Если продолжительность химической реакции и физическая стадия процесса горения соизмеримы, то горение протекает в так называемой промежуточной области, в которой на скорость горения влияют как химические, так и физические факторы.

Горение любого материала происходит в газовой или паровой фазе. Жидкие и твердые горючие материалы при нагревании переходят в другое состояние – газ или пар, после чего воспламеняются. При установившемся горении зона реакции выполняет роль источника воспламенения для остального горючего материала.

Область газообразной среды, в которой интенсивная химическая реакция вызывает свечение и тепловыделение, называется пламенем . Пламя является внешним проявлением интенсивных реакций окисления вещества. При горении твердых веществ наличие пламени не обязательно. Один из видов горения твердых веществ – тление (беспламенное горение), при котором химические реакции идут с небольшой скоростью, преобладает свечение красного цвета и слабое тепловыделение. Пламенное горение всех видов горючих материалов и веществ в воздушной среде возможно при содержании кислорода в зоне пожара не менее 14% по объему, а тление горючих твердых материалов продолжается до содержания кислорода ~ 6%.

Таким образом, горение – это сложный физико-химический процесс.

Современная теория горения основана на следующих положениях. Сущность горения состоит в отдаче окисляющимся веществам валентных электронов окислителю. В результате передачи электронов изменяется структура внешнего (валентного) электронного уровня атома. Каждый атом при этом переходит в наиболее устойчивое в данных условиях состояние. В химических процессах электроны могут полностью переходить из электронной оболочки атомов одного вида в оболочку атомов другого вида. Для получения представления о данном процессе рассмотрим несколько примеров.

Так, при горении натрия в хлоре атомы натрия отдают по одному электрону атомам хлора. При этом на внешнем электронном уровне атома натрия оказывается восемь электронов (устойчивая структура), а атом, лишившийся одного электрона, превращается в положительный ион. У атома хлора, получившего один электрон, внешний уровень заполняется восьмью электронами, и атом превращается в отрицательный ион. В результате действия электростатических сил происходит сближение разноименно заряженных ионов и образуется молекула хлорида натрия (ионная связь)

Na + + C1 - → Na + C1 -

В других процессах электроны внешних оболочек двух различных атомов как бы поступают в «общее пользование », стягивая тем самым атомы в молекулы (ковалентная связь)

H ∙ + · C1: → H: C1:

Атомы могут отдавать в «общее пользование» один и более электронов.

В качестве примера на рис.2 приведена схема образования молекулы метана из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Четыре электрона атомов водорода и четыре электрона внешнего электронного уровня атома углерода поступают в общее пользование, атомы «стягиваются» в молекулу.

Рис.2. Схема образования молекулы метана

Учение о горении имеет свою историю. Среди ученых, исследовавших процессы горения, необходимо отметить А.Н. Баха и К.О. Энглера, разработавших перекисную теорию окисления, согласно которой при нагревании горючей системы происходит активация молекулы кислорода путем разрыва одной связи между атомами.

молекула активная молекула

Активная молекула кислорода легко вступает в соединение с горючим веществом и образует соединение типа R-O-O-R (перекиси) и R-O-O-H (гидроперекиси); здесь R-символ радикала. Радикалы- частицы (атомы или атомные группы), обладающие неспаренными электронами, например, , , и др. Пример такой реакции:

CH 4 + -O-O- → -O-O-

гидропероксид метила

Энергия разрыва связи -О-О- в перекисях и гидроперекисях значительно ниже,чем в молекуле кислорода О2, поэтому они очень реакционны. При нагревании они легко распадаются с образованием новых веществ или радикалов. При этом выделяется тепло.

Дальнейшее развитие учения о горении связано с трудами Н.Н. Семенова, создавшего теорию цепных реакций горения, позволившую глубже проникнуть в физику явления и объяснить различные режимы горения, в том числе самовоспламенение, дефлаграционное горение и горение, приводящее к взрыву. Кроме того, отличие современного представления о механизме горения от перекисной теории состоит в том, что начальной фазой процесса является не активация молекул кислорода, а активация молекул окисляющегося вещества .

В случае, когда через горелку подается только газ , горение происходит за счет взаимодействия газа с кислородом из окружающего воздуха. Поскольку горение происходит в процессе взаимной диффузии горючего и окислителя, подобное горение называется диффузионным горение . Скорость горения определяется интенсивностью процесса смешения горючего и окислителя. В зависимости от характера смешения различают ламинарное и турбулентное диффузионное горение.

Ламинарное диффузионное горение происходит при ламинарном режиме движения газа, вытекающего из горелки. Зона устойчивого горения устанавливается по поверхности, где горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении . Образующиеся продукты горения диффундируют как в окружающее пространство, так и внутри факела. Структура диффузионного ламинарного факела при сжигании водорода показана на рис. 3.19. Концентрация горючего падает от наибольшего значения на оси струи до нуля во фронте пламени, а концентрация кислорода возрастает от нуля во фронте пламени до его значения в окружающем потоке. Концентрация продуктов Н 2 О и температура Т максимальны во фронте пламени.

Рисунок 3.19 - Структура диффузионного ламинарного пламени при сжигании водорода

В диффузионном ламинарном пламени температура достигает максимального значения в зоне горения . Вытекающий из горелки газ нагревается за счет тепла, переносимого теплопроводностью и диффузией до поступления в зону горения.

В случае сжигания углеводородов их нагрев приводит к термическому разложению с образованием сажи и водорода . Находящиеся в пламени мелкодисперсные частицы сажи и свободного углерода, раскалившись, вызывают свечение пламени . Диффузионное горение частиц сажи протекает сравнительно медленно, в результате чего может возникнуть недожог топлива .

Высота ламинарного диффузионного пламени может быть рассчитана по формуле

где W – скорость истечения газа;

R – радиус соплового отверстия;

D – коэффициент молекулярной диффузии.

Интенсивность диффузионного сжигания зависит от интенсивности образования смеси.

Для промышленных условий более важным является способ турбулентного диффузионного горения , поскольку массообмен в пламени интенсивнее. С увеличением скорости размеры факела растут, достигая максимума. Одновременно теряется правильность очертаний и стабильность его вершины, начинается турбулизация факела , захватывающая все большую его длину. По мере приближения турбулентного фронта к корню факела высота его несколько снижается , оставаясь дальше постоянной. По достижении критической скорости газовой струи весь факел становится турбулентным, и в дальнейшем при увеличении скорости высота факела не изменяется. Относительная высота турбулентного диффузионного факела рассчитывается по формуле

где h – длина факела;

d – диаметр устья горелки;

Скорость диффузионного горения зависит от диффузионных процессов смешения. При этом в условиях гетерогенного горения необходимо и испарение жидкого топлива или пирогенное разложение кускового или пылевидного твердого топлива. Для интенсификации диффузионного горения применяется турбулентный (пламя).
Смотри также:
-
-
-
-

Энциклопедический словарь по металлургии. - М.: Интермет Инжиниринг . Главный редактор Н.П. Лякишев . 2000 .

Смотреть что такое "диффузионное горение" в других словарях:

диффузионное горение - Взаимодействие топлива и окислителя, при к ром горение протекает одноврем. с образов. горючей смеси. Скорость д. г. зависит от диффузионных процессов смешения. При этом в условиях гетерогенного горения необх. распыление и испарение жидкого… … Справочник технического переводчика

диффузионное горение - difuzinis degimas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Degimas, kai degieji cheminių medžiagų komponentai ir oksidatorius į degimo kamerą tiekiami atskirai, joje maišosi difuziškai ir degimo trukmė priklauso nuo difuzijos greičio. atitikmenys … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Горение - спички … Википедия

ГОРЕНИЕ - физ. хим. процесс, при к ром превращение в ва сопровождается интенсивным выделением энергии и тепло и массообменом с окружающей средой. В отличие от взрыва и детонации протекает с более низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны … Химическая энциклопедия

Сложное, быстрое химическое превращение вещества, например, топлива, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу горения составляют экзотермические… …

Горение - сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев основу Г. составляют экзотермические окислительные реакции вещества … Большая советская энциклопедия

Горение газов и парообразных горючих веществ в газообразном окислителе. Для начала горения необходим начальный энергетический импульс. Различают само и вынужденное воспламенение или зажигание; нормально распространяющееся … Энциклопедический словарь по металлургии

Горение жидких и твердых горючих веществ в газообразном окислителе. Для гетерогенного горения жидких веществ большое значение имеет процесс их испарения. Гетерогенное горение легкоиспаряющихся горючих веществ… … Энциклопедический словарь по металлургии

Химическое взаимодействие топлива и окислителя, предварительно смешенного в виде горючей смеси в смесителе топливосжигающего устройства. Скорость кинетического горения определяется кинетикой реакции окисления топлива. Смотри… … Энциклопедический словарь по металлургии

Сгорание - Горение спички Горение натрия Горение это сложный физико химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Приближенно можно описать природу горения как бурно … Википедия

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.