Определение процессов горения

Горение – это сложный физико-химический процесс, при котором горючие вещества и материалы под воздействием высоких температур вступают в химическое взаимодействие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в продукты горения, и который сопровождается интенсивным выделением тепла и световым излучением.

Условия, необходимые для возникновения процесса горения:

- наличие горючего вещества (Г.В.);

- наличие окислителя (О.) - кислорода воздуха;

- наличие источника зажигания (И.З.).

- горючее вещество должно быть нагрето до определенной температуры, при которой начнется процесс окисления;

- чтобы нагреть горючее вещество до определенной температуры, необходима определенная мощность источника зажигания;

- чтобы поддерживать процесс горения, необходимы определенные концентрации горючего и окислителя.

Важнейшие процессы при горении - тепло- и массоперенос. Наиболее общее свойство горения - это возникновение пламени и перемещение его по всей горючей смеси путем передачи тепла или диффузии активных частиц из зоны горения в свежую горючую смесь.

Пламя - это видимое проявление горения. Его называют также зоной горения. Это та часть пространства, где происходит превращение горючей смеси в продукты полного и неполного сгорания.

Главными параметрами процесса горения, приводящими к гибели людей и наносящими материальный ущерб, являются:

- большое количество тепла;

- высокая температура;

- токсичный состав продуктов горения.

Процесс горения с позиций молекулярно-кинетической теории газов

Рис. 2.1. Доля активных молекул в зависимости от температуры: Т₂>Т₁

 

При нагревании газовой горючей смеси в ней увеличивается избыточная энергия.

Разность между средним уровнем запаса энергии молекул в активном состоянии и средним уровнем неактивном состоянии, называется энергией активации. Это можно представить графически (рис. 2).

Рис. 2.2. Энергетическая диаграмма хода реакции Г.В. + О. ® П.Г.: Е_акт – энергия активации; Q_х.р – тепловой эффект реакции горения

 

Энергия, выделившаяся в результате взаимодействия «первых» прореагировавших молекул передается соседним молекулам. Они возбуждаются, процесс повторяется вокруг прореагировавших молекул с большой частотой и интенсивностью. Начинается самоподдерживающийся, самоускоряющийся на всю реакционную смесь (2Н₂ + О₂) процесс химического взаимодействия, сопровождающийся образованием молекул воды и выделением в окружающую среду тепла и сопровождающийся свечением, т.е. возникает и распространяется процесс горения.

Чем выше численное значение Е_акт, тем труднее заставить данную пару компонентов вступить в химическое взаимодействие. Поэтому величина Е_акт является косвенным показателем степени пожарной опасности данной химической системы.

Виды и режимы горения

Горение можно классифицировать по следующим параметрам:

1. По условию смесеобразования горючих компонентов:

а) кинетическое – горение предварительно перемешанных газо- или паровоздушных смесей. Так как смесь горючего и окислителя готова к горению до момента ее воспламенения, то суммарная скорость процесса горения зависит только от скорости химической реакции горения. Если такое горение будет происходить в замкнутом или ограниченном объеме, то тогда может произойти взрыв. Так как энергия, выделяющаяся при сгорании смеси, не успевает отводиться за пределы данного объема, за счет увеличения давления возможно разрушение конструкций;

б) диффузионное, диффузионным горением называется горение, когда образование горючей среды (смешение горючего и окислителя) происходит перед зоной горения или в зоне горения.

2. По интенсивности поступления горючих компонентов в зону химической реакции:

а) ламинарное, при этом компоненты горючей смеси поступают в зону горения сравнительно спокойно. При этом численное значение критерия Рейнольдса, который характеризует термодинамический режим, будет значительно меньше критического (Re<2300).

б) турбулентное, при этом компоненты горючей смеси поступают в зону горения с большой скоростью. Число Рейнольдса в этом случае больше 2300.

3. По агрегатному состоянию компонентов горючей смеси:

а) гомогенное  горючее и окислитель находятся в одинаковом агрегатном состоянии (газообразном);

б) гетерогенное (разнофазное) - горючее и окислитель находятся в различных агрегатных состояниях.

4. По скорости распространения зоны химической реакции горения:

а) дефлаграционное (медленное) распространение зоны химической реакции (скорость от 0,5 до 50 м/с);

б) детонационное (взрывное), когда зона химической реакции горения распространяется со скоростью ударной волны (от нескольких сотен метров в секунду до нескольких километров в секунду).

Пространство, в котором сгорают пары или газы, называется пламенем.

Ламинарные пламена предварительно перемешанной смеси. В ламинарных пламенах предварительно перемешанной смеси горючее и окислитель смешиваются до начала горения и поток ламинарен.

Пламя предварительно перемешанной смеси называют стехиометрическим, если горючее (углеводород) и окислитель (кислород — О₂) расходуют друг друга полностью, образуя двуокись углерода (СО₂) и воду (Н₂О). Если существует избыток горючего, говорят, что смесь богатая, а в случае избытка окислителя говорят, что смесь бедная [3].

Рассмотрим простейшие примеры:

1) 2Н₂ + O₂ → 2Н₂О — стехиометрическая смесь,

2) ЗН₂ + О₂ → 2H₂O + Н₂ — богатая смесь (Н₂ в избытке),

3) СН₄ + ЗО₂ → 2Н₂О + СО₂ + О₂ - бедная смесь (О₂ в избытке).

Каждый символ в таком уравнении химической реакции соответствует одному молю вещества. Так, первое из этих уравнений означает, что два моля Н₂ реагируют с одним молем О₂ с образованием двух молей Н₂О.

Если уравнение химической реакции записано таким образом, что оно описывает реакцию именно одного моля горючего, то мольная доля горючего в стехиометрической смеси может быть легко определена из соотношения

х_{гор,стех} = 1/ ((1+v)

Здесь v обозначает число молей О₂ в уравнении реакции с образованием СО₂ и Н₂О. Примером служит реакция

H₂+0,5O₂→H₂O, v=0,5, x_H2,стех = 2/3

Если окислителем является воздух, то следует принимать во внимание, что сухой воздух содержит только 21 % кислорода, а также 78 % азота и 1 % благородных газов. Таким образом, для воздуха X_N2 = 3,762 X_O2. Отсюда мольные доли для стехиометрической смеси с воздухом будут равны

х_{гор,стех} = 1/ ((1+v∙4,762), ,

где v как и прежде означает количество молей О₂ в уравнении реакции полного превращения одного моля горючего в СО₂ и Н₂О. Ряд примеров значений v и мольных долей горючего для стехиометрических смесей горючего с воздухом приведен в таблице 1.

Предварительно перемешанные смеси горючего и воздуха (в этом случае в уравнение реакции должно быть добавлено соответствующее количество N₂, см. табл. 1) характеризуются величиной эквивалентного отношения для воздуха:

λ = (х_воз/х_гор) / (х_{воз,стех} / х_{гор,стех}) = (w_воз/w_гор) / (w_{воз,стех} / w_{гор,стех})

либо обратной величиной — эквивалентным отношением для горючего Ф (Ф = 1/λ). Эту формулу можно преобразовать для того, чтобы можно было определить величины мольных долей смеси по значению Ф:

х_гор = 1/ ((1+(4,762∙v) / Ф), х_воз = 1 – х_гор,

= х_воз / 4,762, = ∙3,762

Примеры значений v и мольных долей горючего x _{гор, стех} для стехиометрических смесей горючего с воздухом