Термическое разложение исходных соединений

О

Элементы тепловой теории гашения пламени

Вопрос 1. Предельные параметры процессов горения.

Тема № 9. Основные представления тепловой теории гашения пламени.

РАЗДЕЛ IV. Предотвращение и прекращение процессов горения.

«Предвидеть, значит управлять»

Блез Паскаль

Лекция № 17. Вопросы:

1. Предельные параметры процессов горения. Элементы тепловой теории гашения пламени

2. Гашение пламени в узких каналах. Огнепреградители.

Теоретическое значение температуры пламени составляет 2000-3000 К. При горении в условиях пожара за счет потерь теплоты на излучение зоны горения и химического недожога температура пламени редко превышает 1700-1800 К. Температура зоны горения в условиях пожара в значительной степени зависит от вида горючего материала, его агрегатного состояния и условий тепло- и массообмена. Поэтому можно условно принять, что верхние температурные пределы на пожаре лежат в интервале при горении: горючих газов 1600 - 1800 К

жидкостей 1500 - 1600 К

твердых горючих материалов 1400 - 1500 К

Для специалистов пожарной охраны с точки зрения прекращения горения наибольший интерес представляет нижний температурный предел. Ориентировочно его можно оценить по теплоте горения.

Нижний предел теплоты горения большинства углеводородо - воздушных смесей Q_H(min) ⁼ 1830 кДж/м. С учетом тепловых потерь излучением (около 20 %) на нагрев продуктов горения остается примерно 1460 кДж/м³.

3 я

Учитывая, что из 1 м горючей смеси образуется примерно 1 м продуктов горения, приведенного к нормальным условиям, и что средняя теплоемкость продуктов горения в интервале температур от 100 до 1000 °С примерно

равна 1,45 кДж/м -град, получим: С>пред - AQ

пот 1460

Т_ГОр(пред) =.................................. - -------------- «1000 °С. (8.1)

£V_nr- с_р 1,45

Ниже этой температуры пламенное горение в большинстве случаев становится невозможным, пламя гаснет и процесс горения прекращается.

Количество теплоты, выделяющейся при горении во фронте пламени, равно:

q₊ = Q_p- V • w = Q_p • V • ko-c_r-c_OK-exp(- E/RT), (8.2)

где Q_p - тепловой эффект реакции горения.

Теплота, выделяемая в зоне горения, расходуется на излучение и конвекцию, т.е. для суммарного теплоотвода с единицы поверхности зоны горения можно записать:

Ч_ = Яи + Яконв= в-а(Т_г⁴ - Т₀⁴) + а(Т_г - Т₀), (8.3)

где в - степень черноты факела пламени: а - постоянная Стефана-Больцмана; а - коэффициент теплоотдачи;

Т_г и Т₀ - соответственно, температура горения и окружающей среды, К.

Графически, как функции температуры, выражения (8.2) и (8.3) имеют вид, представленный на рис.8.1.

Рис.8.1. Зависимость скорости тепловыделения и теплоотвода от температуры

Здесь нижняя ветвь кривой тепловыделения q+ представляет собой экспоненту. Функция теплоотвода q_ представляет собой кривую линию. Если менять условия горения, например, температуру окружающей среды Т₀, то она будет перемещаться параллельно самой себе.

Анализ данного графика раскрывает основное содержание и физико- химический смысл тепловой теории гашения пламени. Отрезок АС кривой тепловыделения соответствует устойчивому состоянию горючей газо- паро­воздушной смеси, когда реакции горения отсутствуют.

После воспламенения газов и паров пламя практически мгновенно переходит в точку Г на графике, температура которой соответствует температуре горения Т_г в зоне реакции. Эта точка устойчивого состояния пламени, характеризующегося динамическим тепловым равновесием: тепловыделение равно теплоотводу.

Если снизить или повысить температуру путем кратковременного воздействия, пламя возвратится в точку Г, и горючее вещество будет гореть до полного выгорания.

Но пламя по-иному поведет себя, если каким-нибудь способом понижать температуру в зоне горения. В этом случае кривая теплопотерь q_ будет перемешаться влево от точки Г, и пламя придет в точку П. Здесь пламя также будет находиться в равновесии, но оно уже будет неустойчивым. Чуть понизить температуру еще - пламя тут же возвращается на отрезок АС, т.е. гаснет. Следовательно точка П соответствует критическому режиму горения. Температура пламени в точке П называется температурой гашения, Т_гаш.

Количественно тепловая теория гашения пламени базируется на основном представлении о том, что процесс горения протекает в довольно узком характеристическом интервале температуры:

е = (RT_r²)/E (8.4)

где Т_г - адиабатическая температура горения, К.

Для кинетического режима горения температура гашения будет равна: Т_гаш^кин = Т_г - 0. (8.5)

В таком случае, например, для углеводородов, у которых Т_г = 2400 К, Е = 130 кДж/моль, R = 8,3 Дж/моль, температура гашения пламени будет равна:

Т_гаш^кин 0 = 2400 - (8,31- 2400²)/(130-10³) «2000 К, (8.6)

то есть 0» 400 К.

неполного горения (оксида углерода, сажи, копоти, смол и др.), протекают во фронте пламени;

• диссоциация продуктов горения;

• ионизация.

На процесс термического разложения влияют, в первую очередь, температура и продолжительность нагревания. Существенную роль может играть поверхность приемника тили трубки: железо и никель ускоряют процесс разложения путем инициирования гетерогенных реакций на поверхности. Стекло, кварц, хром и высокохромированные стали не обладают таким поверхностным каталитическим действием. Чем выше температура и ниже давление, тем сильнее возрастает выход газообразных продуктов. Экспериментально установлено, что процессы разложения органических соединений протекают за время порядка 0.001 секунды. На начальных стадиях обычно рвутся химические связи с наименьшей энергией разрыва. Энергия разрыва С—С-связи в парафиновых углеводородах уменьшается в следующем порядке:

СН₃ —СН₂ > СН₂—СН₂ > СН —СНз > СН— СН₂ > СН— сн По увеличению термической стабильности углеводороды можно расположить в следующий ряд:

н-парафины < разветвленные парафины < циклопарафины < ароматические < < полициклические ароматические.

С ростом молекулярной массы термическая стойкость углеводородов падает. Парафины с двумя или несколькими углерода в молекуле начинают заметно разлагаться уже при температуре 400 - 600 °С.

При термическом разложении углеводородов протекают многочисленные сопутствующие реакции, в результате которых образуются этан, этилен, ацетилен. Например, при крекинге метана может реализоваться «цепочка»:

2СН4 С₂Н₆ -> С₂Н4 -> С₂Н₂ 2С + Н₂

Для диффузионного режима горения теория дает температуру гашения пламени ниже на 39, т.е.:

Т_гаш^диф =Т_Г -30. (8.7)

Температурный интервал кинетического горения углеводородов узкий, всего около 400 К, а фактическая температура в зоне горения близка к адиабатической, т.е. к ее верхнему пределу.

Температурный интервал существования диффузионного пламени очень широкий, до 1100 К, а фактическая температура в зоне горения ближе к температуре гашения.

Однако и кинетическое и диффузионное пламя можно погасить охлаждением зоны горения всего на 100-300 К.

Необходимо отметить, что приведенные вычисления носят ориентировочный характер, величины указанных температур будут, естественно, различаться у разных углеводородов и, конечно же, будут ниже у веществ, содержащих кроме С и Н гетероатомы: О, S, N и пр.

увеличить теплоотвод

I

Таким образом, тепловая теория гашения свидетельствует о существовании критической температуры Т_гаш, ниже которой процессы горения протекать не могут. Достичь ее можно разными путями:

Достичь Т_гаш можно, если

I

снизить тепловыделение

снизить Т

о

снизить концен- снизить к₀ повысить а трации С_г и С_0К и повысить е из зоны горения

4. 4,

разбавить горю- ввести в чую смесь него- зону горе-

I

повысить коэфф. черноты зоны