Горение веществ

В других процессах  электроны внешних оболочек двух различных атомов как бы поступают в общее пользование, стягивая тем самым атомы в молекулы (ковалентная связь)

Н^. +    ^.С1 à Н: С1:

И, наконец, один атом может отдавать в общее пользование свою пару электронов

:O: + :Са à O:Са

Но во всех случаях атомы стремятся приобрести устойчивые внешние электронные структуры.

Процесс горения  — весьма активный процесс, протекающий с выделением значительного количества энергии (в виде тепла и света). Следовательно, в этом процессе происходит такое превращение веществ, при котором из менее устойчивых веществ получаются более устойчивые.

Диффузионное  и кинетическое горение

Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. К химически однородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны: смеси горючих газов, паров или пылей с воздухом. К химически неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны

Рис. 1. Схема  зоны горения паров (гомогенное горение).

 

и    имеют    поверхности   раздела:  твердые    горючие материалы и жидкости, находящиеся в воздухе, струи горючих газов и паров, поступающие в воздух, и т. д.

 Примером  горения паров и газов (гомогенное горение) является горение паров, поднимающихся со свободной поверхности жидкости (рис. 1), или горение газа, выходящего из трубы. Так как парциальное давление кислорода воздуха равно 21,2 кПа, а в зоне горения давление равно нулю, кислород из воздуха диффундирует через слой продуктов сгорания к зоне горения. Следовательно, скорость реакции горения зависит от скорости диффузии кислорода.

Примером  горения на поверхности твердого вещества (гетерогенное горение) является горение антрацита, кокса, древесного угля. В этом случае диффузии кислорода к зоне горения также препятствуют продукты сгорания, что видно из схемы, показанной на рис. 2. Концентрация кислорода в объеме воздуха (Ci) значительно больше концентрации его вблизи зоны горения (С₀). В отсутствие достаточного количества кислорода в зоне горения химическая реакция горения тормозится.

Таким образом, полное время сгорания химически  неоднородной горючей системы складывается из времени, необходимого для возникновения физического контакта

Рис. 2.  Схема диффузии кислорода в зону горения твердого вещества (гетерогенное горение).

 

между горючим  веществом и кислородом воздуха t_ф, и времени, затрачиваемого на протекание- самой химической реакции t_х

t_Т = t_х + t_ф

В случае гомогенного  горения величина t_ф называется временем смесеобразования, а в случае гетерогенного горения — временем транспортировки кислорода из воздуха к твердой поверхности горения.

В зависимости от соотношения  t_ф и т_х горение называют диффузионным или кинетическим. При горении химически неоднородных горючих систем время диффузии кислорода к горючему веществу несоизмеримо больше времени, необходимого для протекания химической реакции, т. е. t_ф >> t_х, и практически t_T ~t_ф. Это значит, что скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу. В этом случае говорят, что процесс протекает в диффузионной области. Такое горение и называется диффузионным. Все пожары представляют собой диффузионное горение.

Если время  физической стадии процесса оказывается несоизмеримо меньше времени, необходимого для протекания химической реакции, т. е. t_ф <<t_X, то можно принять t_T «t_X. Скорость процесса практически определяется только скоростью химической реакции. Такое горение называется кинетическим. Так горят химически однородные горючие системы, в которых молекулы кислорода хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества, и не затрачивается время на смесеобразование. Так как скорость химической реакции при высокой температуре велика, горение таких смесей происходит мгновенно и носит характер взрыва. Если продолжительность химической реакции и физическая стадия процесса горения соизмеримы, то горение протекает в так называемой промежуточной области, в которой на скорость горения влияют как химические, так и физические факторы.

На рис. 3 показана зависимость скорости реакции горения от температуры в различных областях. Кривая 1 показывает изменение скорости реакции при кинетическом горении. При низких температурах скорость реакции окисления в смеси слабо зависит от изменения температуры, и кривая 1 на этом участке медленно поднимается    вверх. 

Рис. 3. Зависимость скорости  кинетического (1) и диффузионного (2) горения от температуры

 

При более  высоких  температурах    реакция окисления   начинает сильно ускоряться с повышением температуры, и кривая 1 круто поднимается. Таким образом, скорость реакции в кинетической области зависит только от температуры реагирующих веществ.

Кривая 2 показывает изменение скорости реакции при диффузионном горении. При низких температурах ход кривой 2 одинаков с кривой 1, так как скорость реакции окисления меньше скорости диффузии кислорода в зону горения и, следовательно, реакция протекает в кинетической области. При повышении температуры реагирующих веществ, скорость реакции становится равной скорости диффузии кислорода в зону горения, а затем значительно превышает ее. В этих условиях скорость всего процесса определяется скоростью диффузии кислорода. Кривая 2 в точке А изменяет свое направление, отклоняясь вправо от кривой 1. Дальнейший ход кривой 2 показывает, что скорость процесса горения в диффузионной области, определяемая скоростью диффузии, очень мало зависит от температуры.

 

Диффузионное  пламя

 

Пространство, в котором сгорают пары и газы, называется пламенем или факелом. Пламя может быть кинетическим или диффузионным в зависимости от того, горит ли заранее подготовленная смесь паров или газов с воздухом или такая смесь образуется в пламени в процессе горения. В условиях пожара газы, жидкости и твердые вещества горят диффузионным пламенем.

Рис. 4. Строение ламинарного диффузионного пламени

 

Структура диффузионного  пламени существенно зависит от сечения потока горючих паров и газов и его скорости. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя. Ламинарное пламя возникает при малых сечениях потока паров или газов, движущихся с небольшой скоростью (пламя свечи, спички   газа в горелке небольшого  диаметра и т. д.). При пожарах образуется турбулентное пламя. Оно меньше изучено, и для объяснения этого явления используют положения теории ламинарного пламени. На рис. 4 показано строений ламинарного диффузионного пламени жидкости  горящей в сосуде небольшого диаметра. Пламя состоит из зоны горения    и зоны паров, последняя занимает почти весь объем пламени.

Подобное  по строению пламя образуется также при горении газов и твердых веществ, если скорость движения газов и паров соответствует ламинарному режиму. Зона горения в диффузионном пламени представляет собой  очень тонкий слой в котором протекает реакция горения. Превращение веществ и выделение тепла в этом слое вызывают возникновение молекулярной диффузии в прилегающих к нему слоях воздуха и горючего. Причиной молекулярной диффузии является разность парциальных давлении и температур газов, участвующих в горении.

 Рис. 7. Температура зон пламени горения    керосина.

 

На рис 5 показана схема распределения концентраций газов и паров в ламинарном диффузионном пламени и окружающей его среде. Эта схема отражает процессы диффузии, происходящие в пламени. Образующиеся в зоне горения продукты сгорания диффундируют как в воздух, так и в горючие пары и газы (см. рис. 4). В пламени малого размера (на рис. 5 диаметр горелки равен 6,53 мм) продукты сгорания находятся во всем объеме зоны паров и газов, а в пламени большого размера только в слое, прилегающем к зоне горения (см. рис. 4). Концентрация кислорода в зоне горения равна нулю, так как он полностью вступает в реакцию. Вследствие этого кислород в зону паров диффундировать не может, и горение в ней отсутствует. Отсутствие горения в зоне паров и газов можно продемонстрировать на следующем опыте.

В плоский  сосуд диаметром 5—6 см (рис. 6) наливают горячую жидкость и зажигают ее. Когда жидкость разгорится, снизу к краю сосуда подносят горящую лучину. Продукты сгорания от лучины огибают край сосуда и движутся вверх, прекращая доступ кислорода к пламени. В месте соприкосновения продуктов сгорания лучины с пламенем горения не наблюдается. В образовавшееся отверстие («окно») можно видеть, что горение в зоне паров и газов отсутствует, и зона горения, видимая по ее свечению, представляет собой тонкий газовый слой.

Отсутствие  кислорода в зоне горения вызывает диффузию в нее воздуха из окружающей среды. Воздух диффундирует через слой продуктов сгорания, поэтому концентрации кислорода и азота по мере приближения к зоне горения понижаются (см. рис. 5). Поступающий в зону горения кислород реагирует с диффундирующим в нее горючим, а азот диффундирует в зону паров и газов. В результате этого состав горючей смеси по фронту пламени стремится к стехиометрическому.

Температура в зоне паров значительно ниже, чем в зоне горения. Так, в пламени керосина (рис. 7) температура потока паров около поверхности жидкости равна температуре кипения ее. По мере движения потока к зоне горения температура паров (на рис. 7 — точки на вертикальной линии) повышается: сначала за счет излучения зоны горения, а затем в результате диффузии из нее нагретых продуктов сгорания. Нагрев обусловливает термическую диссоциацию паров около зоны горения; при этом образующиеся свободные атомы и радикалы совместно с продуктами сгорания поступают в зону горения. Атомы углерода, поступая в зону горения, возбуждаются и, будучи некоторое время в свободном состоянии, светятся. Если вместо углерода вводить в пламя частицы других твердых веществ, пламя приобретает иной, чем при горении углерода, цвет. Так, если в несветящее пламя метилового спирта ввести соль стронция, то пламя окрасится в красный цвет, при введении соли меди — в синий или зеленый.

Температура зоны горения пламени меняется по высоте его. Объясняется это изменением состава стехиометрической смеси в зоне горения и затратой тепла на нагрев поступающего в нее воздуха. В нижней части пламени, хотя и образуется стехиометрическая смесь с наибольшей теплотой горения, однако температура горения не является здесь максимальной, так как значительное количество тепла затрачивается на нагрев холодного воздуха. В средней части пламени теплота горения стехиометрической смеси меньше, чем в нижней, что обусловлено диффузией в нее продуктов сгорания, однако поступающий в зону горения нагретый воздух компенсирует потери тепла, и температура горения в этой части пламени является максимальной. В верхней части диффузионного пламени стехиометрическая смесь имеет еще меньшую теплоту горения, и нагретый воздух, поступающий для ее образования, не может компенсировать всех потерь тепла, поэтому температура горения здесь минимальная. Поэтому в верхней части пламени часто образуется сажа.

Турбулентное  пламя отличается от ламинарного тем, что не имеет четких очертаний и постоянного положения фронта пламени. Температура его при горении нефтепродуктов составляет: 1200 °С для бензина, 1100 °С для керосина тракторного, дизельного топлива, сырой нефти и 1000 °С для мазута. При горении древесины в штабелях температура турбулентного пламени составляет 1200—1300 °С.

Расход воздуха  на горение

 

Минимальное количество воздуха, необходимого для полного сгорания единицы массы (кг) или объема (м³) горючего вещества, называется теоретически необходимым и обозначается V_I. В табл. 1 приведены значения V_I для различных горючих веществ при нормальных условиях (0°С и 101,3 кПа).

Значения  величин, приведенных для древесины, торфа, бензина, керосина, нефти и водяного газа, являются средними, так как состав этих горючих материалов непостоянен. Вид формулы для расчета теоретически необходимого количества воздуха зависит от состава горючего вещества.

Таблица 1. Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания веществ

Горючее вещество	Количество воздуха для сгорания 1 кг вещества, мЗ	Горючее вещество	Количество воздуха для сгорания 1 кг вещества, мЗ
Ацетон	9,45  -7,35	Ацетилен	15,4 -11,9J
Бензол	13,2 - 10,25	Бутан	39,8 - 30,94
Бензин	14,3 -11,1	Водород	3,08-    2,38
Древесина  (W=7%)	5,4-4,18	Водяной газ	2,84 -   2,2
Керосин	14,85-11,5	Метан	12,3-  9,52
Нефть	13,9-10,8	Оксид углерода	3,08 -  2,38
Толуол	12,9-10,0	Пропан	30,6   - 23,8
Торф     (воздушно- сухой)	7,5-5,8	Природный газ	6,45 -  5,0

 

Горючее вещество — индивидуальное химическое соединение. Для таких горючих веществ независимо от их агрегатного состояния теоретически необходимое количество воздуха определяется из уравнений реакции горения. На m кмоль горючего вещества приходится п кмоль кислорода и азота из уравнения реакции горения. Обозначив массу (в кг) горючего вещества, численно равную молекулярной массе его, через М, составляют пропорцию

тМ кг—n 22,4 м³

1 кг—V_B⁰ м³

где 22,4 — объем 1 кмоль газов (при О °С и 101325 Па).

Теоретически необходимый объем  воздуха для сгорания 1 кг вещества равен (из пропорции)   (1)

Если объем воздуха, полученный по формуле (1), необходимо привести к иным условиям, то пользуются формулой

              (2),

 

где Т — заданная температура газов, К; р — заданное давление, Па.