Что понимается под гомогенным горением

Различают гомогенное и гетерогенное горение.

Лекция 3

Кинетическая реакция горения.

Классификация видов и процессов горения и взрыва.

Горение – сложный, быстро протекающий химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света.

В основе процессов горения лежат экзотермические окислительно- восстановительные реакции, которые подчиняются законам химической кинетики, химической термодинамики и др. фундаментальным законам природы (закону сохранения массы, энергии и т.д.).

Схема процесса горения веществ

Обычно рассматривают химические реакции горючих веществ с кислородом воздуха. Например, горение каменного угля, состоящего в основном из углерода:

Тлением называют беспламенное горение твердых тел.

Взрыв – окислительно-восстановительный процесс, сопровождающийся выделением большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени.

Различают гомогенное и гетерогенное горение.

При гомогенном горючее и окислитель находятся в одной фазе (обычно в газовой, например, смесь метана с воздухом).

При гетерогенном они находятся в разных фазах, окислитель, как правило, газообразный (например, О2), а восстановитель твердый (уголь С, древесина, торф) или жидкий (бензин, мазут, дизельное топливо).

Наиболее общим свойством горения гомогенных горючих газовых смесей является проявление в определенных условиях прогрессивного самоускорения процесса – воспламенения.

Воспламенение – начальная стадия горения, в течение которой энергия, подводимая к системе от внешнего источника энергии, приводит к резкому ускорению химической реакции из-за прогрессивного накопления энергии (тепловое воспламенение) или активных промежуточных частиц (цепное воспламенение).

Роль воспламенителя может выполнять пламя, искра, накаленное тело или механическое воздействие в результате резкого сжатия горючей смеси (так происходит воспламенение горючей смеси в дизельном двигателе) или, например, трение различных материалов друг о друга.

При воспламенении необходимо, чтобы концентрации горючего вещества и окислителя находились в определенном соотношении.

Классическим явлением воспламенения является процесс возникновения горения в небольшой части горючей смеси. В остальной части смеси реакция может начаться вследствие распространения тепла на весь объем. Источники воспламенения, вызывающие такой процесс, называются тепловыми. К ним относится искра, накаленное тело, пламя, а также электрические явления (электрические искры, дуги, разряды атмосферного электричества).

К воспламенению могут привести также оптические явления, например, фокусировка лучей линзами. Все тепловые источники нагревают очень незначительную часть горючей смеси, оставляя холодной остальную ее часть.

В отличие от воспламенениявспышка представляет собой воспламенение смеси воздуха с парами над жидкостью или твердым телом без загорания жидкости или твердого тела.

Вспышка возможна только в том случае, если состав паровоздушной смеси находится между верхним и нижним пределами воспламенения. Фактически вспышка – процесс неустойчивого, быстро прекращающегося горения.

При воспламенении накаленными телами должно выполняться правило: чем меньше размер тела, с помощью которого производят воспламенение, тем больше должна быть его температура. Тепловые источники очень маленьких размеров не могут воспламенить горючие смеси.

Воспламеняющая способность разнообразных физико-химических процессов связана с тем количеством энергии, которая выделяется в виде тепла при их проведении. Примером является воспламенение с использованием энергии электрических искр. Для каждой горючей смеси существует минимальная мощность электрической искры, способной ее воспламенить. Эта минимальная мощность зависит от состава, температуры, давления смеси. Увеличение мощности искр ведет к расширению концентрационных или температурных пределов воспламенения газовых смесей. Однако это происходит до определенной мощности, выше которой увеличение мощности искр не будет вызывать расширения пределов воспламенения смеси. Искры такой мощности называют насыщенными. Их использование в приборах по определению концентрационных или температурных пределов воспламенения дает такие же результаты, как воспламенение накаленными телами или пламенем. Насыщенные искры можно считать разновидностью высокотемпературных источников воспламенения. Наиболее эффективным источником воспламенения является пламя.

Воспламенение гетерогенных горючих смесей имеет свои особенности, отличающие их от гомогенных смесей. Из твердых горючих веществ наиболее легко воспламеняются волокнистые и мелкораздробленные материалы (хлопок, войлок, ткань, сено, шерсть, мучная и каменноугольная пыль и др.). Все они обладают малой теплопроводностью и большой удельной поверхностью, что способствует сохранению тепловой энергии искры в небольшом объеме горючего вещества и, как следствие, быстрому нагреву. Поскольку искра нагревает лишь небольшой объем твердых горючих веществ, то образующихся при этом газообразных продуктов разложения зачастую недостаточно для образования горючей смеси. Поэтому воспламенение искрами сопровождается обычно не горением волокнистых материалов, а тлением их углеродистого остатка. Для воспламенения твердых веществ с образованием пламени необходимы более мощные источники воспламенения и более длительное их действие, например, пламя, большие по величине накаленные тела ит.д.

Особое место в этом ряду занимает пламя, которое всегда является эффективным источником воспламенения как гомогенных, так и гетерогенных газовых смесей.

Для воспламенения твердых видов топлива их компоненты должны быть переведены в газообразное состояние или превращены в легковоспламеняющийся уголь. Для этого требуется нагрев до высокой температуры. В результате образуются горючие смеси с воздухом, которые могут воспламениться. Так, например, происходит воспламенение древесины или природного угля. Первой стадией этих процессов является разложение топлива с образованием летучих горючих веществ, или испарение летучих органических компонентов топлива. Затем происходит воспламенение горючей газовой смеси с воздухом. На следующем этапе от пламени воспламеняется само твердое топливо.

Горение жидкого топлива всегда сопровождается его испарением и горением в дальнейшем паров. В жидком виде топливо, как правило, не окисляется кислородом. В результате сгорает только та его часть, которая успела испариться.

В процессе распространения горения газовая смесь делится на две части: сгоревший газ и несгоревшая смесь, а их граница называется фронтом пламени. Она представляет собой тонкий газовый слой, в котором происходит процесс горения.

Распространение пламени встречается двух видов: детонационная волна и волна горения.

Волна горения распространяется посредством диффузии активных частиц в соседние зоны и теплопередачи к соседним слоям газа. Скорость перемещения фронта пламени значительно ниже скорости звука и при этом отсутствует большая разница давлений.

Источник

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.

Источник

Гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение

Перечисленные в предыдущем разделе физические явления наблю­даются в самых разнообразных процессах, различающихся как по природе химических реакций, так и по агрегатному состоянию участвующих в го­рении веществ.

Различают гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение.

Глава 1. Основные понятия теории горения

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.

При пожарах наиболее распространены процессы диффузионно­го горения. В них все реагирующие вещества находятся в газовой фа­зе, но предварительно не перемешаны. В случае горения жидкостей и твердых веществ процесс окисления горючего в газовой фазе проис­ходит одновременно с процессом испарения жидкости (или разложе­ния твердого материала) и с процессом смешения.

Простейшим примером диффузионного горения является горе­ние природного газа в газовой горелке. На пожарах реализуется ре­жим турбулентного диффузионного горения, когда скорость горения определяется скоростью турбулентного смешения.

При этом различают макросмешение и микросмешение. Процесс турбулентного смешения включает последовательное дробление газа на все более малые объемы и перемешивание их между собой. На по­следней стадии окончательное молекулярное смешение происходит молекулярной диффузией, скорость которой увеличивается по мере уменьшения масштаба дробления. По завершении макросмешения

* Подобное горение зачастую называют кинетическим.

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

скорость горения определяется процессами микросмешения внутри малых объемов горючего и воздуха.

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.

Глава 1. Основные понятия теории горения

1.3. Горение в движущемся газе

Для описания процессов горения используется термин «нормальная скорость пламени»*. Он характеризует скорость движения фронта пламе­ни в неподвижной газовой смеси. Такое идеализированное состояние можно создать лишь в лабораторном эксперименте. В реальных условиях горения пламя всегда существует в движущихся потоках.

Поведение пламени в таких условиях подчиняется двум законам, ус­тановленным русским ученым В. А. Михельсоном.

Первый из них устанавливает, что составляющая скорости газового потока v по нормали к фронту пламени, распространяющегося по непод­вижной смеси, равна нормальной скорости распространения пламени и, деленной на cos

(1-1)

где — угол между нормалью к поверхности пламени и направлением газового потока.

Величина v характеризует количество газа, сгорающего в едини­цу времени в косом пламени. Ее принято называть действительной скоростью горения в потоке. Действительная скорость во всех случаях равна или превышает нормальную.

Предположим, что в газовом потоке, имеющем скорость v и попе­речное сечение стационарно расположен искривленный фронт пламени с общей поверхностью S. В каждой точке фронта пламени пламя распро­страняется по нормали к его поверхности со скоростью и. Тогда объем горючей смеси, сгорающей в единицу времени составит:

(1.2)

В соответствии с балансом исходного газа этот же объем равен:

(1.3)

* Этот термин адекватен термину «нормальная скорость горения».

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

Приравнивая левые части (1.2) и (1.3) получаем:

В системе отсчета, в которой фронт пламени перемещается по не­подвижной газовой смеси, соотношение (1.4) означает, что пламя распро­страняется относительно газа со скоростью V. Формула (1.4) является ма­тематическим выражением закона площадей, из которого следует важный вывод: при искривлении фронта пламени скорость горения вырастает пропорционально увеличению его поверхности. Поэтому неоднородное движение газа всегда интенсифицирует горение.

1.4. Турбулентное горение

Из закона площадей следует, что турбулентность увеличивает ско­рость горения. На пожарах это выражается сильной интенсификацией процесса распространения пламени.

Различают (рис. 1.2) два вида турбулентного горения: горение одно­родной газовой смеси и микродиффузионное турбулентное горение.

Рис. 1.2. Классификация турбулентного горения

При горении однородной смеси в режиме турбулентного горения возможны два случая: возникновение мелкомасштабной и крупномас-

Глава 1. Основные понятия теории горения

Наибольшие скорости горения наблюдаются при крупномасштабной турбулентности. В этом случае возможны два механизма ускорения горе­ния: поверхностный и объемный.

Поверхностный механизм состоит в искривлении фронта пламени турбулентными пульсациями. В этом случае скорость горения возрастает пропорционально увеличению поверхности фронта. Однако это справед­ливо лишь для условий, когда химические превращения в пламени завер­шаются быстрее, чем успеет произойти турбулентное смешение. В этом случае, когда турбулентное смешение обгоняет химическую реакцию, зо­на реакции размывается турбулентными пульсациями. Такие процессы описываются закономерностями объемного турбулентного горения.

Время турбулентного смешения равно отношению масштаба

турбулентности к пульсационной скорости Поэтому ускорение

пламени за счет турбулентных пульсаций происходит по поверхностному механизму, если выполняется условие:

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

где — время протекания химической реакции при температуре горе-

ния

Если условие (1.5) не выполняется, то имеет место механизм объем­ного турбулентного горения.

(1.6)

Тогда критерий поверхностного ускорения принимает вид:

(1.7)

Для оценки скорости распространения турбулентного пламени при поверхностном ускорении К. И. Щелкиным предложена формула:

1.5. Особенности горения взрывчатых веществ

Взрывчатыми называются индивидуальные вещества или их смеси, способные под влиянием какого-либо внешнего воздействия (нагревания, удара, трения, взрыва другого взрывчатого вещества) к быстрому само­распространяющемуся химическому превращению с выделением большо­го количества тепла и образованием газов.

От обычных горючих веществ, горение которых происходит при взаимодействии с кислородом или другими внешними оксилителями, взрывчатые вещества, находясь в конденсированной (твердой или жид­кой) фазе, содержат в себе все компоненты, участвующие в горении. Взрывчатыми веществами могут быть как индивидуальные химические соединения, так и механические смеси.

Большинство индивидуальных взрывчатых веществ относятся к нитросоединениям: тринитротолуол, тетрил, гексоген, октоген, нитрогли-

Глава 1. Основные понятия теории горения

церин, нитраты целлюлозы и др. Взрывчатыми свойствами обладают так­же хлораты, перхлораты, азиды, органические перекиси.

1.6. Термодинамика сгорания

Законы термодинамики позволяют вычислить необходимые для описания процессов горения параметры: коэффициент расширения про­дуктов сгорания при начальных условиях отношения теп-лоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме как хтя свежей смеси, так и для продуктов сгорания; максимальное давление взрыва р_е; адиабатическую температуру продуктов сгорания в изобариче­ских и изохорических условиях, состав продуктов сгорания

В настоящем разделе описан алгоритм расчета равновесного состоя­ния продуктов сгорания C-H-0-N- содержащих горючих в воздухе в ши­роком диапазоне начальных температур, давлений и концентраций, разра­ботанный проф. В.В. Мольковым. Алгоритм основан на обобщении и сис­тематизации термодинамических и математических методов с использо­ванием наиболее точных данных по термодинамическим свойствам инди­видуальных веществ.

и проведение расчетов с учетом состава воз-

Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва

духа средней влажности

не усложняют вычислений на компьютере, использова­ние которого позволяет существенно сократить время расчетов при одно­временном повышении их точности в сравнении с приближенным подхо­дом без использования компьютера.

Брутто-реакция для сгорания горючего в воздухе средней влажности в расчете на моль свежей смеси может быть записана в виде

(1.9)

где — объемная концентрация горючего в свежей смеси: —

число атомов соответственно углерода, водорода, кислорода и азота в мо­лекуле горючего; — число молей -го компонента продуктов сгорания;

— -й компонент продуктов сгорания.

Суммарное число атомов в системе, вычисленное по составу свежей смеси, равно

(1-10)

Отношения числа атомов соответственно углерода, водорода, азота и аргона к числу атомов кислорода являются константами для конкретной смеси и не зависят от термодинамического состояния замкнутой системы:

(1.11) (1.12)

(1.13)

(1.14)

— число атомов кислорода в системе.

Глава 1. Основные понятия теории горения

Для адиабатического процесса горения в изобарических условиях закон сохранения энергии эквивалентен закону сохранения энтальпии замкнутой системы

(1.16)

где и — энтальпия соответственно горючего и воздуха при на-

чальной температуре Зависимость энтальпии горючего и воздуха от начальной температуры в диапазоне от 250 до 500 К задается полиномом четвертой степени

Дата добавления: 2015-09-29 ; просмотров: 3260 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник