oOL23V78K6

Кроме продуктов сгорания (углекислого газа и воды), остается 3.76 молекулы азота. Азот воздуха в процессе горения участия не принимает, он целиком переходит в продукты сгорания.

1.3. Источники воспламенения (зажигания)

Для возникновения горения горючее вещество и окислитель должны быть нагреты до определенной температуры источником теплоты, источником воспламенения или зажигания.

Источник зажигания (воспламенения) – это любой источник теплоты,

способный нагреть горючее вещество до определенной температуры (температуры воспламенения или самовоспламенения).

Наиболее распространенными источниками зажигания являются:

–искры различного происхождения, появляющиеся при неисправности электрооборудования; при соударении металлических тел, при сварке, кузнечных работах и т. д.;

–нагретые тела;

–теплота, возникающая в результате трения;

–аппараты огневого действия;

–искровые заряды статического электричества;

–теплота адиабатического сжатия;

–перегрев электрических контактов;

–химические реакции, протекающие с выделением теплоты;

–пламя и др.

2. ПОЛНОЕ И НЕПОЛНОЕ ГОРЕНИЕ

При горении веществ и материалов образуются продукты сгорания. Состав продуктов сгорания зависит от состава горючего вещества и условий протекания горения.

Горение может быть полным и неполным. В том случае, когда в зону горения окислительная среда поступает в количестве, достаточном для полного окисления компонентов горючего вещества, образуются продукты полного сгорания. При полном сгорании веществ образуются продукты, неспособные

кдальнейшему горению: диоксид углерода, вода, азот, сернистый ангидрид.

Вусловиях пожара окислительной средой является воздух. Поэтому в состав продуктов сгорания будет входить азот, поступающий в зону горения вместе с кислородом воздуха. В том случае, когда в зону горения поступает воздуха больше, чем требуется по стехиометрии реакции, в состав продуктов

11

сгорания будет входить и избыток кислорода. Полное сгорание на практике происходит при избытке кислорода.

Если в зону горения поступает воздуха меньше, чем требуется по стехиометрии реакции горения, или в случае, когда горение осуществляется при низкой температуре, кроме продуктов полного сгорания образуются продукты неполного сгорания. При неполном сгорании горючих веществ образующиеся продукты способны к дальнейшему горению.

Продуктами неполного сгорания являются оксид углерода (угарный газ), сажа, продукты термоокислительной деструкции спиртов, кетонов и других органических соединений. Неполное сгорание горючих веществ происходит при недостатке кислорода.

Состав продуктов термоокислительной деструкции зависит от природы горючего вещества, температуры и условий взаимодействия горючей смеси с окислителем. Если в состав горючего вещества входят углерод, водород, кислород, хлор, азот, то продуктами являются углеводороды, диоксины (хлорсодержащие органические соединения), синильная кислота, спирты, альдегиды, кислоты, оксиды азота и т. п. При сгорании древесины, например, образуется более 200 компонентов продуктов сгорания, а при сгорании поливинилхлорида (полимер ПВХ) образуется более 75 различных компонентов.

Если сгорают неорганические вещества, в составе которых есть фосфор, натрий, калий, кальций, алюминий, магний, то продуктами сгорания будут оксиды этих веществ, находящиеся в твердом состоянии: Р2О5, Na2O, К2О, CaO, MgO, А12О3. Эти продукты сгорания находятся в воздухе в дисперсном состоянии в виде плотного дыма. Признаком неполного сгорания вещества органического состава также является наличие дыма, содержащего несгоревшие частички углерода.

Дым представляет собой дисперсную систему, состоящую из мельчайших твердых частиц, взвешенных в смесях продуктов сгорания с воздухом. Диаметр частиц дыма колеблется от 10–6 до 10–8 м.

Продукты неполного сгорания как при термической, так и при термоокислительной деструкции являются токсичными.

Под токсичностью обычно понимают степень вредного воздействия химического вещества на живой организм. К числу наиболее опасных соединений, в составе продуктов сгорания которых образуются вещества с высокой токсичностью, относятся полимерные материалы, строительные материалы (линолеум, пенопласты), резинотехнические изделия. При сгорании этих ма-

12

териалов образуются монооксид углерода (угарный газ), циановодород, хлористый водород, оксиды азота, акролеин, фосген и другие опасные вещества. Угарный газ является наиболее распространенным продуктом неполного сгорания. Это бесцветный газ без запаха и вкуса, с плотностью 1.25 кг/м3, слабо растворимый в воде, который горит синим пламенем с образованием СО2.

3. ВИДЫ И РЕЖИМЫ ГОРЕНИЯ

Процесс горения определяется следующими характеристиками:

–механизмом распространения зоны химической реакции (дефлаграционное и детонационное горение);

–природой химических реакций в зоне их протекания (гомогенное и гетерогенное горение);

–кинетическими параметрами режима горения (кинетическое и диффузионное горение);

–газодинамическими параметрами режима горения (ламинарное и турбулентное горение).

3.1. Распространение зоны химической реакции

Различают две характерные разновидности горения в зависимости от механизма распространения зоны химических реакций горения по горючей смеси: дефлаграционное и детонационное горение.

Дефлаграция – это процесс горения, сопровождающийся выделением огромного количества теплоты при сравнительно медленном распространении зоны химической реакции, со скоростью движения тепловой волны по горючей смеси от 0.5 до 50 м/с.

Детонация – это горение, при котором распространение зоны химической экзотермической реакции протекает со скоростью ударной волны, от нескольких сотен метров в секунду до нескольких километров в секунду.

3.2.Гомогенное и гетерогенное горение

Взависимости от агрегатного состояния компонентов горючей смеси (горючего вещества и окислителя) непосредственно в зоне протекания химических реакций различают два вида (режима) горения:

–гомогенное горение, когда оба компонента находятся в одной фазе (однородные горючие смеси);

–гетерогенное горение, когда агрегатное состояние у компонентов горючей системы различное (неоднородные горючие смеси).

13

Поскольку в качестве окислителя в реакциях горения чаще всего участвует кислород воздуха, т. е. один из компонентов горючей системы находится всегда в газообразном состоянии, гомогенное горение бывает в тех случаях, когда второй компонент горючей смеси – само горючее вещество – находится в таком же агрегатном состоянии: газоили парообразном.

Схематично гомогенное горение представлено на рис. 3.1. Гомогенным горением является горение паров, поднимающихся со свободной поверхности жидкости. Горение газа, выходящего из труб, также является примером гомогенного горения.

Жидкости и твердые горючие вещества горят преимущественно в режиме гетерогенного горения. В зону горения поступают не сами эти жидкости и твердые вещества, а газо- и парообразные продукты испарения этих жидкостей, а также продукты их термического разложения.

Примером горения на поверхности твердого вещества – гетерогенного горения – является горение кокса, антрацита, древесного угля. В этом случае диффузии кислорода к зоне горения также препятствуют продукты сгорания, как видно из схемы (рис. 3.2).

Продукты сгорания

	воздуха
Пары	кислород

Горючая жидкость

Смесь продуктов

сгорания и воздуха

OCO,	Кислород воздуха	C1	Расстояние	поверхностидо	антрацита
)
2
, N
2
,		C0
2
(CO	Антрацит	Концентрация
		кислорода

	Рис. 3.1. Схема зоны горения	Рис. 3.2. Схема диффузии кислорода в зону горения
	паров жидкости (гомогенное
		твердого вещества (гетерогенное горение)
	горение)

Концентрация кислорода в объеме (С1) значительно больше концентрации его вблизи зоны горения (С0). В отсутствие достаточного количества кислорода в зоне горения химическая реакция горения тормозится.

3.3. Кинетические параметры процесса горения

Гомогенное или гетерогенное горение может протекать в кинетическом или диффузионном режимах горения.

Наличие того или иного режима горения определяется временем сгорания горючего вещества. Рассмотрим протекание процесса горения в зависи-

14

мости от времени сгорания. Обозначим время сгорания горючей смеси τг; время контакта между горючим веществом и окислителем (кислородом) – τк; время протекания самой химической реакции – τх. Тогда полное время сгорания горючей смеси τг будет складывается из времени, необходимого для возникновения контакта между горючим веществом и окислителем (кислородом) τк и времени, в течение которого протекает сама химическая реакция τх:

τг = τк + τх.

В зависимости от соотношения этих двух слагаемых в данном уравнении различают горение кинетическое и диффузионное. При горении твердых горючих веществ время, необходимое для проникновения (диффузии) кислорода к поверхности вещества, гораздо больше времени собственно химической реакции, τк >> τх. Поэтому общая скорость горения полностью определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу. Горение таких веществ наиболее часто встречается в практике и называется диффузионным. В этом случае говорят, что процесс горения протекает в диффузионной области, или диффузионном режиме, при этом общее время горения практически можно рассматривать как г к . Это означает, что процесс горения

определяется в основном диффузией кислорода к горючему веществу. Горение, скорость которого определяется скоростью химической реак-

ции, называется кинетическим. Необходимым условием для кинетического горения является преобладание τх над τк, т. е. τх >> τк. В этом случае можно принять г х. Следовательно, процесс горения протекает в кинетической

области, или кинетическом режиме. В таком режиме горят однородные горючие системы, в которых молекулы кислорода хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества, и не затрачивается время на смесеобразование. Так как скорость химической реакции при высокой температуре велика, горение таких смесей происходит мгновенно и носит характер взрыва.

Горение предварительно равномерно перемешанных газоили паровоздушных смесей всегда протекает в кинетическом режиме, так как смесь горючего с окислителем (равномерная на молекулярном уровне смешения) существует еще до момента ее воспламенения, и суммарная скорость процесса горения лимитируется только скоростью химических реакций окисления и скоростью перемещения зоны реакций горения по горючей смеси. Если горение такой газовоздушной смеси происходит в замкнутом или ограниченном объеме, оно воспринимается как взрыв, так как энергия, выделяющаяся при

15

Горючая жидкость

Рис. 3.3. Схема ламинарно-диффузионного горения

Воздух

Воздух

Зона

горения

Продукты сгорания

сгорании смеси, не успевает отводиться за пределы рассматриваемого объема, давление возрастает и может привести к разрушению конструкции.

Примером спокойного кинетического горения является горение газоводушной смеси на конфорках кухонной газовой плиты, когда смесь хорошо подготовлена и пламя имеет равномерную сине-голубую окраску (без желтых или красноватых оконечностей языков пламени). Появление желтооранжевых зон в пламени – признак недостатка воздуха, плохого смешения, образования продуктов неполного сгорания, в том числе светящихся желтым светом сажистых частиц. Также кинетическим горением является сгорание метана в устье газового факела. При истечении метана под большим давлением смешивание его с воздухом перед факелом пламени столь интенсивно и равномерно, что пламя будет почти полностью кинетическим.

Примером диффузионного горения является горение фонтанирующей нефти, горение при пожарах в резервуарах с легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ), горючими жидкостями или горение штабелей древесины.

3.4.Газодинамические параметры режима горения

Взависимости от газодинамического состояния горючей смеси, а именно характера потока горючей смеси и окислителя, различают ламинарный и турбулентный режимы горения. Газодинамическое состояние характеризуется интенсивностью поступления горючей смеси в зону реакции.

Ламинарный режим горения

характеризуется спокойным поступлением в зону горения компонентов горючей смеси. При таком режиме

горения наблюдается плавный переход от зоны смесеобразования к зоне горения и далее к зоне формирования потока продуктов горения.

На рис. 3.3 дана схема ламинар- но-диффузионного режима горения. Зона горения представляет собой тон-

кий слой, в котором протекает непосредственно горение. В этом слое возникают диффузионные процессы: соприкосновение слоев воздуха и горючего.

При турбулентном режиме горения компоненты горючей смеси поступают в зону горения бурно, образуя завихрения. Такой режим характерен для горения газов.

16

Под турбулентностью следует понимать поступление газовоздушных смесей из емкостей или аппаратов с большой скоростью движения газового потока. При таком режиме происходит интенсивное перемешивание горючих газов.

лам	1	1
			1

а

б

в

г

Рис. 3.4. Режимы горения: а – ламинарное; б – мелкомасштабная турбулентность; в – масштаб турбулентности превышает толщину зоны горения; г – крупномасштабная турбулентность

На рис. 3.4 показаны режимы ламинарного и турбулентного горения газовоздушной горючей смеси. Зона горения при ламинарном режиме имеет четкую границу (δлам); при турбулентном режиме зона горения размыта (δ1).

4. СТАДИИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Процесс горения – это многоступенчатый процесс, состоящий из стадий (см. рис. 4.1). Холодная горючая среда (твердая, жидкая или газообразная) при появлении теплового импульса (источника зажигания) разогревается, происходит интенсивное окисление горючей среды кислородом, при этом имеет место дополнительное выделение теплоты. Выделившаяся теплота разогревает соседний слой горючего вещества, в котором также протекает химическая реакция горения.

Горению жидкости предшествует процесс ее испарения под действием теплоты от источника зажигания. При этом над поверхностью горючей жидкости образуется смесь горючих паров или газов с воздухом (кислородом).

17

Источник зажигания

Горючее вещество

Твердое				Жидкое			Газообразное

Разложение Плавление

Испарение

Окисление

Выделение теплоты

Горение

Самонагревание

Рассеивание

в окружающей среде

Рис. 4.1. Схема процесса горения веществ

Горение твердых веществ проходит те же стадии, что и горение жидкостей, но вместо испарения наблюдается стадия плавления или разложения под действием теплоты от источника зажигания.

Лабораторная работа № 1 СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ГОРЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ И ТИПА ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ

Цель работы: сформировать навыки написания уравнений горения для горючих веществ, взятых в количестве 1 моль.

Общие положения

Уравнения сначала составляются для процесса горения в кислороде, затем – для процесса горения в воздухе. Необходимо обратить внимание на написание уравнений горения веществ, в состав которых входит кислород.

Для составления уравнения горения в чистом кислороде слева указывают химическую формулу горючего вещества и кислород в количестве, необходимом для реализации окислительно-восстановительного процесса, именуемого горением, а справа – продукты горения в количестве, соответствующем левой части. Для упрощения проведения дальнейших расчетов, связанных с процессом горения, удобно, чтобы горючее вещество было представлено в количестве 1 моля (коэффициент для горючего вещества равен 1). Коэффициент для кислорода в этом случае может быть дробным.

Для процесса горения этана левая часть уравнения будет выглядеть следующим образом: С2Н6 + 3.5О2 =.

18

При сгорании вещества в воздухе необходимо учитывать, что в состав последнего, помимо кислорода, входят азот и негорючие примеси. Для упрощения такого уравнения считают, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79 % азота (остальными примесями пренебрегают, включая их в состав азота).

Расчет показывает, что на одну часть (по объему) кислорода приходится 3.76 объемных частей азота (79:21 = 3.76). Тогда левая часть уравнения горения примет вид: С2Н6 + 3.5(О2 + 3.76N2) =.

Для того чтобы определить продукты сгорания, рассматривают состав горючего вещества и свойства отдельных его компонентов, а также количество окислителя. Если окислителя достаточно для полного протекания реакции горения, говорят о полном сгорании вещества. Полное сгорание характеризуется образованием веществ (продуктов сгорания), которые не способны к дальнейшему горению. При полном сгорании углерод превращается в оксид углерода (IV) – СO2, водород – в воду (Н2О). Азот в процессе горения не участвует, поэтому полностью и без изменений перейдет в продукты сгорания.

В окончательном виде уравнение горения этана примет вид: в кислороде С2Н6 + 3.5О2 = 2СO2 + 3Н2О;

на воздухе С2Н6 + 3.5(О2 + 3.76N2) = 2СO2 + 3Н2О + 13.16N2.

Скобки, внутри которых приведен состав воздуха в левой части уравнения, можно не раскрывать.

В приведенных уравнениях горения состав продуктов горения обусловлен тем, что горючее вещество состоит из двух компонентов – углерода и водорода. При сгорании любых углеводородов продуктами сгорания будут углекислый газ и вода, причем количество молекул углекислого газа определяется числом атомов углерода в горючем веществе, а число молекул воды в два раза меньше количества атомов водорода.

Если в состав горючего вещества входят другие компоненты, они учитываются в продуктах горения следующим образом. Хлор, входящий в состав горючего вещества, выделяется в процессе горения в виде хлороводорода (HCl). Сера окисляется до оксида серы (IV) – SO2, фосфор – до оксида фосфора (V) – Р2О5. Азот при горении выделяется в свободном виде (N2), так как до температуры 2000 °С химически инертен. Кислород, входящий в состав горючего вещества, участвует в процессе горения и в свободном виде не выделяется. Примерами уравнений горения таких веществ являются уравнения горения:

19

дихлорэтана

ClCH2–CH2Cl + 2.5(O2 + 3.76N2) = 2СО2 + Н2О + 9.4N2 + 2HCl;

диметилсульфида

CH3–S–CH3 + 4.5(O2 + 3.76N2) = 2СО2 + 3Н2О + 16.92N2 + SО2;

этилендиамина

NH2–CH2–CH2–NH2 + 4(O2 + 3.76N2) = 2СО2 + 4Н2О + 16.04N2

или

NH2–CH2–CH2–NH2 + 4(O2 + 3.76N2) = 2СО2 + 2Н2О + 15.04N2 + N2;

этилового спирта

C2H5OH + 3(O2 + 3.76N2) = 2СО2 + 3Н2О + 11.28N2,

фенантрена

C14H10 + 16.5(O2 + 3.76N2) = 14СО2 + 5Н2О + 62.04N2.

Если в состав горючего вещества входит кислород, то для процесса горения требуется меньше воздуха; причем чем больше кислорода в горючем веществе, тем меньше воздуха необходимо (сравните уравнения горения этана и этилового спирта).

Если окислителя (кислорода) недостаточно, образующиеся продукты сгорания способны к продолжению горения. К таким веществам относятся оксид углерода (II), сероводород, циановодородная кислота, аммиак, альдегиды. Присутствие таких веществ в зоне горения опасно, так как при дополнительном поступлении кислорода процесс может начаться снова. Наличие дыма при горении свидетельствует о неполном сгорании веществ. Такой процесс характерен для пожаров, вызванных горением органических веществ.

Для написания уравнений горения удобнее пользоваться формулами горючих веществ, отражающими только их количественные и качественные характеристики. Например, ацетон имеет формулу CH3СОCH3. Для составления уравнения горения это вещество удобнее представить в виде С3Н6О.

20