Кинетическое и диффузионное горение газов. Диффузионное горение жидкости При диффузионном горении газов горючая смесь образуется
Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. К химически однородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны: смеси горючих газов, паров или пылей с воздухом. К химически
неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны и имеют поверхности раздела: твердые горючие материалы и жидкости, находящиеся в воздухе, струи горючих газов и паров, поступающие в воздух и т.д.
Примером горения газов и паров (гомогенное горение) является горение паров, поднимающихся со свободной поверхности жидкости (рис. 1.1) или горение газа, выходящего из трубы. Так как парциальное давление кислорода воздуха равно 21,2 кПа, а в зоне горения давление равно нулю, кислород из воздуха диффундирует через слой продуктов сгорания к зоне горения. Следовательно, скорость реакции горения зависит от скорости диффузии кислорода.
Примером горения на поверхности твердого вещества (гетерогенное горение) является горение антрацита, кокса, древесного угля. В этом случае диффузии кислорода к зоне горения также препятствуют продукты сгорания, что видно из схемы, показанной на рис. 1.2. Концентрация кислорода в объеме воздуха (С 1) значительно больше концентрации его вблизи зоны горения (С 0). В отсутствие достаточного количества кислорода в зоне горения химическая реакция тормозится.
Рис. 1.2. Схема диффузии кислорода в зону горения твердого вещества
(гетерогенное горение)
Таким образом, полное время сгорания химически неоднородной горючей системы складывается из времени, необходимого для возникновения физического контакта
между горючим веществом и кислородом воздуха , и времени, затрачиваемого на протекание самой химической реакции :
В случае гомогенного горения величина называется временем смесеобразования, а в случае гетерогенного горения – временем транспортировки кислорода из воздуха к твердой поверхности горения.
В зависимости от соотношения и горение называется диффузионным или кинетическим. При горении химически неоднородных горючих систем время диффузии кислорода к горючему веществу несоизмеримо больше времени, необходимого для протекания химической реакции, т.е. >> и практически .
Это значит, что скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу. В этом случае говорят, что процесс протекает в диффузионной области. Такое горение и называется диффузионным. Все пожары представляют собой диффузионное горение.
Если время физической стадии процесса оказывается несоизмеримо меньше времени, необходимого для протекания химической реакции, т.е. << , то можно принять . Скорость процесса практически определяется только скоростью химической реакции. Такое горение называется кинетическим. Так горят химически однородные горючие системы, в которых молекулы кислорода хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества, и не затрачивается время на смесеприготовление. Так как скорость химической реакции при высокой температуре велика, горение таких смесей происходит мгновенно и носит характер взрыва. 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.
На рис. 1.3 показана зависимость скорости реакции горения от температуры в различных областях. Кривая 1 показывает изменение скорости реакции при кинетическом горении. При низких температурах скорость реакции окисления в смеси слабо зависит от изменения температуры, и кривая 1 на этом участке медленно поднимается вверх. При более высоких температурах скорость реакция окисления начинает сильно ускоряться с повышением температуры, и кривая 1 круто поднимается. Таким образом, скорость реакции в кинетической области зависит только от температуры реагирующих веществ.
Рис. 1.3. Зависимость скорости кинетического (1) и диффузионного (2)
горения от температуры
Кривая 2 показывает изменение скорости реакции при диффузном горении. При низких температурах ход кривой 2 одинаков с кривой 1 , так скорость реакции окисления меньше скорости диффузии кислорода в зону горения и, следовательно, реакция протекает в кинетической области. При повышении температуры реагирующих веществ скорость реакции становится равной скорости диффузии кислорода в зону горения, а затем значительно превышает ее. В этих условиях скорость всего процесса определяется скоростью диффузии кислорода. Кривая 2 в точке А изменяет свое направление, отклоняясь вправо от кривой 1 . Дальнейший ход кривой 2 показывает, что скорость процесса горения в диффузионной области, определяемая скоростью диффузии, очень мало зависит от температуры.
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
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Диффузионное и кинетическое горение. |
| Рубрика (тематическая категория) | Образование |
Гомогенное и гетерогенное горение.
Исходя из рассмотренных примеров, исходя из агрегатного со-стояния смеси горючего и окислителя, ᴛ.ᴇ. от количества фаз в смеси, разли-чают:
1. Гомогенное горение газов и паров горючих веществ в среде газооб-разного окислителя. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, 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 объёме.
Это горение металлов, графита͵ ᴛ.ᴇ. 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.
К примеру, 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, ᴛ.ᴇ. 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, ᴛ.ᴇ. от давления паров над поверхностью жидкости, а, следовательно, от температуры жидкости. Температурой вос-пламенения принято называть 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 - ϶ᴛᴏ 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). По этой причине 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, данный 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 принято называть 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.). По этой причине 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, в случае 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.
В случае 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 , ᴛ.ᴇ. 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:
В случае если добавить O, то реакция идет до конца:
2СО+O 2 =2СО 2 .
Скорость горения зависит от характера движения газов. По этой причине 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 принято называть критическим Re кр, Re кр ~ 2320.
Турбулентность увеличивает скорость горения из-за более интенсивной передачи тепла от продуктов горения в свежую смесь.
Диффузионное и кинетическое горение. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Диффузионное и кинетическое горение." 2017, 2018.
Кинетическое горение – горение предварительно перемешанной смеси горючего и окислителя.
В этом случае пламя по горючей смеси будет распространяться во все стороны. Объем, охваченный пламенем, будет увеличиваться. Пламя всегда распространяется в сторону несгоревшей смеси.
Рис. 7.1. Схема распространения пламени по предварительно перемешанной гомогенной смеси: 1 – исходная горючая смесь; 2 – фронт пламени; 3 - продукты горения; d ф.п. – толщина фронта пламени
Узкая полоска между исходной смесью (1) и продуктами горения (ПГ) (3) и есть пламя (2). Для большинства углеводородных смесей с воздухом толщина этой полоски 0,1-1,0 мм. Это зона горения или фронт пламени. В ней протекает химическая реакция и выделяется все тепло. Свечение является результатом присутствия в ней радикалов СН, НСО, С 2 и т.д.
Таким образом, фронт пламени – это узкая светящаяся зона, разделяющая ПГ и исходную горючую смесь.
Во фронте пламени в результате химической реакции горения концентрация исходных компонентов резко снижается до нуля, а температура достигает максимального значения. Вследствие молекулярной теплопроводности температура перед зоной реакции монотонно повышается от начальной температуры горючей смеси до температуры, близкой к температуре горения, образуя зону физического прогрева.
Поскольку толщина зоны пламени не превышает, как правило, долей мм, то условно фронт пламени считают плоскостью.
Если фронт пламени движется, то пламя называют нестационарным , если не перемещается – стационарным .
Основными характеристиками являются:
Нормальная скорость распространения пламени – скорость перемещения фронта пламени относительно несгоревшего газа в направлении, перпендикулярном к его поверхности. Нормальная скорость есть функция ряда физико-химических свойств смеси и скорости химической реакции при температуре горения.
Это одна из характеристик пожарной опасности газообразных веществ. Поскольку она определяется физико-химическими свойствами горючей смеси, ее еще называют фундаментальной.
Массовая скорость выгорания. Это масса вещества, сгорающая в единицу времени с единицы площади поверхности фронта пламени.
Существуют две теории, объясняющие природу распространения пламени по горючей смеси.
Согласно диффузионной теории перемещение фронта пламени происходит за счет диффузии образующихся в зоне горения активных частиц – радикалов – в свежую смесь, где они инициируют протекание химической реакции.
Согласно тепловой теории перемещение фронта пламени осуществляется благодаря передаче тепла путем теплопроводности в свежую смесь, за счет чего последняя разогревается до температуры самовоспламенения с последующим протеканием химической реакции.
На самом деле имеют место элементы и той, и другой теорий, т.к. процесс очень сложный.
Факторы, влияющие на нормальную скорость:
Концентрация и состав горючей смеси.
Теоретически u н должна быть максимальной при j ст. Практически максимум приходится на смесь, содержащую горючего больше стехиометрического соотношения (a в < 1 – богатая смесь). u н для различных газов составляет ~ 0,3 – 1,6 м/с. Она редко превышает значение 2,5 м/с, а для углеводородно-воздушных смесей находится в пределах 0,4 – 0,8 м/с. Смеси, имеющие u н < 0,04 м/с, не способны к распространению пламени.
Присутствие флегматизаторов (N 2 , CO 2 , H 2 O (пар) , Ar и т.д.).
Наблюдается эффект разбавления, что влечет за собой снижение скорости реакции, тепловыделения и u н. Эффективность газов-флегматизаторов определяется их теплофизическими свойствами.
Температура (начальная) горючей смеси. С возрастанием Т о увеличивается температура горючей смеси: Т г = Т о + Q н /(åс р i V ПГ i)
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.