствовать быстрому распространение пожара.

Опасными факторы при пожаре:

· повышенная температура окружающей среды;

· токсичные продукты горения и термического разложения, дым;

· пониженная концентрация кислорода.

Вторичныепроявления опасных факторов пожара:

· осколки, части строительных конструкций;

· радиоактивные и токсичные вещества и материалы;

· электрический ток, возникший в результате выхода из строя ЛЭП высокого напряжения на токопроводящие части конструкций;

Опасные факторы взрыва, происшедшего вследствие пожара (ГОСТ 12.1.010): ударная волна, во фронте которой давление превышает допустимое значение; пламя; обрушивающиеся конструкции и их разлетающиеся части; образовавшиеся при взрыве и (или) выделившиеся из поврежденного оборудования вредные вещества.

Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 1133 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Вопрос № 1. Химические и физические процессы, протекающие при горении (55 мин.)

(Повторение лекционного материала).

В пламени одновременно протекают химические и физические процессы, между которыми существуют определенные причинно-следственные связи.

К химическим процессам в пламени относятся:

на подходе к зоне горения:

— термическое разложение исходных веществ с образованием более легких продуктов (водорода, оксидов углерода, простейших углеводородов, воды и т.д.);

во фронте пламени:

— термоокислительные превращения с выделением теплоты и образованием продуктов полного (диоксида углерода и воды) и неполного горения (оксида углерода, сажи, копоти, смол и др.);

— диссоциация продуктов горения,

— ионизация продуктов горения.

К физическим процессам в пламени относятся:

— тепломассоперенос во фронте пламени;

— процессы, связанные с испарением и доставкой летучих горючих веществ в зону горения.

Скорость переноса (диффузии) веществ имеет решающее значение, например, в неоднородных системах, где она гораздо меньше скорости химических реакций окисления. Соотношение скорости химических превращений и физических процессов определяет режим процесса горения.

Полное время горения t_г, складывается из длительности физических и химических процессов:

= +

Кинетический режим горения характеризуется длительностью

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, т.е. длительность его

t_г » t_ф. В этом случае t_ф >> t_х, и поэтому последним можно пренебречь.

Если t_ф » t_х, т.е. они соизмеримы, то горение протекает в так называемой промежуточной области.

Вспомним, что для процесса горения необходимы горючее вещество, окислитель и источник тепла (зажигания).

Горючие вещества и материалы классифицируют по химической природе, происхождению, агрегатному состоянию, дисперсности и т.д.

По химической природе горючие вещества и материалы подразделяются на два основных класса: органические и неорганические (рис.1.). Такое подразделение весьма условно, поскольку многие органические вещества содержат как в химически связанном, так и в виде примесей неорганические компоненты, нелетучая часть которых остается в виде золы, шлаков и.т.п.

Органические горючие вещества – это все вещества на основе углерода, представляющие собой материалы растительного и животного происхождения, или же ископаемые вещества, т.е. добываемые из недр земли. Все они применяются как в натуральном виде, так и после соответствующей обработки.

Неорганические горючие вещества и материалы представляют собой все простые и сложные вещества неорганической природы, способные к реакциям горения. По современной химической классификации это металлы и неметаллы, их различные производные.

К горючим неметаллам и их производным относятся бор, кремний, фосфор, мышьяк, сера, селен, теллур, их карбиды, гидриды, сульфиды и т.д.

По агрегатному состоянию горючие вещества и материалы подразделяются на газообразные, жидкие и твердые.

Рис. 1. Классификация горючих веществ и материалов.

Все индивидуальные вещества могут быть охарактеризованы коэффициентом горючести.

Коэффициент горючести К является безразмерным коэффициентом и служит для определения горючести вещества. Рассчитанный коэффициент горючести может быть использован для приближенного вычисления температуры вспышки вещества, а также величины нижнего концентрационного коэффициента распространения пламени.

Коэффициент горючести рассчитывается по следующей формуле:

где:

n(C), n(S), n(H), n(N), n(O), 2 n(Cl), n(F), n(Br) – число атомов углерода, серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора и брома в молекуле вещества.

Если коэффициент горючести К больше единицы (К ³ 1), то вещество является горючим; при значении К меньше единицы (К

1. В молекуле анилина

К > 1, следовательно, анилин – горючее вещество.

2. В молекуле хлорной кислоты

К 0 С в реакцию горения не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения.

Горение водорода в воздухе

Обратите внимание, что стехиометрический коэффициент перед кислородом

b = 0,5 необходимо поставить и в правой части уравнения перед азотом.

Горение пропанола в воздухе

В составе горючего есть кислород, поэтому расчет коэффициента b проводят следующим образом: 10 – 1 = 9; 9 : 2 = 4,5.

Горение анилина в воздухе

В этом уравнении азот в правой части уравнения встречается дважды: азот воздуха и азот из горючего вещества.

Горение угарного газа в воздухе

Горение хлорметана в воздухе

Горение диэтилтиоэфира в воздухе

Горение диметилфосфата в воздухе

Источник

Горение

Горе́ние — сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Описать природу горения можно как бурно идущее окисление.

Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.

Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.

Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.
Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).

Содержание

Теория горения

При адиабатическом сжигании горючей смеси могут быть рассчитаны количество выделившегося при горении тепла, температура Т_Г, которая была бы достигнута при полном сгорании (адиабатическая температура горения) и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамические функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, Т_Г может быть рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы при постоянном объёме или её энтальпии при постоянном давлении в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: Т_Г = Т0 + Q_r/C, где Т₀ — начальная температура смеси, С — средняя в интервале температур от Т₀ до Т_Г удельная теплоёмкость исходной смеси (с учетом её изменения при возможных фазовых переходах), Q_r — удельная теплота сгорания смеси при температуре Т_Г. При относительном содержании а₀ в смеси компонентов, полностью расходуемых в реакции, Q_Г = Q*а₀ где Q — тепловой эффект реакции горения. Значение Т_Г при постоянном объёме больше, чем при постоянном давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатичекого горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакционным объёмом и окружающей средой, например в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.
Термодинамический расчёт даёт лишь частичную информацию о процессе — равновесный состав и температуру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло- и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетического подхода, рассматривающего химическую реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества.
В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всём пространстве, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде так называемой волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону.

Описание процессов горения

Важность процесса горения в технических устройствах способствовала созданию различных моделей, позволяющих с необходимой точностью его описывать. Так называемое нулевое приближение включает описание химических реакций, изменение температуры, давления и состава реагентов во времени без изменения их массы. Оно соответствует процессам происходящим в закрытом объёме, в который была помещена горючая смесь и нагрета выше температуры воспламенения. Одно-, двух- и трёхмерные модели уже включает в себя перемещение реагентов в пространстве. Количество измерений соответствует количеству пространственных координат в модели. Режим горения бывает как и газодинамическое течение: ламинарным или турбулентным. Одномерное описанное ламинарного горения позволяет получить аналитически важные выводы о фронте горения, которые затем используются в более сложных турбулентных моделях.

Объёмное горение

Объемное горение происходит, например, в теплоизолированном реакторе идеального перемешивания, в который поступает при температуре Т₀ исходная смесь с относительным содержанием горючего а₀; при другой температуре горения реактор покидает смесь с иным относительным содержанием горючего а. При полном расходе G через реактор условия баланса энтальпии смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны уравнениями:

где w(а, Т) — скорость реакции горения, V — объём реактора. Используя выражение для термодинамической температуры Т_Г, можно из (1) получить:

и записать (2) в виде:

где q_—T = GC(T — Т₀) — скорость отвода тепла из реактора с продуктами сгорания, q₊T = Qw(a, Т)V — скорость выделения тепла при реакции. Для реакции n-ного порядка с энергией активации:

Диффузионное горение

Характеризуется раздельным подачей в зону горения горючего и окислителя. Перемешивание компонентов происходит в зоне горения. Пример: горение водорода и кислорода в ракетном двигателе, горение газа в бытовой газовой плите.

Горение предварительно смешанной среды

Как следует из названия, горение происходит в смеси, в которой одновременно присутствуют горючее и окислитель. Пример: горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания бензиново-воздушной смеси после инициализации процесса свечой зажигания.

Особенности горения в различных средах

Беспламенное горение

В отличие от обычного горения, когда наблюдаются зоны окислительного пламени и восстановительного пламени, возможно создание условий для беспламенного горения. Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора, например, окисление этанола на платиновой черни.

Твердофазное горение

Это автоволновые экзотермические процессы в смесях неорганических и органических порошков, не сопровождающиеся заметным газовыделением, и приводящие к получению исключительно конденсированных продуктов. В качестве промежуточных веществ, обеспечивающих массо-перенос, образуются газовые и жидкие фазы, не покидающие, однако, горящую систему. Известны примеры реагирующих порошков, в которых образование таких фаз не доказано (тантал-углерод).

Как синонимы используются тривиальные термины «безгазовое горение» и «твердопламенное горение».

Примером таких процессов служит СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) в неорганических и органических смесях.

Тление

Вид горения, при котором пламя не образуется, а зона горения медленно распространяется по материалу. Тление обычно наблюдается у пористых или волокнистых материалов с высоким содержанием воздуха или пропитанных окислителями.

Автогенное горение

Самоподдерживающиеся горение. Термин используется в технологиях сжигания отходов. Возможность автогенного (самоподдерживающегося) горения отходов определяется предельным содержанием балластирующих компонентов: влаги и золы. На основе многолетних исследований шведский учёный Таннер предложил для определения границ автогенного горения использовать треугольник-схему с предельными значениями: горючих более 25 %, влаги менее 50 %, золы менее 60 %.

Источник