Горение и условия его протекания

Предыдущая12345678910111213141516Следующая

Основные понятия

Горение – сложный физико-химический процесс, основой которого является быстро протекающая химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). Химическая реакция горения в большинстве случаев является сложной и состоит из большого числа элементарных химических процессов окислительно-восстановительного типа, приводящих к перераспределению валентных электронов между атомами взаимодействующих веществ. Кроме того, химическое превращение при горении тесно связано с рядом физических явлений – переносом тепла и масс и, соответственно, с гидро- и газодинамическими закономерностями. Согласно современной физико-химической теории горения, процесс горения – это реакции, связанные с быстрым превращением и тепловым или диффузионным ускорением [1, 2].

Различают три основных вида самоускорения химических реакций при горении: тепловое, цепное и цепочечно-тепловое (комбинированное). Другими словами, горение – это экзотермическая реакция, протекающая в условиях ее прогрессивного самоускорения.

Для возникновения и протекания процесса горения необходимы следующие условия:

· наличие в определенный момент в данной точке пространства горючего вещества, окислителя и источника зажигания;

· горючее и окислитель должны находится в определенном количественном отношении;

· источник зажигания должен обладать достаточной энергией.

Согласно ГОСТ 12.1.044-89 ССБТ все вещества и материалы по способности к горению (горючести) делятся на три группы [3]:

· горючие – способные самовозгораться, а также возгораться от источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления;

· трудногорючие – способные возгораться в воздухе от источников зажигания, но не способные гореть после его удаления;

· негорючие вещества – неспособные к горению в воздухе.

Окислителями в процессах горения могут быть: кислород (воздух), озон, перекиси, вещества богатые кислородом (нитросоединения, азотная кислота, перхлораты), галогены. Таким образом, класс веществ, выступающий в качестве окислителей, весьма обширный.

В качестве горючего, способного взаимодействовать с окислителем, также могут быть многие вещества: большинство металлов в свободном виде, сера элементарная и связанная (Н2S, FeS), окись углерода, водород и огромное число органических соединений.

Однако наибольшее практическое значение в качестве окислителя приобрел кислород (воздух), в а качестве горючего – углеводородные вещества (природный газ, нефть, угли, сланцы, торф и т.п.). Процессы сжигания таких горючих в атмосфере кислорода являются и наиболее изученными.



В зависимости от количественного соотношения горючего и окислителя различают три разновидности горючих смесей:

· стехиометрическая смесь, которая не содержит в избытке ни горючего компонента, ни окислителя;

· богатая смесь, содержащая в избытке горючее;

· бедная смесь, содержащая в избытке окислитель.

Наиболее вероятные источники зажигания в условиях производства:

· открытый огонь и раскаленные продукты горения;

· нагретые до высокой температуры поверхности технологического оборудования;

· тепловое проявление механической и электрической энергии;

· тепловое воздействие химических реакций, а также результаты жизнедеятельности микроорганизмов.

В некоторых случаях источником зажигания смеси могут служить лучи света (например, для смесей СО + Сl2; H2 + Сl2), или вода для щелочных металлов.

По внешнему виду (признаку) горение может происходить и без пламени, то есть оно может быть пламенным или беспламенным (тлением).

В зависимости от агрегатного состояния исходных веществ (горючего и окислителя) различают три вида горения:

· гомогенное (однородное) горение газо-и парообразных горючих веществ в среде газообразного окислителя;

· гетерогенное (неоднородное) горение жидких и твердых горючих веществ и материалов в среде газообразного окислителя или горение жидких горючих в жидких окислителях;

· горение взрывчатых веществ (переход вещества из конденсированного состояния в газообразное):

тротил: C7H5N3O6 ® 2,5H2O + 3,5CO + 3,5С + 1,5N2

(кислородный баланс меньше нуля);

нитроглицерин: C3H5N3O9 ® 2,5H2O + 3CO2 + 0,25O2 + 1,5N2

(кислородный баланс больше нуля).

По скорости распространения пламени горение подразделяется на три группы:

· дефлаграционное (скорость – несколько м/с);

· взрывное (скорость – несколько десятков или сотен м/с);

· детонационное (скорость – до нескольких тысяч м/с).

Для дефлаграционного горения характерна передача тепла от слоя к слою, а пламя, возникающее в нагретой и разбавленной активными радикалами продуктами реакции смеси, перемещается в направлении исходной горючей смеси. Это объясняется тем, что пламя как бы становится источником, который выделяет непрерывный поток тепла и химически активных частиц. В результате этого фронт пламени и перемещается в сторону горючей смеси.

Дефлаграцонное горение подразделяется на ламинарное и турбулентное. Скорость ламинарного горения зависит от состава смеси, начального давления и температуры, а также кинетики химических превращений. Скорость распространения турбулентного пламени помимо перечисленных факторов зависит от скорости потока, степени и масштабов турбулентности.

Взрывное горение может быть преднамеренным или случайным (аварийным). Преднамеренное взрывное горение характерно для пиротехнических составов (твердые ракетные топлива, пороха). Случайное взрывное горение следует за аварийным выбросом и образованием газо-, паро- или пылевоздушной смеси при наличии источника зажигания.

Детонационное горение свойственно для бризантных взрывчатых веществ, применяемых в различных отраслях промышленности (например, в горнодобывающей, строительстве) и в военном деле.

Горение и условия его протекания

При анализе процесса горения первостепенное значение имеет изучение факторов, определяющих инициирование и скорость химических превращений [4, 5].

Для протекания процесса горения необходимым условием является наличие смеси реакционноспособных веществ, содержащей горючее и окислитель.

В химическую реакцию может вступать только «активная» частица горючей смеси, обладающая к моменту вступления в реакцию достаточным запасом энергии. Энергия, достаточная для необходимого сближения реагирующих частиц, называется энергией активацииЕ0.

В реакцию могут вступать только активные молекулы (атомы, радикалы), то есть те, которые в момент соударения обладают энергией, превышающей энергию активации реакции. Доля активных молекул возрастает при увеличении температуры горючей смеси.

Зависимость скорости реакции от температуры описывается уравнением Аррениуса:

,

где А – коэффициент, учитывающий частоту соударений;е – основание натуральных логарифмов; Е0 – энергия активации; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура горючей смеси.

Однако на практике любая реакция горения может иметь одновременно признаки и теплового и цепного механизма протекания реакции. Зарождение первых активных центров может иметь тепловой характер, а реагирование активных частиц по цепному механизму приводит вновь к выделению тепла, разогреву горючей смеси и термическому зарождению новых центров.

Тепловое самовоспламенение. Тепловой эффект реакций частично идет на нагревание горючей смеси, частично теряется в окружающую среду. После предварительного нагрева горючей смеси и достижения такого состояния, когда приход тепла в результате реакции станет выше отвода тепла из зоны реакции, – начинается самоускорение реакции.

Чем больше давление (или концентрация газовой смеси), тем больше будет скорость реакции и, следовательно, будет больше теплоприход. А скорость теплоотвода не зависит от давления. Дальнейшее повышение давления приведет к повышению температуры и возникновению самовоспламенения.

Автокаталитически-тепловое самовоспламенение. Катализатор химической реакции – вещество ускоряющее химическую реакцию, но не меняющее после реакции свое состояние:

А + В = АВ – идет очень медленно;

А + К = АК, АК + В = АВ + К;

А + В + (К) = АВ + К.

Примером такого катализа реакции служит нитрозный способ получения серной кислоты:

2SO2 + O2 + 2H2O = 2H2SO4 – идет очень медленно, но в присутствии окиси азота;


быстро идущие реакции.
2NO + O2 = 2NO2

2NO2 + 2SO2 + 2H2O = 2H2SO4 + 2NO

Явление, при котором каталитическое действие на реакцию оказывает какой-либо из продуктов, называется автокатализом (для начала обычно нужна «затравка»).

Вещества, которые замедляют протекание реакции, называют отрицательными катализаторами или ингибиторами реакции. Например, хладоны (предельные галогенуглеводороды), применяемые для тушения пожаров.

Цепное самовоспламенение имеет природу, отличную от теплового (выделение тепла происходит в результате разветвления реакционных цепей и накопления химически активных частиц, как правило, радикалов).

Любая цепная реакция складывается из элементарных стадий зарождения, продолжения и обрыва цепи. Зарождение цепей является экзотермической реакцией. Образование свободных радикалов возможно в результате моно- или бимолекулярных взаимодействий, а также в результате инициирования (добавке инициаторов, ионизация, действие света).

К реакциям продолжения цепи относятся элементарные стадии цепной реакции (существует четыре типа).

В любом цепном процессе должна быть, по крайней мере, одна стадия, в которой расходуется исходное вещество, и одна стадия, в которой образуются продукты реакции.

Обрыв цепи – исчезновение свободных радикалов. Пример разветвленной цепной реакции (реакция окисления Н2):

Н2 + О2 ® 2ОН× (зарождение цепи);

ОН× + Н2 ® Н2О + Н× (продолжение цепи);

Н× + О2 ® ОН× + О××,О×× + Н2 ® ОН× + Н× (разветвления цепи);

Н×+ Н×+ стенка ® Н2 (обрыв цепи на стенке);

Н× + О2 ® НО2× + М (обрыв цепи в объеме),

где М – молекула любого вещества, не участвующего в реакции.

Краткий сравнительный анализ трех механизмов самоускорения реакций горения позволяет кратко сформулировать:

· тепловое самоускорение реакции происходит вследствие саморазогрева горючей смеси за счет выделяющегося при реакции тепла;

· автокаталитически-тепловое самоускорение происходит в результате накопления продуктов реакции катализирующих превращение исходного вещества. Когда достигается перевес прихода тепла над его отводом, наступает тепловое самоускорение, заканчивающееся взрывом;

· цепное самоускорение реакции при постоянной температуре происходит в результате превышения разветвления над обрывом цепи, когда образуется достаточное количество активных центров, способствующих развитию цепного характера реакции.

Но большинство процессов горения осуществляется по комбинированному механизму реакции.


3953641140868723.html
3953666148783702.html
    PR.RU™