Понятие о кинетическом и диффузионном горении. Кинетическое и диффузионное горение газов Смотреть что такое "диффузионное горение" в других словарях

Структура диффузионного факела пламени над поверхностью горючей жидкости, механизм и скорость его распространения.

Структура диффузионного факела пламени над зеркалом горючей жидкости примерно такая же. Разница только в том, что поступающие с поверхности жидкости горючие пары не имеют такого начального запаса кинетической энергии, как струя газа, и до воспламенения смешиваются с окружающей газовой средой не за счет кинетической энергии втекающего газового потока, а более медленно по механизму конвективной и молекулярной диффузии. Но если к образовавшейся паровоздушной смеси подвести источник зажигания, то возникнет факел пламени, который изменит соотношение газовых и тепловых потоков над зеркалом жидкости: горячие продукты сгорания, как более легкие, устремятся вверх, а на их место из окружающего пространства поступит свежий холодный воздух, который приведет к разбавлению паров горючей жидкости. От факела пламени к зеркалу жидкости поступит лучистый поток тепловой энергии, который пойдет на нагревание поверхностных слоев жидкости и по мере их разогрева интенсифицирует процесс ее испарения.

Если жидкость до воспламенения имела температуру, значительно превышающую температуру воспламенения, то горение жидкости над резервуаром или пролитой жидкостью интенсифицируется, прогрессирует, размер факела пламени будет расти. Соответственно, увеличивается интенсивность лучистого теплового потока к поверхности жидкости, интенсифицируется процесс испарения, возрастает интенсивность конвективного газового потока вокруг факела пламени, оно будет сильнее поджиматься с боков, принимая форму конуса, увеличивающегося в размере. При дальнейшем горении пламя переходит в турбулентный режим горения, и будет расти до тех пор, пока не установится режим теплового и газодинамического равновесия. Максимальная температура турбулентного диффузионного пламени большинства ЛВЖ не превышает 1250-1350°С.

Распространение горения по поверхности зеркала жидкости зависит от скорости образования горючей смеси по механизму молекулярной и конвективной диффузии. Поэтому для жидкостей с температурой ниже температуры воспламенения эта скорость менее 0,05 м/с, а для жидкостей нагретых выше температуры воспламенения достигает 0,5 м/с и более.

Таким образом, скорость распространения пламени по поверхности горючей жидкости зависит в основном от ее температуры.

Если температура жидкости равна или выше температуры воспламенения, возможно возникновение горения. Вначале над поверхностью жидкости устанавливается небольшое пламя, которое затем быстро увеличивается по высоте и через небольшой промежуток времени достигает максимальной величины. Это говорит о том, что между зоной горения и поверхностью жидкости установился определенный тепломассообмен. Передача тепла из зоны горения поверхностному слою жидкости осуществляется лучеиспусканием и теплопроводностью через стенки емкости. Конвективный поток отсутствует, так как поток паров в факеле направлен верх, т.е. от поверхности менее нагретой к поверхности более нагретой. Количество тепла, передаваемое жидкости от зоны горения, непостоянно и зависит от температуры факела, прозрачности пламени, его формы и т.д.

Жидкость получает часть тепла от стенки резервуара. Эта часть тепла может быть значительной, когда уровень жидкости в резервуаре низок, а также когда пламя омывает наружную стенку резервуара. Тепло, воспринимаемое жидкостью, в большей части расходуется на испарение и нагревание ее, и некоторое количество тепла теряется жидкостью в окружающую среду:

Q = q 1 + q 2 + q 3

где Q - количество тепла, получаемое жидкостью от пламени, кДж/ (м 2 -с);

q 1 - количество тепла, теряемое жидкостью в окружающую среду, кДж/ (м 2 -с);

q 2 - количество тепла, расходуемое на парообразование жидкости, кДж/ (м 2 с);

qз - количество тепла, расходуемое на нагревание жидкости, кДж/ (м 2 -с).

Если диаметр резервуара достаточно велик, то величиной q1 по сравнению с q 2 и q 3 можно пренебречь:

Q = q 2 + q 3 = rlс + cpс (T-T 0) u.

Где r - теплота испарения жидкости, кДж/кг;

Ср - теплоемкость жидкости, кДж/ (кг К);

р - плотность жидкости, мг/м 3 ;

Т - температура на поверхности жидкости, К;

Т 0 -начальная температура жидкости К;

u - скорость роста нагретого слоя жидкости, м/с;

l - линейная скорость выгорания жидкости, м/с.

Если горит индивидуальная жидкость, то состав ее паровой фазы не отличается от состава жидкой. Если же горит жидкость сложного состава (смесь), то в верхнем слое ее происходит фракционная перегонка и состав шаровой фазы отличается от состава жидкой фазы. К таким смесям относятся нефть и все нефтепродукты. При их горении происходит испарение в большей степени легкокипящих фракций, в результате чего жидкая фаза изменяет свой состав, а вместе с этим давление паров, удельный вес, вязкость и другие свойства. В табл.3.1 показано изменение свойств карачухурской нефти в поверхностном слое при горении ее в резервуаре диаметрам 1,4 м.

Таблица 1.11.1

Изменение свойств карачухурской нефти в процессе горения

Согласно табл.1.11.1 за счет выгорания легкокипящих фракций плотность остающегося продукта увеличивается. То же происходит с вязкостью, температурой вспышки, содержанием смол и температурой кипения. Только содержание влаги по мере выгорания нефти уменьшается. Интенсивность изменения этих свойств при горении в резервуарах различного диаметра не одинакова. В резервуарах большого диаметра в силу увеличения конвективности и толщины слоя жидкости, участвующего в перемешивании, скорость изменения этих свойств уменьшается. Изменение фракционного состава нефтепродуктов, происходящее в верхнем слое, приводит постепенно к изменению слоя в толще прогретого нефтепродукта.

Если воспользоваться первым законом Д.П. Коновалова, то вывод о горении смесей можно сформулировать следующим образом: смесь двух жидкостей обогащается во время горения тем компонентам, прибавление которого к жидкости понижает давление пара над ней (или повышает температуру кипения). Этот вывод справедлив и для смесей, в которых число компонентов больше двух.

При горении смесей легковоспламеняющихся и некоторых горючих жидкостей с водой в результате фракционной перегонки процент воды в жидкой фазе все время увеличивается, что ведет к увеличению удельного веса горящей смеси. Это явление характерно для смесей, в которых горючий компонент имеет температуру кипения ниже температуры кипения воды (метиловый, этиловый спирты, диэтиловый эфир, ацетон и др.). При длительном горении таких жидких смесей вследствие увеличения воды в них наступает момент, когда горение прекращается, хотя не вся смесь еще выгорела.

Смесь горючих жидкостей с водой, когда температура кипения жидкости выше температуры кипения воды, ведет себя в процессе горения несколько иначе. Процент воды в жидкой фазе не увеличивается, а уменьшается. В результате этого смесь выгорает полностью. Так горит смесь уксусной кислоты с водой.

При горении нефтепродуктов температура кипения их (см. табл.1.11.1) постепенно повышается в силу происходящей фракционной перегонной, в связи с чем повышается и температура верхнего слоя. На рис.1.11.1 показано изменение температуры на поверхности

Рис.1.11.1

При низких температурах жидкости существенную роль при распространении пламени играет передача тепла от пламени к жидкости. Пламя подогревает прилегающую к нему поверхность жидкости, давление паров над ней возрастает, образуется горючая смесь, которая воспламенившись сгорает.

Переместившееся пламя подогревает следующий участок поверхности жидкости, и так далее.

Зависимость скорости перемещения пламени по поверхности жидкости от температуры показана на рис 1.11.2.

При температуре жидкости ниже температуры вспышки скорость перемещения пламени мала.

Она возрастает по мере повышения температуры жидкости и становится одинаковой со скоростью распространения пламени по паровоздушной смеси при температуре жидкости выше температуры вспышки.

Рис.1.11.2 Изменение скорости перемещения пламени по поверхности жидкостей в зависимости от температуры: 1-изоамиловый спирт, 2 - бутиловый спирт, 3 - этиловый спирт, 4 - толуол

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.

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.

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).

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:

где: u - скорость газового потока;

n - 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.

В процессе горения наблюдаются две стадии: создание молекулярного контакта между горючим и окислителем (физическая) и взаимодействие молекул с образованием продуктов реакции (химическая). Вторая стадия наступает только при условии достижения молекулами энергетически или химически возбужденного (активного) состояния. Возбуждение, или активизация молекул при горении происходит за счет их нагревания.

Время полного сгорания единицы массы любого вещества t г складывается из времени, необходимого для возникновения физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха t ф (в случае гомогенного горения величина t ф называется временем смесеобразования, а в случае гетерогенного – временем диффузии кислорода из воздуха к твердой поверхности горения) и времени протекания самой химической реакции горения t х , то есть t г =t ф +t х . В зависимости от соотношения t ф и t х различают диффузионное и кинетическое горение.

При горении химически неоднородных горючих систем кислород воздуха диффундирует сквозь продукты сгорания к горючему веществу и затем вступает с ним в химическую реакцию. Время t ф значительно больше t х и практически t г @ t ф. Такое горение называется диффузионным.

Если время t ф <, то можно принять t г @ t х . Такое горение называется кинетическим. Так горят химически однородные горючие системы, в которых молекулы кислорода равномерно перемешаны с молекулами горючего вещества, и не затрачивается время на смесеобразование.