ВОПРОС 2. Механизм процесса горения газов

Возможно, вы уже знакомы с вопросами, которые нам предстоит сегодня рассмотреть. Но мы будем рассматривать их с тех позиций и в том ключе, которые необходимы для изучения курса «Пожарная безопасность технологических процессов».

Но прежде давайте вспомним с вами, как протекают процессы горения, какие условия возникновения процесса горения, и какие существуют виды горения.

Горение - это сложный физико-химический процесс, для которого характерны три признака: химическое превращение, выделение тепла, излучение света.

К реакциям горения относятся экзотермические и цепные реакции, способные распространяться на большие расстояния в виде волн химического превращения – пламени и детонационных волн.

В основе процесса горения лежат быстропротекающие окислительно-восстановительные реакции в веществе, которое в исходном состоянии было инертно.

Решающим фактором при этом является выделение тепла и образование активных центров в процессе этой быстропротекающей химической реакции.

Одно из обязательных условий возникновения процесса горения – это наличие горючего вещества, окислителя и источника зажигания.

Итак, возникновение и протекание процесса горения определяются следующими условиями: наличием горючего вещества, окислителя (кислорода или воздуха) и источника зажигания (воспламенения).

Процесс горения объединяет физические и химические процессы.

Физические – это процессы тепломассообмена и переноса тепла в реагирующей системе.

Химические – окислительно-восстановительные реакции, состоящие из целого ряда элементарных актов, и связанные переходом электронов от восстановителя к окислителю.

Кроме того, к реакциям горения относят только те окислительно-восстановительные реакции, время протекания для которых измеряется секундами или долями секунд, и в процессе которых идет выделение значительного количества тепла, достаточное для того, чтобы процесс стал способным к самоподдержанию и самораспространению.

Горение может происходить в разных окислительных средах (CI₂, Br₂, F₂ и др.).

На практике же, в основном, мы имеем дело с горением в воздухе.

Состав воздуха: азот 78%, кислород 21%, аргон 1%.

Для практических расчетов состав воздуха: азот 79%, кислород 21%.

Объемное соотношение кислорода и азота:

φ_N2/φ_O2 =79/21=3,76 где φ_N2, φ_O2 – соответственно объемные (% об.) содержания азота и кислорода в окислительной среде.

Тогда уравнение горения, например, метана в воздухе примет следующий вид:

СН₄ + 2(О₂ +3,76 N₂)→ СО₂ + 2Н₂О + 2∙ 3,76N₂ + Q

Надо иметь в виду, что уже часть тепла, выделившегося в результате реакции горения, будет затрачиваться на нагревание азота, а значит, и численное значение Q ( кДж ) будет несколько ниже.

Горючее вещество и окислитель (кислород или воздух) являются реагирующими веществами и составляют горючую систему, а источник зажигания вызывает в ней реакцию горения. При установившемся горении источником зажигания (воспламенения) служит зона реакции горения.

Горючие системы могут быть однородными и неоднородными.

Однородные горючие системы создаются, когда окислитель и горючее вещество перемешены равномерно.

К ним относятся паро-газовоздушные смеси. И горение таких систем относят к гомогенному горению.

Примером горения паров и газов (гомогенное горение) является горение паров, поднимающейся со свободной поверхности жидкости, или горение газа, выходящего из трубы.

Неоднородные горючие системы образуются, когда горючее вещество и окислитель не перемешаны и имеют поверхности раздела. К ним относятся твердые горючие вещества и материалы, а также и жидкости, находящиеся в воздухе; струи горючих газов и паров, поступающие в воздух и т.д. Горение таких горючих систем относят к гетерогенному горению.

Примером горения на поверхности твердого вещества (гетерогенное горение) является горение антрацита, кокса, древесного угля.

Горение газовых смесей. Виды горения.

Итак, возникновение и протекание процесса горения определяется следующими условиями: наличие горючего вещества, окислителя и источника зажигания (воспламенения).

Горючее вещество и окислитель представляют собой реагирующую систему, а источник зажигания (воспламенения) является инициатором реакции горения.

При установившемся горении источником воспламенения служит зона реакции.

Горючие или реагирующие системы могут быть однородными и неоднородными.

Однородные системы – горючее вещество и окислитель перемешаны равномерно.

К ним относятся паро-газовоздушные смеси. Горение таких систем называется гомогенным (гомогенное).

Неоднородные горючие системы – горючее вещество и окислитель не перемешаны и имеют поверхность раздела.

К таким неоднородным системам относят: твердые горючие вещества; жидкости, находящиеся в воздухе; струи горючих газов и паров, поступающих в воздух и т.п. Горение таких систем называют гетерогенным (гетерогенное).

Примером гомогенного горения является горение паров, поднимающихся со свободной поверхности жидкости, например, при разливе жидкости.

В данном примере скорость реакции горения будет зависеть от скорости поступления кислорода из воздуха в зону горения, т.е. от скорости диффузии кислорода.

Воздух

Воздух

Продукты сгорания

В случае же гетерогенного горения кислород из воздуха также поступает в зону горения.

Диффузии кислорода в этом случае препятствуют продукты сгорания и поэтому концентрация кислорода в зоне горения значительно ниже концентрации кислорода в воздухе.

Кислород воздуха Слой продуктов сгорания и воздуха (СО, СО₂, О₂, N₂)

Уголь

В зависимости от условий горения, смесеобразования различают диф­фузионное и кинетическое горения газов и газовых смесей.

Скорость превращения исходных продуктов горения в продуктах сгорания зависит от скорости их смешения путем, диффузии и от скорости химической реакции.

Полное время сгорания будет складываться из времени необходимого для возникновения контакта между горючими веществами и окислителем и временем, необходимым для протекания химической реакции:

τ_г = τ_ф + τ_х, где

τ_г – время сгорания; τ_ф – время физического контакта; τ_х- время, необходимое для реакции.

В случае гомогенного горения: τ_ф – время смесеобразования или время перемешивания паров и окислителя.

В случае гетерогенного горения: τ_ф – время транспортировки кислорода из воздуха к твердой поверхности горения.

Соотношение τ_ф и τ_х определяют следующие виды горения:

· диффузионное, когда τ_ф ≥ τ_х, а τ_г ≈ τ_ф, т.е. скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу;

· кинетическое, когда τ_ф << τ_х, а τ_г ≈ τ_х, т.е. скорость горения определяется только скоростью химической реакции.

Практически все пожары представляют собой диффузионное горение.

Кинетическое горение газов.

Дата добавления: 2014-01-07