Диффузионное и кинетическое горение. Гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение Горение газообразных, жидких и твердых веществ

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.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Теоретические основы горения и взрыва

В и говоров в м плотников е в каратай.. теоретические основы горения и взрыва..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Свойства газов
Основное уравнение кинетической теории газов имеет вид: , (2.1) где: WK

Свойства газовых смесей
При рассмотрении смесей газов добавляются понятия: «концентрация» и «парциальное давление». 1. Весовая концентрация Сi i–го газа, входящего в со

Парциальные давление и объем
Давление – это сила, действующая на единицу поверхности. Оно прямо пропорционально числу молекул, сталкивающихся с этой поверхностью. Давление зависит не только от числа молекул, но и от скорости и

Свойства жидкостей
До сих пор мы рассматривали газы. Но одно и то же вещество в зави-симости от соотношения между средней кинетической и средней потенци-альной энергиями частиц может находиться в одно

Свойства сжиженных газов
Сжижение газов осуществляется путем охлаждения их ниже темпера-туры кипения. Промышленный метод сжижение газов основан на использо-вании положительного эффекта Джоуля-Томпсона, т.е.

Свойства твердых веществ
Сильный нагрев твердого тела приводит к плавлению и переходу в жидкое состояние, а затем при испарении – в газ. Ряд твердых веществ может непосредственно из твердой фазы перейти в г

Химизм реакций горения
Как Вы уже уяснили, горением называется быстропротекающая хими-ческая реакция, сопровождающаяся выделением тепла и свечением (пламе-нем). Обычно – это экзотермическая окислительная

Тепловой эффект реакции
То, что в каждом индивидуальном веществе заключено определенное количество энергии, служит объяснением тепловых эффектов химических реакций. По закону Гесса: Тепловой эффек

Кинетические основы газовых реакций
По закону действующих масс скорость реакции при постоянной темпе-ратуре пропорциональна концентрации реагирующих веществ или, как гово-рят, «действующих масс». Скоростью химической реакции

Энергия активации реакции
Для объяснения данного явления часто пользуются следующим приме-ром (рис. 9): На площадке лежит шар. Площадка расположена перед горкой. Поэто-му шар мог бы скатиться сам вн

Катализ
Кроме повышения температуры и концентрации веществ, для ускоре-ния химической реакции используют катализаторы, т.е. вещества, которые вводятся в реагирующую смесь,

Адсорбция
Адсорбция – поверхностное поглощение какого-либо вещества из га-зообразной среды или раствора поверхностным слоем другого вещества – жидкости или твердого тела.

Горение газообразных, жидких и твердых веществ
В зависимости от агрегатного состояния горючего вещества различают горение газов, жидкостей, пылевидных и компактных твердых веществ. Согласно ГОСТ 12.1.044-89: 1.

Диффузионное и кинетическое горение
По степени подготовки горючей смеси различают диффузионное и ки-нетическое горение. Рассмотренные виды горения (кроме взрывчатки) относятся к диффу-зионному горению. Пламя,

Нормальное горение
В зависимости от скорости распространения пламени при кинетиче-ском горении может реализоваться либо нормальное горение (в пределах не-скольких м/с), либо взрывное дефлаграционное (

Дефлаграционное (взрывное) горение
Нормальное горение неустойчиво и в закрытом пространстве склонно к самоускорению. Причиной этому является искривление фронта пламени вследствие трения газа о стенки сосуда и изменен

Общие показатели для горючих веществ и видов горения
Общими показателями для любых веществ и видов горения являются: 1) Группа горючести -это способность вещества или материала к го-рению. По горючести вещества и материалы п

И пылевоздушных смесей
Показателями взрывной и пожарной опасности газов, паров жидкостей и пылевоздушных смесей (пылевого облака) являются: 1) Нижний и верхний концентрационные пределы воспламенения (рас

Видных веществ
Показателями пожарной опасности при диффузионном горении твер-дых веществ и осевшей пыли являются: 1) Температура самонагревания– это самая низкая температ

Тепловое самовоспламенение (тепловой взрыв)
Самовоспламенение – это явление резкого увеличения скорости экзо-термических реакций, приводящее к самопроизвольному возникновению го-рения вещества в отсутствии ис

Самовозгорание
Самовозгорание представляет собой процесс низкотемпературного окисления дисперсных материалов, заканчивающийся тлением или пламен-ным горением. Склонность к самовозгоранию веществ о

Цепное самовоспламенение (цепной взрыв)
По теории Аррениуса скорость химической реакций определяется чис-лом молекул, обладающей энергией активации. Однако саморазогрев горю-чей смеси при экзотермической реакции из-за нед

Зажигание
Зажигание– это процесс инициирования начального очага горения в горючей смеси за счет ввода в смесь извне высокотемпературного источника тепловой энергии. Происхожд

Тепловая теория горения
При адиабатическом, т.е. не сопровождающемся тепловыми потерями сгорании, весь запас химической энергии горючей системы переходит в тепловую энергию продуктов реакции. Температура п

Горение в замкнутом объеме
При горении газов в открытой трубе и в потоке продукты реакции свободно расширяются, давление остается практически постоянным. Сжигание в замкнутом сосуде связано с ростом давления.

Движение газов при горении
Расширение газов в пламени (по закону Гей-Люссака) приводит к тому, что горение всегда сопровождается движением газов. Обозначим через ρг – плотность исходной среды,

Факторы ускорения горения
Различные режимы дефлаграционного горения отличаются только ско-ростью распространения пламени в связи с неодинаковым развитием повер-хности фронта пламени. Горение первоначально н

Условия возникновения взрыва
Как мы выяснили ранее, взрывом называется химическое или физиче-ское превращение вещества, сопровождающееся крайне быстрым переходом его энергии в энергию сжатия и движения исходны

Ударные волны в инертном газе
Ударное сжатие.При любом резком повышении давления в газе или жидкости возникает волна сжатия – ударная волна. Она распространяется по сжимаемой среде, переводя ее

Воспламенение при быстром сжатии
Горючая среда может воспламеняться не только при введении в нагре-тый сосуд. Возможен и другой режим воспламенения, уже не самопроизволь-ного, а вынужденного – при нагревании горючей среды в сосуде

Возникновение детонации
Ускорение горения в трубах. Для возникновения детонации необходи-ма сильная ударная волна, в которой происходит достаточное нагревание взрывчатой среды. Така

Стационарный режим распространения детонации
Достаточно сильная ударная волна может вызвать воспламенение на-гретой ею взрывчатой среды. Однако горение, вызванное одиночным импуль-сом сжатия, может быть нестационарным. При оди

Вырождение детонации
Концентрационные пределы детонации. Тепловые потери из зоны реакции детонационной волны в стенках приводят к отклонениям от зако-номерностей детонации, изложенных в

Горючее Воздушные смеси Кислородные смеси
СН4 4,1 0,35 Н2 0,80 0,30 С2Н2 0,85 0,08 Шероховатости стенок трубы могут о

Концентрационные пределы распространения пламени
Из теории горения следует, что по мере понижения содержания недос-тающего компонента горючей смеси, а с ним и температуры горения, умень-шается нормальная скорость пламени. Изложенн

Затухание пламени в узких каналах
Если в затухании пламени главную роль играет теплоотвод излучением, который определяет пределы распространения пламени, то для быстрогоря-щих газовых смесей радиационные потери малы

Механизм флегматизации взрывоопасных смесей
Достаточно широко используется метод обеспечения взрывобезопасно-сти, основанный на снижении концентрации горючего меньшей нижнего концентрационного предела. Для его объя

4.3. Диффузионное и кинетическое горение.

По степени подготовки горючей смеси различают диффузионное и ки-нетическое горение.

Рассмотренные виды горения (кроме взрывчатки) относятся к диффу-зионному горению. Пламя, т.е. зона горения смеси горючего с воздухом, для обеспечения устойчивости должна постоянно подпитываться горючим и ки-слородом воздуха. Поступление горючего газа зависит только от скорости его подачи в зону горения. Скорость поступления горючей жидкости зависит от интенсивности ее испарения, т.е. от давления паров над поверхностью жидкости, а, следовательно, от температуры жидкости. Температурой вос-пламенения называется наименьшая температура жидкости, при которой пламя над ее поверхностью не погаснет.

Горение твердых веществ отличается от горения газов наличием стадии разложения и газификации с последующим воспламенением летучих продук-тов пиролиза.

Пиролиз – это нагрев органических веществ до высоких температур без доступа воздуха. При этом происходит разложение, или расщепление, сложных соединений на более простые (коксование угля, крекинг нефти, су-хая перегонка дерева). Поэтому сгорание твердого горючего вещества в про-дукт горения не сосредоточено только в зоне пламени, а имеет многостадий-ный характер.

Нагрев твердой фазы вызывает разложение и выделение газов, которые воспламеняются и сгорают. Тепло от факела нагревает твердую фазу, вызы-вая ее газификацию и процесс повторяется, таким образом поддерживая го-рение.

Модель горения твердого вещества предполагает наличие следующих фаз (рис. 17):

Рис. 17. Модель горения

твердого вещества.

прогрева твердой фазы. У плавящихся веществ в этой зоне происхо-дит плавление. Толщина зоны зависит от температуры проводности вещест-ва;

пиролиза, или реакционной зоны в твердой фазе, в которой образу-ются газообразные горючие вещества;

предпламенной в газовой фазе, в которой образуется смесь с окисли-телем;

пламени, или реакционной зоны в газовой фазе, в которой превраще-ние продуктов пиролиза в газообразные продукты горения;

продуктов горения.

Скорость подачи кислорода в зону горения зависит от его диффузии через продукт горения.

В общем, поскольку скорость химической реакции в зоне горения в рассматриваемых видах горения зависти от скорости поступления реаги-рующих компонентов и поверхности пламени путем молекулярной или кине-тической диффузии, этот вид горения и называют диффузионным .

Структура пламени диффузионного горения состоит из трех зон (рис.18):

В 1 зоне находятся газы или пары. Горение в этой зоне не происходит. Температура не превышает 500 0 С. Происходит разложение, пиролиз летучих и нагрев до температуры самовоспламенения.

Рис. 18. Структура пламени.

Во 2 зоне образуется смесь паров (газов) с кислородом воздуха и про-исходит неполное сгорание до СО с частичным восстановлением до углерода (мало кислорода):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + Н 2 О;

В 3 внешней зоне происходит полное сгорание продуктов второй зоны и наблюдается максимальная температура пламени:

2CO+O 2 =2CO 2 ;

Высота пламени пропорциональна коэффициенту диффузии и скорости потока газов и обратно пропорциональна плотности газа.

Все виды диффузионного горения присущи пожарам.

Кинетическим горением называется горение заранее перемешанных горючего газа, пара или пыли с окислителем. В этом случае скорость горения зависит только от физико-химических свойств горючей смеси (теплопровод-ности, теплоемкости, турбулентности, концентрации веществ, давления и т.п.). Поэтому скорость горения резко возрастает. Такой вид горения присущ взрывам.

Вданном случае при поджигании горючей смеси в какой-либо точке фронт пламени движется от продуктов сгорания в свежую смесь. Таким об-разом, пламя при кинетическом горении чаще всего нестационарно (рис. 19).

Рис. 19. Схема распространения пламени в горючей смеси: - источник зажигания; - направления движе-ния фронта пламени.

Хотя, если предварительно перемешать горючий газ с воздухом и подать в горелку, то при поджигании образуется стационарное пламя, при условии, что скорость подачи смеси будет равна скорости распространения пламени.

Если скорость подачи газов увеличить, то пламя отрывается от горелки и может погаснуть. А если скорость уменьшить, то пламя втянется во внутрь горелки с возможным взрывом.

По степени сгорания , т.е. полноты протекания реакции горения до ко-нечных продуктов, горение бывает полным и неполным .

Так в зоне 2 (рис.18) горение неполное, т.к. недостаточно поступает ки-слород, который частично расходуется в 3 зоне, и образуются промежуточ-ные продукты. Последние догорают в 3 зоне, где кислорода больше, до пол-ного сгорания. Наличие сажи в дыму говорит о неполном горении.

Другой пример: при недостатке кислорода углерод сгорает до угарного газа:

Если добавить O, то реакция идет до конца:

2СО+O 2 =2СО 2 .

Скорость горения зависит от характера движения газов. Поэтому раз-личают ламинарное и турбулентное горение.

Так, примером ламинарного горения может служить пламя свечи в не-подвижном воздухе. При ламинарном горении слои газов текут параллель-но, не завихряясь.

Турбулентное горение – вихревое движение газов, при котором интен-сивно перемешиваются сгорающие газы, и фронт пламени размывается. Гра-ницей между этими видами служит критерий Рейнольдса, который характе-ризует соотношение между силами инерции и силами трения в потоке:

, (4.1)

где:  - скорость газового потока;

 - кинетическая вязкость;

l – характерный линейный размер.

Число Рейнольдса, при котором происходит переход ламинарного по-граничного слоя в турбулентный называется критическим Re кр, Re кр ~ 2320.

Турбулентность увеличивает скорость горения из-за более интенсивной передачи тепла от продуктов горения в свежую смесь.

Различают гомогенное, гетерогенное и диффузионное горение. К гомогенному относится горение предварительно перемешанных газов. 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 тепломассопереноса во фронте пламени при мелкомасштабной. Турбулентному горению присуща автомодельность: турбулентные вихри увеличивают скорость горения, что приводит к увеличению турбулентности.

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 смешивания. Простейшим примером диффузионного горения является горение природного газа в газовой горелке. На пожарах реализуется режим турбулентного диффузионного горения, когда скорость горения определяется скоростью турбулентного смешивания. При этом различают макросмешение и микросмешение. Процесс турбулентного смешения включает последовательное дробление газа на все более малые объемы и перемешивание их между собой.

Гетерогенное горение происходит на поверхности раздела фаз. При этом одно из реагирующих веществ находится в конденсированном состоянии, другое (обычно кислород воздуха) поступает за счет диффузии газовой фазы. Обязательным условием гетерогенного горения является очень высокая температура кипения (или разложения) конденсированной фазы. При несоблюдении этого условия горению предшествует испарение или разложение. От поверхности в зону горения поступает поток пара или газообразных продуктов разложения, и горение происходит в газовой фазе. Развитие такого горения осуществляется за счет теплового потока от факела пламени к поверхности материала, который обеспечивает дальнейшее испарение или разложение и поступление горючего в зону горения. В подобных ситуациях возникает смешанный случай, когда реакции горения частично протекают гетерогенно − на поверхности конденсированной фазы, частично гомогенно − в объеме газовой смеси.

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 объёме.

Горение газов

Для описания процессов горения обычно используется термин нормальная скорость пламени , который характеризует скорость обычного фронта пламени в неподвижной газовой смеси. В реальных условиях горения пламя всегда существует в движущихся потоках.

Поведение пламени в таких условиях подчиняется двум законам:

– первый из них устанавливает, что составляющая скорости газового потока v по нормали к фронту пламени, распространяющегося по непод-

вижной смеси, равна нормальной скорости распространения пламени и , деленной на cos :

v = u/ cos φ, (1.2)

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

Этот закон применим только к плоскому пламени. Обобщение его на реальный случай с искривлением фронта пламени дает формулировку второго закона − закона площадей.

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 U .Тогда объём горючей смеси, сгорающей в единицу времени , составит

ω = U · S. (1.3)

С другой стороны, в соответствии с балансом исходного газа этот же объём равен

ω = v ∙ ε. (1.4)

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

v = U · S/ε. (1.5)

В системе отсчёта, в которой фронт пламени перемещается по неподвижной газовой смеси, соотношение (1.5) означает, что пламя распространяется относительно газа со скоростью v. Формула (1.5) 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.

Из закона площадей следует, что турбулентность увеличивает скорость горения. На пожарах это выражается сильной интенсификацией процесса распространения пламени. Различают два вида турбулентного горения: горение однородной газовой смеси и микродиффузионное турбулентное горение. В свою очередь, при горении однородной смеси в режиме турбулентного горения возможны два случая: возникновение мелкомасштабной и крупномасштабной турбулентности. Такое разделение производится в зависимости от соотношения масштаба турбулентности и толщины фронта пламени. При масштабе турбулентности, меньшем толщины фронта пламени, ее относят к мелкомасштабной, при большем −
к крупномасштабной. Механизм действия мелкомасштабной турбулентности обусловлен интенсификацией процессов горения за счёт ускорения процессов тепломассопереноса в зоне пламени. Наибольшие скорости горения наблюдаются при крупномасштабной турбулентности. В этом случае возможны два механизма ускорения горения: поверхностный и объёмный.

Одним из видов горения газов является дефлаграционное горение . Состав горючих смесей может быть различным. В общем случае содержание горючего компонента может колебаться от нуля до ста процентов, однако, не все смеси горючего и окислителя способны распространять пламя. Распространение возможно лишь в определённом интервале концентраций. При зажигании смесей, состав которых выходит за эти пределы, реакция горения, инициированная зажигающим импульсом, затухает на небольшом расстоянии от места зажигания. Для смесей горючего и окислителя, находящихся в газообразном состоянии, существуют минимальная и максимальная концентрации горючего, которые ограничивают область горючих смесей. Эти концентрации называются соответственно нижним и верхним концентрационными пределами распространения пламени. Вне пределов распространение пламени по данной смеси невозможно. Рассмотрим причины, обусловливающие наличие предельных условий распространения пламени по газовым смесям. В начальный момент инициирования горения (искрой, накаленным телом или открытым пламенем) в горючей смеси возникает зона высокой температуры, из которой тепловой поток будет направлен в окружающее пространство. Часть тепла поступает в свежую (еще не сгоревшую) смесь, другая часть − в продукты горения. Если поток тепла в свежую смесь недостаточен для возбуждения в ней реакции горения, первоначальный очаг пламени затухает.

Таким образом, наличие пределов распространения пламени по газовым смесям объясняется теплопотерями из зоны реакции. Детонацией называется процесс превращения горючей смеси или взрывчатого вещества, сопровождающийся выделением теплоты и распространяющийся с постоянной скоростью, превышающей скорость распространения звука в данной смеси или веществе.

В отличие от дефлаграционного горения, где распространение пламени обусловлено относительно медленными процессами диффузии и теплопроводности, детонация представляет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за её фронтом зоны химического превращения. Благодаря резкому повышению температуры и давления за фронтом ударной волны химическое превращение исходных веществ в продукты горения протекает чрезвычайно быстро в очень тонком слое, непосредственно прилегающем к фронту ударной волны (рис. 1.2).

Продукты Химической реакции

Рис. 1.2. Схема детонационной волны

Ударная волна сжимает и нагревает горючую смесь (или взрывчатое вещество), вызывая химическую реакцию, продукты которой сильно расширяются – происходит взрыв. Энергия, выделяющаяся в результате химического превращения, поддерживает существование ударной волны, не давая ей затухать. Скорость перемещения детонационной волны постоянна для каждой горючей смеси ивзрывчатого вещества и достигает
1000–3000 м/с в газовых смесях и 8000–9000 м/с – в конденсированных взрывчатых веществах (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Скорость детонации некоторых горючих смесей
и взрывчатых веществ

Окончание табл. 1.1

Давление во фронте ударной волны при детонации газовых смесей достигает 1–5 МПа (10–50 атм.), а конденсированных веществ − 10 ГПа.
В газообразных горючих смесях распространение детонации возможно только при условиях, когда концентрация горючего газа (или паров горючей жидкости) находится в определенных пределах, зависящих от химической природы горючей смеси, давления и температуры. Например, в смеси водорода с кислородом при комнатной температуре и атмосферном давлении детонационная волна способна распространяться, если концентрация водорода находится в пределах от 20 до 90 % об.

Переход дефлаграционного горения в детонацию в газовоздушных смесях возможен в следующих случаях:

● при обогащении горючей смеси кислородом;

● при очень больших размерах газовых облаков;

● при наличии турбулизаторов горения.

В горючих облаках достаточно больших размеров неизбежен переход от дефлаграционного горения к детонации, при этом аналитическая оценка приводит к следующим критическим размерам облаков, при которых вероятность возникновения детонации высока: для водорода воздушных смесей − 70 м, для пропановоздушных − 3500 м, для метановоздушных − 5000 м. Турбулизация процесса горения газовых смесей с помощью различных препятствий по пути распространяющегося пламени приводит к существенному сокращению критических размеров газовых облаков, и возникающая в этом случае детонационная волна становится источником возбуждения детонации в неограниченном пространстве.

Похожая информация.

При горении твердого топлива самой химической реакции предшествует процесс подвода окислителя к реагирующей поверхности. Следовательно, процесс горения твердого топлива является сложным гетерогенным физико-химическим процессом, состоящим из двух стадий: подвода кислорода к поверхности топлива турбулентной и молекулярной диффузией и химической реакции на ней.

Рассмотрим общую теорию гетерогенного горения на примере горения сферической частицы углерода, принимая следующие условия. Концентрация кислорода по всей поверхности частицы одинакова; скорость реагирования кислорода с углеродом пропорциональна концентрации кислорода у поверхности, т. е. имеет место реакция первого порядка, что для гетерогенных процессов наиболее вероятно; реакция протекает на поверхности частицы с образованием конечных продуктов сгорания, а вторичные реакции в объеме, а также и на поверхности частицы отсутствуют.

В такой упрощенной обстановке скорость горения углерода можно представить зависящей от скорости двух основных его стадий, а именно от скорости подвода кислорода к межфазщш поверхности и от скорости самой химической реакции, протекающей на поверхности частицы. В результате взаимодействия этих процессов наступает динамически, равновесное состояние между количеством доставляемого диффузией и расходуемого на химическое реагирование кислорода при определенной величине его концентрации на поверхности углерода.

Скорость химической реакции /(°2 г кислорода/(см2-с), определяемая

Как количество кислорода, потребляемого единицей реакционной поверхности за единицу времени, может быть выражена в следующем виде:

В уравнении:

К - константа скорости химической реакции;

Св - концентрация кислорода у поверхности частицы.

С. другой стороны, скорость горения равна удельному потоку ки

Слорода к реагирующей поверхности, доставляемого диффузией:

К°" = ад(С, - С5). (15-2)

В уравнении:

Ад--коэффициент диффузионного обмена;

Со - концентрация кислорода в потоке, в котором сгорает частица углерода.

Подставив значение Св, найденное из уравнения (15-1), в уравнение (15-2), получим следующее выражение для скорости гетерогенного горения через количество кислорода, потребляемого единицей поверхности частицы за единицу времени:

" . С° , ■’ (15-3)

Обозначая через

Ккаж - - Ц - , (15-4)

Можно выражение (15-3) представить в виде

/<°’ = /СкажС„. (15-5)

По своей структуре выражение (15-5) подобно кинетическому уравнению (15-1) реакции первого порядка. В ней константа скорости реакции "£ заменена коэффициентом Ккаж, который зависит как от реакционных - свойств горючего, так и от закономерностей переноса и поэтому назван кажущейся константой скорости горения твердого углерода.

Скорость химических реакций горения зависит от природы топлива и физических условий: концентрации реагирующего газа на поверхности, температуры и давления. Температурная зависимость скорости химической"реакции является наиболее сильной. В области низких температур скорость химической реакции мала и по потреблению кислорода во много; раз меньше скорости, с которой кислород может быть доставлен диффузией. Процесс горения ограничивается скоростью самой химической реакции и не зависит от условий подвода кислорода, т. е. скорости воздушного потока, размера частиц и т. д. Поэтому эта область протекания гетерогенного горения называется кинетической.

В кинетической области горения ад>-£, поэтому в формуле (15-3) величиной 1/ад можно пренебречь по сравнению с 1/& и тогда получим:

К°32 = кС0. (15-6)

Равновесие между количеством доставляемого диффузией и расходуемого на реакцию кислорода устанавливается при малом градиенте его концентрации, благодаря чему величина концентрации кислорода на реакционнной поверхности мало отличается от его значения в потоке. При высоких температурах кинетическое горение может наступать при больших скоростях воздушного потока и малых размерах частиц топлива, т. е. при таком улучшении условий подвода кисловода, когда последний может быть доставлен в значительно большем количестве "по сравнению с потребностью химической реакции.

Различные области протекания гетерогенного горения графически изображены на рис. 15-1. Кинетическая область I характеризуется кривой 1, которая показывает, что с ростом температуры скорость горения резко возрастает согласно закону Аррениуса.

При некоторой температуре скорость химической реакции становится соизмеримой со скоростью доставки кислорода к реакционной поверхности и тогда скорость горения становится зависящей не только от скорости химической реакции, но и от скорости доставки кислорода. В этой области, называемой промежуточной (рис. 15-1, область II, кривая 1-2), скорости протекания этих двух стадий соизмеримы, ни одной из них нельзя пренебречь и поэтому скорость процесса горения определяется формулой (15-3). С увеличением температуры скорость горения увеличивается, но в меньшей степени, чем в кинетической области, причем рост ее постепенно замедляется и, наконец, достигает своего максимума при переходе в диффузную область (рис. 15-1, область III, кривая 2-3), оставаясь далее не зависящей от температуры. При более высоких температурах в этой области скорость химической реакции настолько возрастает, что доставляемый диффузией кислород мгновенно вступает в химическую реакцию, в результате чего концентрация кислорода на поверхности становится практически равной нулю. В формуле (15-3) можно пренебречь значением 1/& по сравнению с 1/ад, тогда получим, что скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к реакционной поверхнрсти, т. е.

И поэтому эта область горения называется диффузионной. В диффузионной области скорость горения практически не зависит от свойств топлива и температуры. Влияние температуры сказывается лишь на изменении физических констант. В этой области на скорость горения сильно влияют условия доставки кислорода, а именно гидродинамические факторы: относительная скорость газового потока и размер частиц топлива. С увеличением скорости газового потока и уменьшением размера частиц, т. е, с ускорением доставки кислорода, скорость диффузионного горения увеличивается.

В процессе горения устанавливается динамическое равновесие между химическим процессом потребления кислорода и диффузионным процессом его доставки при определенной величине концентрации кислорода у реакционной поверхности. Концентрация кислорода у поверхности частицы зависит от соотношения скоростей этих двух процессов, при преобладании скорости диффузии она будет приближаться к концентрации в потоке, повышение же скорости химической реакции вызывает ее понижение.

Процесс горения, протекающий в диффузионной области, может перейти в промежуточную (кривая 1"-2") или даже в кинетическую область при усилении диффузии, например, при повышении скорости потока или уменьшении размера частицы.

Таким образом, при увеличении скорости газового потока и при переходе к мелким частицам процесс сдвигается в сторону кинетического горения. Рост температуры сдвигает процесс в сторону диффузионного горения (рис. 15-1, кривая 2"-3").

Протекание гетерогенного горения в той или иной области для какого-либо частного случая зависит от данных конкретных условий. Основной задачей исследования процесса гетерогенного горения является установление областей протекания горения и выявление количественных закономерностей для каждой области.

Гомогенное и гетерогенное горение.

По степени подготовки горючей смеси различают диффузионное и ки-нетическое горение.

Модель горения твердого вещества предполагает наличие следующих фаз (рис. 17):

Рис. 17. Модель горения

твердого вещества.

Прогрева твердой фазы. У плавящихся веществ в этой зоне происхо-дит плавление. Толщина зоны зависит от температуры проводности вещест-ва;

Пиролиза, или реакционной зоны в твердой фазе, в которой образу-ются газообразные горючие вещества;

Предпламенной в газовой фазе, в которой образуется смесь с окисли-телем;

Пламени, или реакционной зоны в газовой фазе, в которой превраще-ние продуктов пиролиза в газообразные продукты горения;

Продуктов горения.

Скорость подачи кислорода в зону горения зависит от его диффузии через продукт горения.

Структура пламени диффузионного горения состоит из трех зон (рис.18):

Рис. 18. Структура пламени.

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + Н 2 О;

2CO+O 2 =2CO 2 ;

Все виды диффузионного горения присущи пожарам.

Кинетическим горением называется горение заранее

перемешанных горючего газа, пара или пыли с окислителем. В этом случае скорость горения зависит только от физико-химических свойств горючей смеси (теплопроводности, теплоемкости, турбулентности, концентрации веществ, давления и т.п.). Поэтому скорость горения резко возрастает. Такой вид горения присущ взрывам.

В данном случае при поджигании горючей смеси в какой-либо точке фронт пламени движется от продуктов сгорания в свежую смесь. Таким об-разом, пламя при кинетическом горении чаще всего нестационарно (рис. 19).

Другой пример: при недостатке кислорода углерод сгорает до угарного газа:

Если добавить O, то реакция идет до конца:

2СО+O 2 =2СО 2 .

Скорость горения зависит от характера движения газов. Поэтому раз-личают ламинарное и турбулентное горение.

где: u - скорость газового потока;

n - кинетическая вязкость;

l – характерный линейный размер.