20 arderea a ceea ce substanţe se numeşte eterogene. Arderea omogenă

Fenomenele fizice enumerate în secțiunea precedentă se observă într-o mare varietate de procese, care diferă atât prin natura reacțiilor chimice, cât și prin starea de agregare a substanțelor implicate în ardere.

Există arderi omogene, eterogene și de difuzie.

Arderea omogenă se referă la arderea gazelor preamestecate. Numeroase exemple de ardere omogenă sunt procesele de ardere a gazelor sau vaporilor în care agentul oxidant este oxigenul atmosferic: arderea amestecurilor de hidrogen, a amestecurilor de monoxid de carbon și hidrocarburi cu aerul. În cazuri practic importante), condiția de amestecare preliminară completă nu este întotdeauna îndeplinită. Prin urmare, combinațiile de ardere omogenă cu alte tipuri de ardere sunt întotdeauna posibile.

Arderea omogenă poate fi implementat în două moduri: laminar și turbulent. Turbulența accelerează procesul de ardere datorită fragmentării frontului de flăcări în fragmente separate și, în consecință, creșterii zonei de contact a substanțelor care reacţionează în timpul turbulențelor la scară mare sau accelerării proceselor de transfer de căldură și masă în frontul de flăcări în timpul micului turbulențe de scară. Arderea turbulentă se caracterizează prin auto-similaritate: vârtejurile turbulente măresc viteza de ardere, ceea ce duce la o creștere a turbulenței.

Toți parametrii arderii omogene apar și în procesele în care agentul de oxidare nu este oxigenul, ci alte gaze. De exemplu, fluor, clor sau brom.

În timpul incendiilor, cele mai frecvente procese sunt arderea prin difuzie. În ele, toate substanțele care reacţionează sunt în fază gazoasă, dar nu sunt preamestecate. În cazul arderii lichidelor solide, procesul de oxidare a combustibilului în fază gazoasă are loc concomitent cu procesul de evaporare a lichidului (sau descompunerea materialului solid) și cu procesul de amestecare.

Cel mai simplu exemplu de ardere prin difuzie este arderea gazelor naturale în arzator pe gaz. În incendii se realizează regimul de ardere cu difuzie turbulentă, când viteza de ardere este determinată de viteza amestecării turbulente.

Se face o distincție între macroamestecare și microamestecare. Procesul de amestecare turbulentă implică fragmentarea secvențială a gazului în volume din ce în ce mai mici și amestecarea acestora între ele. În ultima etapă, amestecarea moleculară finală are loc prin difuzie moleculară, a cărei rată crește pe măsură ce scara fragmentării scade. La finalizarea macroamestecării, viteza de ardere este determinată de procese de microamestecare în volume mici de combustibil și aer.

La interfață are loc arderea eterogenă. În acest caz, una dintre substanțele care reacţionează este în stare condensată, cealaltă (de obicei oxigenul atmosferic) intră din cauza difuziei în fază gazoasă. O condiție prealabilă pentru arderea eterogenă este un punct de fierbere foarte ridicat (sau descompunere) al fazei condensate. Dacă această condiție nu este îndeplinită, arderea este precedată de evaporare sau descompunere. Un flux de abur sau produși de descompunere gazoasă intră în zona de ardere de la suprafață, iar arderea are loc în faza gazoasă. O astfel de ardere poate fi clasificată ca difuzie cvasi-eterogenă, dar nu complet eterogenă, deoarece procesul de ardere nu mai are loc la limita de fază. Dezvoltarea unei astfel de arderi se realizează datorită fluxului de căldură de la flacără la suprafața materialului, care asigură o evaporare sau descompunere ulterioară și fluxul de combustibil în zona de ardere. În astfel de situații, apare un caz mixt atunci când reacțiile de ardere au loc parțial eterogen - pe suprafața fazei condensate și parțial omogen - în volumul amestecului de gaze.

Un exemplu de ardere eterogenă este arderea pietrei și cărbune. Când aceste substanțe ard, apar două tipuri de reacții. Unele tipuri de cărbune eliberează componente volatile atunci când sunt încălzite. Arderea unor astfel de cărbuni este precedată de descompunerea lor termică parțială cu eliberarea de hidrocarburi gazoase și hidrogen, care ard în fază gazoasă. În plus, în timpul arderii carbonului pur, se poate forma monoxid de carbon CO, care se arde în volum. Cu suficient aer în exces și temperatură ridicată Pe suprafața cărbunelui, reacțiile volumetrice au loc atât de aproape de suprafață încât, la o anumită aproximare, acest lucru dă motive să se considere un astfel de proces eterogen.

Un exemplu de ardere cu adevărat eterogenă este arderea metalelor refractare nevolatile. Aceste procese pot fi complicate de formarea de oxizi care acoperă suprafața de ardere și împiedică contactul cu oxigenul. Dacă există o diferență mare în proprietățile fizice și chimice între metal și oxidul său în timpul procesului de ardere, filmul de oxid se crapă și este asigurat accesul oxigenului în zona de ardere.

Pe baza exemplelor luate în considerare, în funcție de starea de agregare a amestecului de combustibil și oxidant, i.e. în funcție de numărul de faze din amestec, există:

1. Arderea omogenă gaze și vapori de substanțe inflamabile într-un mediu oxidant gazos. Astfel, reacția de ardere are loc într-un sistem format dintr-o fază (stare agregată).

2. Arderea eterogenă substanțe solide inflamabile într-un mediu oxidant gazos. În acest caz, reacția are loc la interfață, în timp ce o reacție omogenă are loc pe tot volumul.

Aceasta este arderea metalelor, grafitului, adică. materiale practic nevolatile. Multe reacții cu gaze sunt de natură omogen-eterogenă, atunci când posibilitatea apariției unei reacții omogene se datorează originii unei reacții simultan eterogene.

Arderea tuturor substanțelor lichide și a multor substanțe solide, din care se eliberează vapori sau gaze (substanțe volatile), are loc în fază gazoasă. Fazele solide și lichide joacă rolul de rezervoare de produse care reacţionează.

De exemplu, reacția eterogenă de ardere spontană a cărbunelui trece în faza omogenă de ardere a substanțelor volatile. Reziduul de cocs arde heterogen.

Sfârșitul lucrării -

Acest subiect aparține secțiunii:

Fundamentele teoretice ale arderii și exploziei

În și dialecte în dulgheri și în karatay.. bazele teoretice ale arderii și exploziei..

Dacă aveți nevoie de material suplimentar pe această temă, sau nu ați găsit ceea ce căutați, vă recomandăm să utilizați căutarea în baza noastră de date de lucrări:

Ce vom face cu materialul primit:

Dacă acest material ți-a fost util, îl poți salva pe pagina ta de pe rețelele sociale:

Tweet

Toate subiectele din această secțiune:

Proprietățile gazelor
Ecuația de bază a teoriei cinetice a gazelor are forma: , (2.1) unde: WK

Proprietățile amestecurilor de gaze
Când se iau în considerare amestecurile de gaze, se adaugă următoarele concepte: „concentrație” și „presiune parțială”.

1. Concentrația în greutate Ci a gazului i-lea inclus în
Presiune și volum parțial

Presiunea este forța care acționează asupra unei unități de suprafață. Este direct proporțională cu numărul de molecule care se ciocnesc de această suprafață. Presiunea depinde nu numai de numărul de molecule, ci și de viteza și
Proprietățile lichidelor

Până acum am luat în considerare gazele. Dar aceeași substanță, în funcție de relația dintre energia cinetică medie și energia potențială medie a particulelor, poate fi în aceeași
Proprietățile gazelor lichefiate

Lichefierea gazelor se realizează prin răcirea lor sub punctul de fierbere. Metoda industrială de lichefiere a gazelor se bazează pe utilizarea efectului pozitiv Joule-Thompson, adică.
Proprietățile solidelor Foarte mare solid

duce la topire și trecerea la o stare lichidă, iar apoi, la evaporare, la un gaz. Un număr de solide pot trece direct din faza solidă la g
Chimia reacțiilor de ardere

După cum ați înțeles deja, arderea este o reacție chimică care curge rapid, însoțită de eliberarea de căldură și strălucire (flacără). De obicei, aceasta este o reacție oxidativă exotermă
Efectul termic al reacției

Faptul că fiecare substanță individuală conține o anumită cantitate de energie explică efectele termice ale reacțiilor chimice.
Conform legii lui Hess: efect termic Baza cinetică a reacțiilor gazelor

Conform legii acțiunii masei, viteza de reacție la o temperatură constantă este proporțională cu concentrația substanțelor care reacţionează sau, după cum se spune, „masele care acționează”.
Viteză

reacție chimică
Energia de activare a reacției

Pentru a explica acest fenomen, se folosește adesea următorul exemplu (Fig. 9): O minge se află pe platformă. Site-ul este situat în fața toboganului. Prin urmare, mingea s-ar putea rostogoli singură
Cataliză

Pe lângă creșterea temperaturii și concentrației substanțelor, catalizatorii sunt utilizați pentru a accelera reacția chimică, adică. substanțe care sunt introduse în amestecul de reacție,
In functie de starea de agregare a substantei combustibile se distinge arderea gazelor, lichidelor, solidelor prafoase si compacte.

Conform GOST 12.1.044-89: 1.
Difuzie și ardere cinetică

Pe baza gradului de preparare a amestecului combustibil se disting difuzia si arderea cinetica.
Tipurile de ardere luate în considerare (cu excepția explozivilor) se referă la arderea prin difuzie. Flacără,

Arderea normală
În funcție de viteza de propagare a flăcării în timpul arderii cinetice, fie arderea normală (în interval de câțiva m/s) fie deflagrația explozivă (

Combustie prin deflagrație (explozivă).
Arderea normală este instabilă și tinde să se auto-accelereze într-un spațiu închis. Motivul pentru aceasta este curbura frontului flăcării din cauza frecării gazului împotriva pereților vasului și modificări

Indicatori generali pentru substanțele inflamabile și tipurile de ardere
Indicatorii generali pentru orice substanțe și tipuri de ardere sunt: ​​1) Grupul de inflamabilitate este capacitatea unei substanțe sau a unui material de a arde. În funcție de inflamabilitatea substanțelor și materialelor

Și amestecuri de praf-aer
Indicatorii pericolului de explozie și incendiu ai gazelor, vaporilor de lichid și amestecurilor de praf-aer (nor de praf) sunt: ​​1) Limitele inferioare și superioare de concentrație de aprindere (ras).

Substanțe proeminente
Indicatorii pericolului de incendiu în timpul arderii prin difuzie a solidelor și a prafului depus sunt: ​​1) Temperatura de autoîncălzire - aceasta este cea mai scăzută temperatură Autoaprindere termică (explozie termică) Autoaprinderea este un fenomen

crestere brusca
viteza reacțiilor exoterme, ducând la apariția spontană a arderii unei substanțe în absența aprinderii

Arderea spontană
Arderea spontană este un proces de oxidare la temperatură scăzută a materialelor dispersate, care se termină cu arderea mocnită sau în flăcări. Tendința substanțelor de a arde spontan

Autoaprindere în lanț (explozie în lanț)
Conform teoriei lui Arrhenius, viteza reacțiilor chimice este determinată de numărul de molecule cu energie de activare. Cu toate acestea, auto-încălzirea unui amestec combustibil în timpul unei reacții exoterme din cauza săptămânilor

Aprindere
Aprinderea este procesul de inițiere a sursei inițiale de ardere într-un amestec combustibil prin introducerea unei surse de temperatură înaltă de energie termică în amestec din exterior. Origine Teoria termică a arderii La adiabatic, i.e. arderea neînsoțită de pierderi termice, întreaga aprovizionare cu energie chimică a sistemului combustibil este transformată în

energie termică
Când gazele ard într-o țeavă deschisă și într-un flux, produșii de reacție se extind liber, presiunea rămâne aproape constantă. Arderea într-un vas închis este asociată cu o creștere a presiunii.

Mișcarea gazelor în timpul arderii
Expansiunea gazelor într-o flacără (conform legii lui Gay-Lussac) duce la faptul că arderea este întotdeauna însoțită de mișcarea gazelor. Să notăm cu ρg densitatea mediului original,

Factorii de accelerare a arderii
Diferite moduri de ardere prin deflagrație diferă doar în viteza de propagare a flăcării datorită dezvoltării inegale a suprafeței frontului de flăcări. Arde inițial

Condiții pentru o explozie
După cum am aflat mai devreme, o explozie este o transformare chimică sau fizică a unei substanțe, însoțită de o tranziție extrem de rapidă a energiei acesteia în energia de compresie și mișcare a originalului.

Unde de șoc într-un gaz inert
Compresie de șoc La orice creștere bruscă a presiunii într-un gaz sau lichid, apare o undă de compresie - o undă de șoc. Se răspândește printr-un mediu compresibil, transferându-l

Aprindere în timpul compresiei rapide
Un mediu inflamabil se poate aprinde nu numai atunci când este introdus într-un vas încălzit. Este posibil și un alt mod de aprindere, nu mai spontan, ci forțat - la încălzirea mediului inflamabil din vas

Apariția detonației
Accelerarea arderii în conducte. Pentru ca detonația să aibă loc, este necesară o undă de șoc puternică, în care are loc o încălzire suficientă a mediului exploziv. Taka

Modul staționar de propagare a detonației
O undă de șoc suficient de puternică poate provoca aprinderea mediului exploziv încălzit de acesta. Cu toate acestea, arderea cauzată de un singur impuls de compresie poate fi instabilă. Când

Degenerare prin detonare
Limitele de concentrație ale detonației. Pierderile de căldură din zona de reacție a undei de detonare din pereți conduc la abateri de la legile detonației stabilite în

Combustibil Amestecuri de aer Amestec de oxigen
СН4 4,1 0,35 Н2 0,80 0,30 С2Н2 0,85 0,08 Rugozitatea peretelui conductei poate

Limitele de concentrație ale răspândirii flăcării
Din teoria arderii rezultă că, pe măsură ce conținutul de componentă lipsă a amestecului combustibil scade și, odată cu acesta, temperatura de ardere, viteza normala flacără. explicat

Atenuarea flăcării în canale înguste
Dacă rolul principal în atenuarea flăcării îl joacă îndepărtarea căldurii prin radiație, care determină limitele de propagare a flăcării, atunci pentru amestecurile de gaze cu ardere rapidă pierderile de radiație sunt mici.

Mecanismul de flegmatizare a amestecurilor explozive
Metoda de asigurare a siguranței la explozie este utilizată pe scară largă, bazată pe reducerea concentrației de combustibil sub limita inferioară de concentrație. Pentru îmbrățișarea lui

Tema 4. TIPURI DE ARDER.

În funcție de diferite caracteristici și caracteristici, procesele de ardere pot fi împărțite în următoarele tipuri:

În funcție de starea de agregare a unei substanțe inflamabile:

Arderea gazelor;

Arderea lichidelor și a solidelor în topire;

Arderea substanțelor solide asemănătoare prafului și compacte care nu se topesc.

În funcție de compoziția de fază a componentelor:

Arderea omogenă;

Combustie eterogenă;

Arderea explozibililor.

În funcție de pregătirea amestecului combustibil:

Arderea prin difuzie (foc);

Combustie cinetică (explozie).

În funcție de dinamica frontului de flăcări:

Staţionar;

Nesigur.

În funcție de natura mișcării gazului:

Laminar;

Turbulent.

În funcție de gradul de ardere al substanței inflamabile:

Incomplet.

În funcție de viteza de propagare a flăcării:

Normal;

Deflagraţie;

Detonaţie.

Să aruncăm o privire mai atentă asupra acestor tipuri.

4.1. Arderea substanțelor gazoase, lichide și solide.

In functie de starea de agregare a substantei combustibile se distinge arderea gazelor, lichidelor, solidelor prafoase si compacte.

Conform GOST 12.1.044-89:

1. Gazele sunt substanțe a căror temperatură critică este mai mică de 50 o C. Tcr este temperatura minimă de încălzire a 1 mol dintr-o substanță într-un vas închis, la care se transformă complet în abur (vezi § 2.3).

2. Lichidele sunt substanțe cu un punct de topire (punct de picurare) mai mic de 50 o C (vezi § 2.5).

3. Solidele sunt substanțe cu un punct de topire (punct de picurare) mai mare de 50 0 C.

4. Praful sunt solide zdrobite cu o dimensiune mai mică de 0,85 mm.

Zona în care are loc o reacție chimică într-un amestec inflamabil, de ex. arderea se numește front de flacără.

Să luăm în considerare procesele de ardere în mediul aerian cu exemple.

Arderea gazelor într-un arzător cu gaz. Există 3 zone de flacără observate aici (Fig. 12):

Orez. 12. Schema arderii gazelor: 1 – con transparent – ​​acesta este gazul inițial care se încălzește (la temperatura de autoaprindere); 2 – zona luminoasa a frontului de flacara; 3 – produse de ardere (sunt aproape invizibili în timpul arderii complete a gazelor și, mai ales în timpul arderii hidrogenului, când nu se formează funingine).

Lățimea frontului de flăcări în amestecurile de gaze este de zeci de fracțiuni de milimetru.

Arderea lichidelor într-un vas deschis. Când ardeți într-un vas deschis, există 4 zone (Fig. 13):

Orez. 13. Combustie lichidă: 1 – lichid; 2 – vapori de lichid (zone întunecate); 3 – front de flacara; 4 – produse de ardere (fum).

Lățimea frontului de flăcări în acest caz este mai mare, adică. reacția decurge mai lent.

Arderea solidelor topite. Luați în considerare arderea unei lumânări. ÎN în acest caz, Se observă 6 zone (Fig. 14):

Orez. 14. Arderea unei lumânări: 1 – ceară tare; 2 – ceară topită (lichidă); 3 – strat de vapori inchis transparent; 4 – front de flacara; 5 – produse de ardere (fum); 6 – fitil.

Fitilul care arde servește la stabilizarea arderii. Lichidul este absorbit în el, se ridică prin el, se evaporă și arde. Lățimea frontului de flăcări crește, ceea ce mărește zona de luminozitate, deoarece se folosesc hidrocarburi mai complexe, care, atunci când se evaporă, se dezintegrează și apoi reacţionează.

Arderea solidelor care nu se topesc. Vom lua în considerare acest tip de ardere folosind exemplul arderii unui chibrit și a unei țigări (Fig. 15 și 16).

Există și 5 secțiuni aici:

Orez. 15. Arderea unui chibrit: 1 – lemn proaspăt; 2 – lemn carbonizat; 3 – gaze (substanțe volatile gazificate sau evaporate) – aceasta este o zonă transparentă întunecată; 4 – front de flacara; 5 – produse de ardere (fum).

Se poate observa că zona arsă a chibritului este mult mai subțire și are o culoare neagră. Aceasta înseamnă că o parte a meciului a devenit carbonizată, de exemplu. partea nevolatilă a rămas, iar partea volatilă s-a evaporat și a ars. Viteza de ardere a cărbunelui este mult mai mică decât cea a gazelor, deci nu are timp să se ardă complet.

Fig. 16. Arderea țigărilor: 1 – amestec inițial de tutun; 2 – sectiune mocnit fara front de flacara; 3 – fum, i.e. produs al particulelor arse; 4 – fumul atras în plămâni, care este în principal produse gazificate; 5 – rășină condensată pe filtru.

Descompunerea termică-oxidativă fără flacără a unei substanțe se numește mocnit. Apare atunci când există o difuzie insuficientă a oxigenului în zona de ardere și poate apărea chiar și cu o cantitate foarte mică de oxigen (1-2%). Fumul este albăstrui, nu negru. Aceasta înseamnă că în el există mai multe substanțe gazeificate decât arse.

Suprafața cenușii este aproape albă. Aceasta înseamnă că, cu un aport suficient de oxigen, are loc arderea completă. Dar în interiorul și la marginea stratului de ardere cu straturi proaspete există o substanță neagră. Aceasta indică arderea incompletă a particulelor carbonizate. Apropo, vaporii de substanțe rășinoase evaporate se condensează pe filtru.

Un tip similar de ardere se observă la arderea cocsului, adică. cărbune din care au fost îndepărtate substanțe volatile (gaze, rășini) sau grafit.

Astfel, procesul de ardere a gazelor, lichidelor și majorității solidelor are loc sub formă gazoasă și este însoțit de o flacără. Unele substanțe solide, inclusiv cele cu tendință de ardere spontană, ard ca mocnit la suprafață și în interiorul materialului.

Arderea substanțelor praf. Arderea stratului de praf are loc la fel ca în starea compactă, doar viteza de ardere crește datorită creșterii suprafeței de contact cu aerul.

Arderea substanţelor prăfuite sub formă de suspensie de aer (nor de praf) se poate produce sub formă de scântei, adică. arderea particulelor individuale, în cazul unui conținut scăzut de substanțe volatile care nu sunt capabile să formeze o cantitate suficientă de gaze în timpul evaporării pentru un singur front de flacără.

Dacă se formează o cantitate suficientă de substanțe volatile gazeificate, are loc arderea în flăcări.

Arderea explozibililor. Acest tip include arderea explozivilor și a prafului de pușcă, așa-numitele substanțe condensate, care conțin deja combustibil și oxidant legați chimic sau mecanic. De exemplu: în trinitrotoluen (TNT) C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2 agenţii de oxidare sunt O 2 şi NO 2; praful de pușcă conține sulf, salpetru, cărbune; explozivii de casă conţin pulbere de aluminiu şi azotat de amoniu, liant – motorină.

4.2. Combustie omogenă și eterogenă.

Pe baza exemplelor luate în considerare, în funcție de starea de agregare a amestecului de combustibil și oxidant, i.e. în funcție de numărul de faze din amestec, există:

1. Arderea omogenă gaze și vapori de substanțe inflamabile într-un mediu oxidant gazos. Astfel, reacția de ardere are loc într-un sistem format dintr-o fază (stare agregată).

2. Arderea eterogenă substanțe solide inflamabile într-un mediu oxidant gazos. În acest caz, reacția are loc la interfață, în timp ce o reacție omogenă are loc pe tot volumul.

Aceasta este arderea metalelor, grafitului, adică. materiale practic nevolatile. Multe reacții cu gaze sunt de natură omogen-eterogenă, atunci când posibilitatea apariției unei reacții omogene se datorează originii unei reacții simultan eterogene.

Arderea tuturor substanțelor lichide și a multor substanțe solide, din care se eliberează vapori sau gaze (substanțe volatile), are loc în fază gazoasă. Fazele solide și lichide joacă rolul de rezervoare de produse care reacţionează.

De exemplu, reacția eterogenă de ardere spontană a cărbunelui trece în faza omogenă de ardere a substanțelor volatile. Reziduul de cocs arde heterogen.

4.3. Difuzie și ardere cinetică.

Pe baza gradului de preparare a amestecului combustibil se disting difuzia si arderea cinetica.

Tipurile de ardere luate în considerare (cu excepția explozivilor) se referă la arderea prin difuzie. Flacără, adică Zona de ardere a unui amestec de combustibil și aer trebuie alimentată în mod constant cu combustibil și oxigen pentru a asigura stabilitatea. Alimentarea cu gaz combustibil depinde numai de viteza de alimentare a acestuia către zona de ardere. Viteza de intrare a lichidului inflamabil depinde de intensitatea evaporării acestuia, adică. asupra presiunii vaporilor deasupra suprafeței lichidului și, în consecință, asupra temperaturii lichidului. Temperatura de aprindere este cea mai scăzută temperatură a unui lichid la care flacăra de deasupra suprafeței sale nu se va stinge.

Arderea solidelor diferă de arderea gazelor prin prezența unei etape de descompunere și gazeificare cu aprinderea ulterioară a produselor volatile de piroliză.

Piroliza- Aceasta este încălzirea substanțelor organice la temperaturi ridicate fără acces la aer. În acest caz, are loc descompunerea, sau scindarea, a compușilor complecși în compuși mai simpli (cocsificarea cărbunelui, crăparea uleiului, distilarea uscată a lemnului). Prin urmare, arderea unei substanțe combustibile solide într-un produs de ardere nu este concentrată numai în zona de flacără, ci are un caracter în mai multe etape.

Încălzirea fazei solide provoacă descompunerea și eliberarea de gaze, care se aprind și ard. Căldura de la torță încălzește faza solidă, determinând gazeificarea acesteia și procesul se repetă, menținând astfel arderea.

Modelul de ardere solidă presupune prezența următoarelor faze (Fig. 17):

Orez. 17. Model de ardere

materie solidă.

Încălzirea fazei solide. Pentru substanțele care se topesc, topirea are loc în această zonă. Grosimea zonei depinde de temperatura de conductivitate a substanței;

Piroliza sau zona de reactie in faza solida, in care se formeaza substante gazoase inflamabile;

Pre flacără în fază gazoasă, în care se formează un amestec cu un oxidant;

Flacără, sau zonă de reacție în fază gazoasă, în care se transformă produsele de piroliză în produși gazoși de combustie;

Produse de ardere.

Viteza de alimentare cu oxigen în zona de ardere depinde de difuzia acestuia prin produsul de ardere.

În general, deoarece viteza reacției chimice în zona de ardere în tipurile de ardere luate în considerare depinde de viteza de intrare a componentelor care reacţionează și de suprafața flăcării prin difuzie moleculară sau cinetică, acest tip de ardere se numește difuziune.

Structura flăcării de ardere prin difuzie este formată din trei zone (Fig. 18):

Zona 1 conține gaze sau vapori. Nu există ardere în această zonă. Temperatura nu depășește 500 0 C. Are loc descompunerea, piroliza volatilelor și încălzirea la temperatura de autoaprindere.

Orez. 18. Structura flăcării.

În zona 2, se formează un amestec de vapori (gaze) cu oxigenul atmosferic și arderea incompletă are loc la CO cu reducere parțială la carbon (puțin oxigen):

CnHm + O2 → CO + CO2 + H2O;

În a treia zonă externă, are loc arderea completă a produselor din a doua zonă și se observă temperatura maximă a flăcării:

2CO+O2 =2C02;

Înălțimea flăcării este proporțională cu coeficientul de difuzie și cu debitul de gaz și invers proporțională cu densitatea gazului.

Toate tipurile de ardere prin difuzie sunt inerente incendiilor.

Cinetică Arderea este arderea gazelor inflamabile preamestecate, aburului sau a prafului cu un oxidant. În acest caz, viteza de ardere depinde numai de proprietățile fizico-chimice ale amestecului combustibil (conductivitate termică, capacitate termică, turbulență, concentrație de substanțe, presiune etc.). Prin urmare, viteza de ardere crește brusc. Acest tip de ardere este inerentă exploziilor.

În acest caz, atunci când amestecul combustibil este aprins în orice punct, frontul de flacără se deplasează de la produsele de ardere în amestecul proaspăt. Astfel, flacăra în timpul arderii cinetice este cel mai adesea instabilă (Fig. 19).

Orez. 19. Schema de propagare a flăcării într-un amestec combustibil: - sursa de aprindere; - sensul de deplasare al frontului de flacara.

Deși, dacă amestecați mai întâi gazul inflamabil cu aer și îl introduceți în arzător, atunci când este aprins, se va forma o flacără staționară, cu condiția ca debitul amestecului să fie egal cu viteza de propagare a flăcării.

Dacă viteza de alimentare cu gaz este crescută, flacăra se desprinde de arzător și se poate stinge. Și dacă viteza este redusă, flacăra va fi atrasă în arzător cu o posibilă explozie.

După gradul de ardere, adică completitudinea reacției de ardere la produsele finite, are loc arderea completă și incompletă.

Deci în zona 2 (Fig. 18) arderea este incompletă, deoarece Există o aprovizionare insuficientă cu oxigen, care este parțial consumat în zona 3 și se formează produse intermediare. Acestea din urmă se ard în zona 3, unde există mai mult oxigen, până la arderea completă. Prezența funinginei în fum indică arderea incompletă.

Un alt exemplu: atunci când există o lipsă de oxigen, carbonul arde în monoxid de carbon:

Dacă adăugați O, atunci reacția se finalizează:

2СО+O 2 =2СО 2.

Viteza de ardere depinde de natura mișcării gazelor. Prin urmare, se face o distincție între arderea laminară și cea turbulentă.

Astfel, un exemplu de ardere laminară este o flacără de lumânare în aer nemișcat. La ardere laminară straturi de gaze curg în paralel, fără a se învârti.

Combustie turbulentă– mișcarea în vortex a gazelor, în care gazele de ardere sunt amestecate intens și frontul de flăcări este neclar. Granița dintre aceste tipuri este criteriul Reynolds, care caracterizează relația dintre forțele de inerție și forțele de frecare în flux:

Unde: u- viteza debitului gazului;

n- vâscozitatea cinetică;

l– dimensiune liniară caracteristică.

Numărul Reynolds la care are loc tranziția unui strat limită laminar la unul turbulent se numește Re cr critic, Re cr ~ 2320.

Turbulența crește viteza de ardere datorită transferului de căldură mai intens de la produsele de ardere la amestecul proaspăt.

4.4. Arderea normală.

În funcție de viteza de propagare a flăcării în timpul arderii cinetice, poate avea loc fie arderea normală (în câțiva m/s), fie deflagrația explozivă (zeci de m/s), fie detonarea (mii de m/s). Aceste tipuri de ardere se pot transforma unele în altele.

Arderea normală– aceasta este arderea în care răspândirea flăcării are loc în absența perturbărilor externe (turbulențe sau modificări ale presiunii gazului). Depinde doar de natura substanței inflamabile, adică. efect termic, conductivitate termică și coeficienți de difuzie. Prin urmare, este o constantă fizică a unui amestec de o anumită compoziție. În acest caz, viteza de ardere este de obicei 0,3-3,0 m/s. Arderea se numește normală deoarece vectorul viteză al propagării sale este perpendicular pe frontul flăcării.

4.5. Combustie prin deflagrație (explozivă).

Arderea normală este instabilă și tinde să se auto-accelereze într-un spațiu închis. Motivul pentru aceasta este curbura frontului de flacără din cauza frecării gazului împotriva pereților vasului și a modificărilor de presiune în amestec.

Să luăm în considerare procesul de propagare a flăcării într-o țeavă (Fig. 20).

Orez. 20. Schema producerii arderii explozive.

La început, la capătul deschis al țevii, flacăra se extinde cu viteză normală, deoarece produsele de ardere se extind liber și ies. Presiunea amestecului nu se modifică. Durata propagării uniforme a flăcării depinde de diametrul conductei, de tipul de combustibil și de concentrația acestuia.

Pe măsură ce frontul de flacără se deplasează în interiorul conductei, produșii de reacție, având un volum mai mare față de amestecul inițial, nu au timp să scape în exterior și presiunea lor crește. Această presiune începe să împingă în toate direcțiile și, prin urmare, înaintea frontului de flăcări, amestecul inițial începe să se miște spre răspândirea flăcării. Straturile adiacente pereților sunt inhibate. Flacăra are cea mai mare viteză în centrul țevii, iar cea mai mică viteză este în apropierea pereților (datorită eliminării căldurii în ei). Prin urmare, frontul de flăcări se extinde în direcția de propagare a flăcării, iar suprafața acesteia crește. Proporțional cu aceasta crește cantitatea de amestec combustibil pe unitatea de timp, ceea ce presupune o creștere a presiunii, iar aceasta, la rândul său, crește viteza de mișcare a gazului etc. Astfel, există o creștere asemănătoare unei avalanșe a vitezei de propagare a flăcării la sute de metri pe secundă.

Procesul de propagare a flăcării printr-un amestec de gaze combustibile, în care reacția de ardere cu autoaccelerare se extinde datorită încălzirii prin conducție termică din stratul adiacent de produși de reacție, se numește deflagraţie. De obicei, ratele de combustie ale deflagrației sunt subsonice, adică mai puțin de 333 m/s.

4.6. Arderea prin detonare.

Dacă luăm în considerare arderea unui amestec combustibil strat cu strat, atunci ca urmare a expansiunii termice a volumului produselor de ardere, de fiecare dată când apare o undă de compresie înaintea frontului de flăcări. Fiecare undă ulterioară, deplasându-se printr-un mediu mai dens, îl ajunge din urmă pe cel precedent și i se suprapune. Treptat, aceste unde se combină într-o singură undă de șoc (Fig. 21).

Orez. 21. Schema de formare a undei de detonare: R o< Р 1 < Р 2 < Р 3 < Р 4 < Р 5 < Р 6 < Р 7 ; 1-7 – нарастание давления в слоях с 1-го по 7-ой.

Într-o undă de șoc, ca urmare a compresiei adiabatice, densitatea gazelor crește instantaneu și temperatura crește la T 0 pentru autoaprindere. Ca urmare, amestecul combustibil este aprins de o undă de șoc și detonaţie– propagarea arderii prin aprindere printr-o undă de șoc. Valul de detonare nu se stinge, pentru că alimentat de undele de șoc de la flacăra care se mișcă în spatele ei.

Particularitatea detonației este că are loc la o viteză supersonică de 1000-9000 m/s, determinată pentru fiecare compoziție de amestec și, prin urmare, este o constantă fizică a amestecului. Depinde doar de conținutul caloric al amestecului combustibil și de capacitatea termică a produselor de ardere.

Întâlnirea unei unde de șoc cu un obstacol duce la formarea unei unde de șoc reflectate și la o presiune și mai mare.

Detonația este cea mai mare aspect periculos flacăra răspândită, pentru că are putere maximă de explozie (N=A/t) și viteză enormă. În practică, detonația poate fi „neutralizată” doar în secțiunea de pre-detonare, adică. la o distanţă de la punctul de aprindere până la punctul de ardere de detonare. Pentru gaze, lungimea acestei secțiuni este de la 1 la 10 m.

Mediu combustibil

Agenți oxidanți

Agenții oxidanți sunt substanțe ai căror atomi acceptă electroni în timpul transformărilor chimice. Printre substanțele simple, acestea includ toți halogenii și oxigenul.

Cel mai comun agent oxidant din natură este oxigenul atmosferic.

În incendiile reale, arderea are loc în principal în aer, dar în multe procese tehnologice Se utilizează aer îmbogățit cu oxigen și chiar oxigen pur (de exemplu, producție metalurgică, sudare cu gaz, tăiere etc.). O atmosferă îmbogățită cu oxigen poate fi găsită sub apă și nava spatiala, procese de domeniu etc. Astfel de sisteme combustibile au crescut pericol de incendiu. Acest lucru trebuie luat în considerare la elaborarea sistemelor de stingere a incendiilor, la măsurile de prevenire a incendiilor și la examinarea tehnică a incendiilor.

Pe lângă oxigenul atmosferic și halogeni, substanțele complexe pot acționa și ca agenți oxidanți în reacțiile de combustie, de exemplu, sărurile acizilor care conțin oxigen - nitrați, clorați etc., folosiți în producția de praf de pușcă, explozibili militare și industriale și diverse compoziții pirotehnice.

Un amestec de combustibil și oxidant în aceeași stare de agregare în anumite proporții și capabile să ardă (iar arderea este posibilă numai la anumite rapoarte) se numește mediu inflamabil.

Există două tipuri de medii inflamabile: omogen și eterogen.

Mediu inflamabil omogen se numește amestec preamestec de combustibil și oxidant și, în consecință, mediu inflamabil eterogen – când combustibilul și oxidantul nu sunt amestecate.

Influența asupra procesului de ardere număr mare factorii determină varietatea tipurilor și modurilor de ardere. Astfel, în funcție de starea de agregare a componentelor unui amestec combustibil, arderea poate fi omogenă și eterogenă, în condițiile de amestecare a componentelor - arderea unui amestec prepreparat (cinetic) și difuzia, în condiții gazodinamice - laminare și turbulente etc.

Principalele tipuri de ardere sunt omogene și eterogene.

Arderea omogenă - Acesta este procesul de interacțiune dintre combustibil și
oxidanţi în aceeaşi stare de agregare. Cele mai multe
Arderea omogenă a gazelor și vaporilor în aer este larg răspândită.

Combustie eterogenă- aceasta este arderea materialelor combustibile solide -
precum și direct pe suprafața lor. Trăsătură caracteristică
arderea eterogenă este absența flăcării. Exemple în acest sens
sunt arderea antracitului, cocsului, cărbunelui și a metalelor nevolatile.
Arderea fără flacără este uneori numită mocnit.

După cum se poate observa din definiții, diferența fundamentală dintre arderea omogenă și arderea eterogenă este că în primul caz combustibilul și oxidantul sunt în aceeași stare de agregare, în al doilea sunt în stări diferite.

Trebuie remarcat faptul că arderea solidelor și materialelor nu este întotdeauna eterogenă. Acest lucru se explică prin mecanismul de ardere al solidelor.

De exemplu, lemnul care arde în aer. Pentru a-l aprinde, trebuie să aduceți un fel de sursă de căldură, cum ar fi o flacără de la un chibrit sau o brichetă, și să așteptați puțin. Apare întrebarea: de ce nu se aprinde imediat? Acest lucru se explică prin faptul că în perioada initiala, sursa de aprindere trebuie sa incalzeasca lemnul la o anumita temperatura la care incepe procesul de piroliza, sau altfel spus descompunerea termica. În același timp, ca urmare a descompunerii celulozei și a altor componente, încep să se elibereze produse de descompunere a acestora - gaze inflamabile - hidrocarburi. Evident, cu cât încălzirea este mai mare, cu atât este mai mare viteza de descompunere și, în consecință, viteza de eliberare a gazelor inflamabile. Și numai atunci când rata de eliberare a GH este suficientă pentru a crea o anumită concentrație în aer, adică. formarea unui mediu inflamabil, poate avea loc arderea. Ce legătură are arderea nu este lemn, ci produse ale descompunerii sale - gaze inflamabile. Acesta este motivul pentru care arderea lemnului, în cele mai multe cazuri, este o combustie omogenă, nu eterogenă.

Puteți obiecta: lemnul începe în cele din urmă să mocnească, iar mocnirea, așa cum am menționat mai sus, este o ardere eterogenă. Asta este adevărat. Cert este că produsele finale ale descompunerii lemnului sunt în principal gaze inflamabile și reziduuri de carbon, așa-numitul cocs. Ați văzut cu toții acest reziduu foarte carbonic și chiar l-ați cumpărat pentru a găti kebab-uri. Acești cărbuni sunt carbon pur în proporție de aproximativ 98% și nu pot emite GH. Cărbunii ard în modul de ardere eterogen, adică mocnesc.

Astfel, lemnul arde mai întâi într-un mod de ardere omogen, apoi, la o temperatură de aproximativ 800°C, arderea în flăcări se transformă în mocnire, adică. devine eterogen. Același lucru se întâmplă și cu alte solide.

Cum ard lichidele în aer? Mecanismul de ardere a lichidelor este că acestea se evaporă mai întâi, iar vaporii sunt cei care formează un amestec inflamabil cu aerul. Adică în acest caz are loc și arderea omogenă. Nu faza lichidă arde, ci vaporii lichidului

Mecanismul de ardere a metalului este același cu cel al lichidelor, cu excepția faptului că metalul trebuie mai întâi topit și apoi încălzit la o temperatură ridicată pentru ca viteza de evaporare să fie suficientă pentru a forma un mediu inflamabil. Unele metale ard la suprafața lor.

În arderea omogenă se disting două moduri: arderea cinetică și cea prin difuzie.

Arderea cinetică– aceasta este arderea unui amestec combustibil preamestec, i.e. amestec omogen. Viteza de ardere este determinată numai de cinetica reacției redox.

Arderea prin difuzie– aceasta este arderea unui amestec eterogen, când combustibilul și oxidantul nu sunt preamestecate, adică eterogen. În acest caz, amestecul de combustibil și oxidant are loc în frontul de flăcări din cauza difuziei. Arderea neorganizată se caracterizează printr-un mod de ardere prin difuzie majoritatea materialelor combustibile într-un incendiu pot arde numai în acest mod. Amestecuri omogene, desigur, se pot forma și în timpul unui incendiu real, dar formarea lor precede mai degrabă focul sau asigură stadiul inițial de dezvoltare.

Diferența fundamentală dintre aceste tipuri de ardere este că, într-un amestec omogen, moleculele combustibilului și ale oxidantului sunt deja în imediata apropiere și sunt gata să intre în interacțiune chimică, în timp ce cu arderea prin difuzie aceste molecule trebuie mai întâi să se apropie unele de altele datorită difuziei și numai dupa aceea intra in interactiune .

Aceasta determină diferența în viteza procesului de ardere.

Timp total de ardere t g, constă din durata fizică
schi și procese chimice:

t g = t f + t x.

Modul de ardere cinetică caracterizat prin durata numai a proceselor chimice, i.e. t g » t x, deoarece în acest caz nu sunt necesare procese de pregătire fizică (amestecare), adică. t f » 0 .

Modul de ardere prin difuzie, dimpotrivă, depinde în principal de
viteza de preparare a unui amestec combustibil omogen (în linii mari, adunarea moleculelor), În acest caz t f >> t x, și deci acesta din urmă poate fi neglijat, adică. durata sa este determinată în principal de viteza proceselor fizice.

Dacă t f » t x, adică. sunt proporționale, apoi arderea se desfășoară în felul următor
numită regiune intermediară.

De exemplu, imaginați-vă două arzătoare cu gaz (Fig. 1.1): într-unul dintre ele există găuri în duza pentru accesul aerului (a), în celălalt nu există niciunul (b). În primul caz, aerul va fi aspirat prin injectare în duză, unde este amestecat cu gaz inflamabil, formând astfel un amestec combustibil omogen, care arde la ieșirea din duză în modul cinetic . În al doilea caz (b), aerul este amestecat cu gaz combustibil în timpul procesului de ardere datorită difuziei, în acest caz - ardere prin difuzie .

Orez. 1.1Exemplu de ardere cinetică (a) și difuzie (b).

Un alt exemplu: există o scurgere de gaz în cameră. Gazul se amestecă treptat cu aerul, formând un amestec combustibil omogen. Și dacă apare o sursă de aprindere după aceasta, are loc o explozie. Aceasta este arderea în modul cinetic.

Același lucru este valabil și pentru arderea lichidelor, cum ar fi benzina. Dacă este turnat într-un recipient deschis și incendiat, va avea loc arderea prin difuzie. Dacă așezați acest recipient într-o cameră închisă și așteptați ceva timp, benzina se va evapora parțial, se va amesteca cu aerul și astfel forma un amestec combustibil omogen. Când introduceți o sursă de aprindere, după cum știți, va avea loc o explozie, aceasta este arderea cinetică.

În ce mod are loc arderea în incendii reale? Desigur, în principal în difuzare. În unele cazuri, un incendiu poate începe cu ardere cinetică, ca în exemplele date, dar după arderea amestecului omogen, ceea ce se întâmplă foarte repede, arderea va continua în modul de difuzie.

Cu arderea prin difuzie, în cazul lipsei de oxigen în aer, de exemplu în timpul incendiilor în spații închise, arderea incompletă a combustibilului este posibilă cu formarea de produse de ardere incomplete precum CO - monoxid de carbon. Toate produsele de ardere incompletă sunt foarte toxice și prezintă un mare pericol în caz de incendiu. În cele mai multe cazuri, ei sunt cei responsabili pentru moartea oamenilor.

Deci, principalele tipuri de ardere sunt omogene și eterogene. Diferența vizuală dintre aceste moduri este prezența flăcării.

Arderea omogenă poate avea loc în două moduri: difuzie și cinetică. Din punct de vedere vizual, diferența lor constă în viteza de ardere.

Trebuie remarcat faptul că există un alt tip de ardere – arderea explozivilor. Explozivii includ combustibil și un oxidant în fază solidă. Deoarece atât combustibilul, cât și oxidantul sunt în aceeași stare de agregare, o astfel de ardere este omogenă.

În incendiile reale, are loc în mare parte arderea în flăcări. Flacăra, după cum se știe, este identificată ca unul dintre factorii periculoși ai incendiului. Ce este o flacără și ce procese au loc în ea?

explozie de oxigen de ardere

Arderea omogenă se referă la arderea gazelor preamestecate. Numeroase exemple de ardere omogenă sunt procesele de ardere a gazelor sau vaporilor în care agentul oxidant este oxigenul din aer: arderea amestecurilor de hidrogen, a amestecurilor de monoxid de carbon și hidrocarburi cu aerul. În cazuri practic importante, condiția de amestecare preliminară completă nu este întotdeauna îndeplinită. Prin urmare, combinațiile de ardere omogenă cu alte tipuri de ardere sunt întotdeauna posibile.

Arderea omogenă poate fi realizată în două moduri: laminar și turbulent. Turbulența accelerează procesul de ardere prin fragmentarea frontului de flăcări în fragmente separate și, în consecință, creșterea zonei de contact a substanțelor care reacţionează în turbulențe la scară mare sau accelerarea proceselor de transfer de căldură și masă în frontul de flăcări în turbulențe la scară mică. Arderea turbulentă se caracterizează prin auto-similaritate: vârtejurile turbulente măresc viteza de ardere, ceea ce duce la o creștere a turbulenței.

Toți parametrii arderii omogene apar și în procesele în care agentul de oxidare nu este oxigenul, ci alte gaze. De exemplu, fluor, clor sau brom.

La interfață are loc arderea eterogenă. În acest caz, una dintre substanțele care reacţionează este în stare condensată, cealaltă (de obicei oxigenul atmosferic) intră din cauza difuziei în fază gazoasă. O condiție prealabilă pentru arderea eterogenă este un punct de fierbere foarte ridicat (sau descompunere) al fazei condensate. Dacă această condiție nu este îndeplinită, arderea este precedată de evaporare sau descompunere. Un flux de abur sau produși de descompunere gazoasă intră în zona de ardere de la suprafață, iar arderea are loc în faza gazoasă. O astfel de ardere poate fi clasificată ca difuzie cvasi-eterogenă, dar nu complet eterogenă, deoarece procesul de ardere nu mai are loc la limita de fază. Dezvoltarea unei astfel de arderi se realizează datorită fluxului de căldură de la flacără la suprafața materialului, care asigură o evaporare sau descompunere ulterioară și fluxul de combustibil în zona de ardere. În astfel de situații, apare un caz mixt atunci când reacțiile de ardere au loc parțial eterogen - pe suprafața fazei condensate și parțial omogen - în volumul amestecului de gaze.

Un exemplu de ardere eterogenă este arderea cărbunelui și a cărbunelui. Când aceste substanțe ard, apar două tipuri de reacții. Unele tipuri de cărbune eliberează componente volatile atunci când sunt încălzite. Arderea unor astfel de cărbuni este precedată de descompunerea lor termică parțială cu eliberarea de hidrocarburi gazoase și hidrogen, care ard în fază gazoasă. În plus, în timpul arderii carbonului pur, se poate forma monoxid de carbon CO, care se arde în volum. Cu un exces suficient de aer și o temperatură ridicată a suprafeței cărbunelui, reacțiile volumetrice au loc atât de aproape de suprafață încât, într-o anumită aproximare, există motive să se considere un astfel de proces eterogen.

Un exemplu de ardere cu adevărat eterogenă este arderea metalelor refractare nevolatile. Aceste procese pot fi complicate de formarea de oxizi care acoperă suprafața de ardere și împiedică contactul cu oxigenul. Dacă există o diferență mare în proprietățile fizice și chimice între metal și oxidul său în timpul procesului de ardere, filmul de oxid se crapă și este asigurat accesul oxigenului în zona de ardere.