Материальный баланс процесса горения

 

Горением называется сложный,самоподдерживающийся физико-химический процесс, представляющий собой окислительно-восстановительную реакцию, протекающую с большой скоростью и сопровождающуюся выделением тепла и излучением света.

 

Для горения необходимо наличие трѐх составляющих:

горючего вещества;

 

окислителя (кислород воздуха, озон, перекись водорода, галогены,

перманганат калия, хромовый ангидрид и т. д.)

источника зажигания (открытое пламя, искры различного

 

происхождения, высоко нагретые поверхности) или

 

благоприятствующего фактора (физико-химический или биологический процесс, протекающий с выделением тепла).

 

С точки зрения электронной теории, горение – это перераспределение валентных электронов между горючим веществом и окислителем.

 

Горючим веществом называется вещество,атомы(молекулы)которогоспособны отдавать в процессе реакции свои валентные электроны. Горючее вещество в процессе реакции окисляется, образуя продукты окисления.

 

Окислителем называется вещество,атомы(молекулы)которогоспособны присоединять валентные электроны в процессе реакции. Окислитель

 

в ходе реакции восстанавливается.

 

Процесс горения как одна из форм химического взаимодействия атомов и молекул может быть по-настоящему понятен только на основе изучения

 

молекулярно-кинетической теории строения материи. Необходимо представлять, что в химических процессах прежде чем образуются новые молекулы, разрушаются старые. Энергия, необходимая для разрыва связей в молекулах горючего и окислителя, называется энергией активации. Разрушение или ослабление химических связей в молекулах происходит под действием теплового движения атомов. Чем выше температура, тем выше доля активных молекул, тем эффективнее соударения и больше их число. Для реакции горения, как и для многих других химических реакций, справедливо положение: повышение температуры на 10 С приводит к увеличению еѐ скорости в 2–4 раза (правило Вант-Гоффа). Кроме того, скорость реакции, согласно закону действующих масс, увеличивается с возрастанием

 

 

концентрации реагентов. Скорость горения максимальна при стехиометрическом составе смеси – когда отношение реагентов соответствует коэффициентам в уравнении реакции.

 

В условиях пожара горение чаще всего протекает в среде воздуха. Для решения задач по определению основных параметров, характеризующих процесс горения, необходимо уметь составлять уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе.

 

Обобщѐнная запись брутто-уравнения материального баланса реакции горения имеет вид:

 

n ГВ[ГВ] + n ОК[ОК]= ∑ n ПГ i [ПГ],

(1)

 

где n _ГВ, n _ОК, n _ПГi – стехиометрические коэффициенты при соответствующих веществах: [ГВ] – горючее вещество, [ОК] - окислитель, [ПГ] – продукты горения.

 

Данное уравнение является обобщѐнным выражением материального баланса любой химической реакции окисления. Оно не несѐт информации о промежуточных стадиях процесса, которых может быть великое множество, а выражает только начальное и конечное состояние системы. Поэтому его называют также суммарным или брутто-уравнением реакции горения. Для решения многих инженерно-технических задач этого уравнения бывает достаточно.

 

При составлении уравнения материального баланса процессов горения принято учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. Воздух состоит из азота, кислорода, водорода, углекислого и инертных газов. При ведении теоретических расчѐтов водород, углекислый газ и инертные газы (их вместе взятых в воздухе около 1 %) причисляют к азоту, которого в воздухе 78 %. Поэтому можно принять, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79 % азота. Нетрудно установить, что на 1 объѐм кислорода в воздухе приходится 3,76 объѐма азота (79: 21 = 3,76) или на 1 моль кислорода приходится 3,76 моля азота и, таким образом, состав воздуха в уравнениях реакций горения – (О₂

+ 3,76 N₂).

 

В реакции горения принимает участие только кислород. Азот в реакцию

 

не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения. В левой части уравнения реакции горения записывают горючее вещество и воздух, в правой части – продукты горения. При уравнивании левой и правой частей уравнения реакции горения коэффициент перед горючим веществом для упрощения расчѐтов параметров процесса горения, как правило, не ставят, т.е. принимают равным единице, в связи с чем коэффициент перед воздухом может получаться дробным.

 

Рассмотрим примеры составления уравнений реакций горения горючих веществ в воздухе.

 

 

ПРИМЕР: Составить уравнение реакции горения пентана (С₅Н₁₂) ввоздухе.

 

При горении углеводородов в воздухе продуктами горения будут углекислый газ (СО₂), пары воды (Н₂О) и азот (N₂) из воздуха:

 

С₅Н₁₂ + (О₂ + 3,76 N₂) CО₂ + Н₂О + 3,76 N₂.

 

Расставим коэффициенты в данном уравнении реакции так, чтобы число атомов каждого элемента в правой части уравнения было равно числу атомов этих элементов в левой части.

 

Углерода в молекуле пентана 5 атомов, следовательно, в продуктах горения образуется 5 молекул углекислого газа. Атомов водорода в молекуле пентана 12, следовательно в продуктах горения образуется 6 молекул воды, так как в молекуле Н₂О два атома водорода (12: 2 = 6). В последнюю очередь уравнивается число атомов кислорода. Подсчитываем число атомов кислорода

 

в правой части уравнения: число атомов кислорода в 5 молекулах СО₂ равно 10 (5 2 =10); число атомов кислорода в 6 молекулах воды равно 6 (6 1 = 6). Всего

 

в правой части получается 16 атомов кислорода, следовательно в левой части перед скобкой мы должны поставить коэффициент, равный 8 (16: 2 = 8), т. к. в молекуле кислорода 2 атома. Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3,76.

 

Окончательная запись уравнения реакции горения пентана в воздухе имеет вид

 

С₅Н₁₂ + 8 (О₂ + 3,76 N₂) = 5 CО₂ + 6 Н₂О +8 3,76 N₂.

 

Коэффициент, стоящий перед скобкой воздуха, называется стехиометрическим коэффициентом реакции горения и обозначается. В нашем случае = 8.

При горении кислородсодержащих соединений в воздухе уравнивание реакции происходит аналогично. Однако при уравнивании атомов кислорода нужно вычесть количество атомов кислорода, содержащихся в горючем веществе, из количества атомов кислорода в правой части уравнения реакции, а потом уже делить на 2.

 

Если в состав горючего вещества входит галоген и горючее вещество не содержит водород, то в продуктах горения он будет выделяться в свободном виде (Cl₂, Br₂ и т. д.). Если же горючее вещество содержит водород, то в продуктах горения он будет выделяться в соединении с водородом, например хлороводород (НCl).

 

Если в состав горючего вещества входит сера, алюминий, кремний и др., то в продуктах горения будут выделяться оксиды этих элементов (SO₂, Al ₂O₃,

SiO₂).

 

При горении веществ, содержащих азот, он выделяется в виде чистого газа азота (N₂) и записывается отдельно от азота, содержащегося в воздухе.

C₂H₅Cl + 3(O₂ + 3,76 N₂) = 2 CO₂ + 2 H₂O + HCl + 3 3,76 N₂; C₄H₄S + 6(O₂ + 3,76 N₂) = 4CO₂ + 2 H₂O + SO₂ + 6 3,76 N₂; CH₃NH₂ + 2,25(O₂ + 3,76 N₂) = CO₂ + 2,5 H₂O + 0,5 N₂ + 2,25 3,76 N₂.