Различают гомогенное и гетерогенное горение

Лекция 3

Кинетическая реакция горения.

Классификация видов и процессов горения и взрыва. 

Горение - одно из основных форм получения и преобразования энергии, основа многих технологических процессов производства. Поэтому человек постоянно изучает и познает процессы горения. История науки о горении начинается с открытия М.В. Ломоносова: «Горение есть соединение веществ с воздухом». Это открытие послужило основанием для открытия закона сохранения массы при физических и химических превращениях веществ. Лавуазье уточнил определение процесса горения: «Горение есть соединение веществ не с воздухом, а с кислородом воздуха».

Горение – сложный, быстро протекающий химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света. 

В основе процессов горения лежат экзотермические окислительно- восстановительные реакции, которые подчиняются законам химической кинетики, химической термодинамики и др. фундаментальным законам природы (закону сохранения массы, энергии и т.д.).

Схема процесса горения веществ

Обычно рассматривают химические реакции горючих веществ с кислородом воздуха. Например, горение каменного угля, состоящего в основном из углерода:

С(т) + О2(г) → СО2(г); ∆rН = - 393.5 кДж/моль,

где ∆rН < 0 – энтальпия химической реакции, указывающая, что при сгорании 12 г углерода (n = 1 моль) выделяется (- 393.5 кДж) энергия в форме теплоты.

Горение природного газа используется в кухонной газовой горелке, двигателе некоторых автомобилей, паровых турбинах электростанций или котельных горячего водоснабжения. В природном газе метан является основным компонентом (до 98 об.%). Его реакция с молекулярным кислородом воздуха сопровождается образованием оксида углерода (IV) и воды:

СН4(г) + 2О2(г) → 2Н2О(ж) + СО2(г); ∆rН = - 890.3 кДж/моль. 

Тлением называют беспламенное горение твердых тел.

Так горит кокс, применяемый в металлургии. При тлении процессы имеют низкую интенсивность и свечение красного типа. Взрыв также является разновидностью горения. Его отличие в том, что взрывчатые вещества уже содержат в своем составе и окислитель (-NO2), и восстановитель (-С-Н группы).

Взрыв – окислительно-восстановительный процесс, сопровождающийся выделением большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени.

Один и тот же вид горючего может гореть обычным путем и в виде взрыва. Например, при использовании в быту газовых горелок мы проводим обычный процесс горения. Но если заполнить природным газом все пространство кухни, то при возникновении искры или пламени произойдет взрыв.

Различают гомогенное и гетерогенное горение.

При гомогенном горючее и окислитель находятся в одной фазе (обычно в газовой, например, смесь метана с воздухом).

При гетерогенном они находятся в разных фазах, окислитель, как правило, газообразный (например, О2), а восстановитель твердый (уголь С, древесина, торф) или жидкий (бензин, мазут, дизельное топливо).

Наиболее общим свойством горения гомогенных горючих газовых смесей является проявление в определенных условиях прогрессивного самоускорения процесса – воспламенения.

Воспламенение – начальная стадия горения, в течение которой энергия, подводимая к системе от внешнего источника энергии, приводит к резкому ускорению химической реакции из-за прогрессивного накопления энергии (тепловое воспламенение) или активных промежуточных частиц (цепное воспламенение).

Роль воспламенителя может выполнять пламя, искра, накаленное тело или механическое воздействие в результате резкого сжатия горючей смеси (так происходит воспламенение горючей смеси в дизельном двигателе) или, например, трение различных материалов друг о друга. 

При воспламенении необходимо, чтобы концентрации горючего вещества и окислителя находились в определенном соотношении.

Классическим явлением воспламенения является процесс возникновения горения в небольшой части горючей смеси. В остальной части смеси реакция может начаться вследствие распространения тепла на весь объем. Источники воспламенения, вызывающие такой процесс, называются тепловыми. К ним относится искра, накаленное тело, пламя, а также электрические явления (электрические искры, дуги, разряды атмосферного электричества).

К воспламенению могут привести также оптические явления, например, фокусировка лучей линзами. Все тепловые источники нагревают очень незначительную часть горючей смеси, оставляя холодной остальную ее часть.

В отличие от воспламенения вспышка представляет собой воспламенение смеси воздуха с парами над жидкостью или твердым телом без загорания жидкости или твердого тела.

Вспышка возможна только в том случае, если состав паровоздушной смеси находится между верхним и нижним пределами воспламенения. Фактически вспышка – процесс неустойчивого, быстро прекращающегося горения.

При воспламенении накаленными телами должно выполняться правило: чем меньше размер тела, с помощью которого производят воспламенение, тем больше должна быть его температура. Тепловые источники очень маленьких размеров не могут воспламенить горючие смеси.

Воспламеняющая способность разнообразных физико-химических процессов связана с тем количеством энергии, которая выделяется в виде тепла при их проведении. Примером является воспламенение с использованием энергии электрических искр. Для каждой горючей смеси существует минимальная мощность электрической искры, способной ее воспламенить. Эта минимальная мощность зависит от состава, температуры, давления смеси. Увеличение мощности искр ведет к расширению концентрационных или температурных пределов воспламенения газовых смесей. Однако это происходит до определенной мощности, выше которой увеличение мощности искр не будет вызывать расширения пределов воспламенения смеси. Искры такой мощности называют насыщенными. Их использование в приборах по определению концентрационных или температурных пределов воспламенения дает такие же результаты, как воспламенение накаленными телами или пламенем. Насыщенные искры можно считать разновидностью высокотемпературных источников воспламенения. Наиболее эффективным источником воспламенения является пламя.

Воспламенение гетерогенных горючих смесей имеет свои особенности, отличающие их от гомогенных смесей. Из твердых горючих веществ наиболее легко воспламеняются волокнистые и мелкораздробленные материалы (хлопок, войлок, ткань, сено, шерсть, мучная и каменноугольная пыль и др.). Все они обладают малой теплопроводностью и большой удельной поверхностью, что способствует сохранению тепловой энергии искры в небольшом объеме горючего вещества и, как следствие, быстрому нагреву. Поскольку искра нагревает лишь небольшой объем твердых горючих веществ, то образующихся при этом газообразных продуктов разложения зачастую недостаточно для образования горючей смеси. Поэтому воспламенение искрами сопровождается обычно не горением волокнистых материалов, а тлением их углеродистого остатка. Для воспламенения твердых веществ с образованием пламени необходимы более мощные источники воспламенения и более длительное их действие, например, пламя, большие по величине накаленные тела ит.д.

Особое место в этом ряду занимает пламя, которое всегда является эффективным источником воспламенения как гомогенных, так и гетерогенных газовых смесей.

Для воспламенения твердых видов топлива их компоненты должны быть переведены в газообразное состояние или превращены в легковоспламеняющийся уголь. Для этого требуется нагрев до высокой температуры. В результате образуются горючие смеси с воздухом, которые могут воспламениться. Так, например, происходит воспламенение древесины или природного угля. Первой стадией этих процессов является разложение топлива с образованием летучих горючих веществ, или испарение летучих органических компонентов топлива. Затем происходит воспламенение горючей газовой смеси с воздухом. На следующем этапе от пламени воспламеняется само твердое топливо.

Горение жидкого топлива всегда сопровождается его испарением и горением в дальнейшем паров. В жидком виде топливо, как правило, не окисляется кислородом. В результате сгорает только та его часть, которая успела испариться.

В процессе распространения горения газовая смесь делится на две части: сгоревший газ и несгоревшая смесь, а их граница называется фронтом пламени. Она представляет собой тонкий газовый слой, в котором происходит процесс горения.

Распространение пламени встречается двух видов: детонационная волна и волна горения.  

Детонационная волна – один из видов ударной волны, распространение которой сопровождается тепловыделением благодаря реакциям во фронте волны. Эта волна поджигает следующую порцию газа. Главный признак детонационной волны - огромная разница давлений перед фронтом и позади его. Скорость детонационной волны выше скорости звука (в твердых взрывчатых смесях она может достигать 7-10 км/с) и процесс протекает как взрыв. Большое давление перед фронтом сильно сжимает газовую смесь и образует высоконагретые продукты, которые самовоспламеняются.

Волна горения распространяется посредством диффузии активных частиц в соседние зоны и теплопередачи к соседним слоям газа. Скорость перемещения фронта пламени значительно ниже скорости звука и при этом отсутствует большая разница давлений.