Что называют горением экзотермическая реакция

Горение

Горе́ние — сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Описать природу горения можно как бурно идущее окисление.

Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.

Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.

Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.
Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).

Содержание

Теория горения

При адиабатическом сжигании горючей смеси могут быть рассчитаны количество выделившегося при горении тепла, температура Т_Г, которая была бы достигнута при полном сгорании (адиабатическая температура горения) и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамические функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, Т_Г может быть рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы при постоянном объёме или её энтальпии при постоянном давлении в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: Т_Г = Т0 + Q_r/C, где Т₀ — начальная температура смеси, С — средняя в интервале температур от Т₀ до Т_Г удельная теплоёмкость исходной смеси (с учетом её изменения при возможных фазовых переходах), Q_r — удельная теплота сгорания смеси при температуре Т_Г. При относительном содержании а₀ в смеси компонентов, полностью расходуемых в реакции, Q_Г = Q*а₀ где Q — тепловой эффект реакции горения. Значение Т_Г при постоянном объёме больше, чем при постоянном давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатичекого горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакционным объёмом и окружающей средой, например в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.
Термодинамический расчёт даёт лишь частичную информацию о процессе — равновесный состав и температуру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло- и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетического подхода, рассматривающего химическую реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества.
В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всём пространстве, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде так называемой волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону.

Описание процессов горения

Важность процесса горения в технических устройствах способствовала созданию различных моделей, позволяющих с необходимой точностью его описывать. Так называемое нулевое приближение включает описание химических реакций, изменение температуры, давления и состава реагентов во времени без изменения их массы. Оно соответствует процессам происходящим в закрытом объёме, в который была помещена горючая смесь и нагрета выше температуры воспламенения. Одно-, двух- и трёхмерные модели уже включает в себя перемещение реагентов в пространстве. Количество измерений соответствует количеству пространственных координат в модели. Режим горения бывает как и газодинамическое течение: ламинарным или турбулентным. Одномерное описанное ламинарного горения позволяет получить аналитически важные выводы о фронте горения, которые затем используются в более сложных турбулентных моделях.

Объёмное горение

Объемное горение происходит, например, в теплоизолированном реакторе идеального перемешивания, в который поступает при температуре Т₀ исходная смесь с относительным содержанием горючего а₀; при другой температуре горения реактор покидает смесь с иным относительным содержанием горючего а. При полном расходе G через реактор условия баланса энтальпии смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны уравнениями:

где w(а, Т) — скорость реакции горения, V — объём реактора. Используя выражение для термодинамической температуры Т_Г, можно из (1) получить:

и записать (2) в виде:

где q_—T = GC(T — Т₀) — скорость отвода тепла из реактора с продуктами сгорания, q₊T = Qw(a, Т)V — скорость выделения тепла при реакции. Для реакции n-ного порядка с энергией активации:

Диффузионное горение

Характеризуется раздельным подачей в зону горения горючего и окислителя. Перемешивание компонентов происходит в зоне горения. Пример: горение водорода и кислорода в ракетном двигателе, горение газа в бытовой газовой плите.

Горение предварительно смешанной среды

Как следует из названия, горение происходит в смеси, в которой одновременно присутствуют горючее и окислитель. Пример: горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания бензиново-воздушной смеси после инициализации процесса свечой зажигания.

Особенности горения в различных средах

Беспламенное горение

В отличие от обычного горения, когда наблюдаются зоны окислительного пламени и восстановительного пламени, возможно создание условий для беспламенного горения. Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора, например, окисление этанола на платиновой черни.

Твердофазное горение

Это автоволновые экзотермические процессы в смесях неорганических и органических порошков, не сопровождающиеся заметным газовыделением, и приводящие к получению исключительно конденсированных продуктов. В качестве промежуточных веществ, обеспечивающих массо-перенос, образуются газовые и жидкие фазы, не покидающие, однако, горящую систему. Известны примеры реагирующих порошков, в которых образование таких фаз не доказано (тантал-углерод).

Как синонимы используются тривиальные термины «безгазовое горение» и «твердопламенное горение».

Примером таких процессов служит СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) в неорганических и органических смесях.

Тление

Вид горения, при котором пламя не образуется, а зона горения медленно распространяется по материалу. Тление обычно наблюдается у пористых или волокнистых материалов с высоким содержанием воздуха или пропитанных окислителями.

Автогенное горение

Самоподдерживающиеся горение. Термин используется в технологиях сжигания отходов. Возможность автогенного (самоподдерживающегося) горения отходов определяется предельным содержанием балластирующих компонентов: влаги и золы. На основе многолетних исследований шведский учёный Таннер предложил для определения границ автогенного горения использовать треугольник-схему с предельными значениями: горючих более 25 %, влаги менее 50 %, золы менее 60 %.

Источник

Классификация реакций

Существует несколько классификаций реакций, протекающих в неорганической и органической химии.

По характеру процесса

Так называют химические реакции, где из нескольких простых или сложных веществ получается одно сложное вещество. Примеры:

В результате реакции разложения сложное вещество распадается на несколько сложных или простых веществ. Примеры:

В ходе реакций замещения атом или группа атомов в молекуле замещаются на другой атом или группу атомов. Примеры:

К реакциям обмена относятся те, которые протекают без изменения степеней окисления и выражаются в обмене компонентов между веществами. Часто обмен происходит анионами/катионами:

AgF + NaCl = AgCl↓ + NaF

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР)

Замечу, что окислителем и восстановителем могут являться только исходные вещества (а не продукты!) Окислитель всегда понижает свою СО, принимая электроны в процессе восстановления. Восстановитель всегда повышает свою СО, отдавая электроны в процессе окисления.

ОВР уравнивают методом электронного баланса, с которым мы подробно познакомимся в разделе «Решения задач».

Обратимые и необратимые реакции

Классическим примером обратимой реакции является синтез аммиака и реакция этерификации (из органической химии):

Необратимые реакции протекают только в одном направлении, до полного расходования одного из исходных веществ. Главное отличие их от обратимых реакций в том, что образовавшиеся продукты реакции не взаимодействуют между собой с образованием исходных веществ.

Примеры необратимых реакций:

NaOH + HCl = NaCl + H₂O (образуется вода)

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂ (сопровождается выделением большого количества тепла)

Реакции и агрегатное состояние фаз

Фазой в химии называют часть объема равновесной системы, однородную во всех своих точках по химическому составу и физическим свойствам и отделенную от других частей того же объема поверхностью раздела. Фаза бывает жидкой, твердой и газообразной.

К гетерогенным реакциям относятся следующие реакции (примеры): жидкость + газ, газ + твердое вещество, твердое вещество + жидкость. Примером такой реакции может послужить взаимодействие твердого цинка и раствора соляной кислоты:

К гомогенным реакциям относятся (примеры): жидкость + жидкость, газ + газ. Примером такой реакции может служить взаимодействие между растворами уксусной кислоты и едкого натра.

Реакции и их тепловой эффект

NaOH + HCl = NaCl + H₂O + 56 кДж

К экзотермическим реакциям часто относятся реакции горения, соединения.

Исключением является взаимодействие азота и кислорода, при котором тепло поглощается:

Как уже было отмечено выше, если тепло выделяется во внешнюю среду, значит, система реагирующих веществ потеряло это тепло. Поэтому не должно казаться противоречием, что внутренняя энергия веществ в результате экзотермической реакции уменьшается.

Энтальпией называют (обозначение Н), количество термодинамической (тепловой) энергии, содержащееся в веществе. Иногда с целью «запутывания» в реакции вместо явного +Q при экзотермической реакции могут написать ΔH 0, так как внутренняя энергия веществ увеличивается. Например:

CaCO₃ = CaO + CO₂↑ ; ΔH > 0 (значит реакция эндотермическая, так как внутренняя энергия увеличивается)

Замечу, что не все реакции разложения являются эндотермическими. Широко известная реакция разложения дихромата аммония («вулканчик») является примером экзотермического разложения, при котором тепло выделяется.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Горение (процесс горения)

Горение (процесс горения)

Вы можете посмотреть авторское определение термина «процесс горения» профессора Абдурагимова И.М. с подробными разъяснениями сути этого явления или прочитать определения из разных источников ниже:

Определение

Источник

экзотермическая реакция, протекающая в условиях ее прогрессивного самоускорения

пункт 2.1.1 ГОСТ 12.1.044-89 (ИСО 4589-84) «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов»

экзотермическая реакция окисления вещества, сопровождающаяся по крайней мере одним из трех факторов: пламенем, свечением, выделением дыма

пункт 1.5 СТ СЭВ 383-87 «Пожарная безопасность в строительстве» термины и определения (утратил силу)

химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и обычно свечением

пункт 1 ОСТ 78-2-73 Горение и пожарная опасность веществ. Терминология (утратил силу)

экзотермическая реакция сгорания вещества в окислителе

химический процесс, основывающийся на избирательном сродстве кислотвора воздуха к горящему телу и во взаимном их химическом соединении

«Практическое наставление брандмейстерам» Санктпетерберг, Типография В. Плавильщикова 1818 г., стр.71

всякое быстрое соединение какого-нибудь вещества с кислородом, при котором отделяется такое количество тепла, что происходит накаливание, обыкновенно называется горением этого вещества. Но это определение не полно, потому что предметы могут гореть не в одном только кислороде, но и во многих других газах.Поэтому горением следует называть все происходящие в предметах изменения, называемые реакцией, которые только сопровождаются отделением света и большого количества теплоты.

Николаев А. Пожарная книга. Постановления закона о предосторожностях от огня и руководство к тушению всякого рода пожаров. С-Петерберг, Типография М. Стасюлевича 1875 г., стр.42

всякий химический экзотермический процесс, сопровождающийся столь энергичным выделением тепла, что при этом процессе появляется свечение

Тидеман Б.Г. Сциборский Д.Б. Химия горения, Издательство Наркомхоза РСФСР, Ленинград 1940 Москва, с 6

химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света

Демидов П.Г. Основы горения веществ, издательство Министерства коммунального хозяйства РСФСР, Москва, 1951 год. с.7

быстро протекающая химическая реакция, сопровождающаяся выделением тепла и излучением света

Годжелло М.Г., Демидов П.Г., Джалалов Е.М., Коршак З.В., Рябов И.В. «Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости» Из-во Министерства коммунального хозяйства РСФСР, Москва, 1956

всякая быстро протекающая химическая реакция, сопровождающаяся выделением тепла и света

Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва, Москва, Издательство Московского универтитета 1957 год с.5

всякая химическая реакция, сопровождающаяся выделением тепла и излучением света, например, реакции взаимодействия водорода с хлором, красного фосфора с бромом, бензина с кислородом воздуха, разложение сжатого ацетилена и т.д.

Челышев Ф.С., Сомова З.М. Демидов П.Г. Пожарная опасность речных судов и противопожарные мероприятия, издательство «Речной транспорт», Москва, 1959 год с.5.

сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, сопровождающийся выделением тепла и излучением света.

Алексеев М.В., Демидов П.Г. Ройтман М.Я., Тарасов Агалаков Н.А. Основы пожарной безопасности. Учебное пособие для высших учебных заведений, «Высш. школа», 1971, с 7

основной процесс на пожаре, сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты сгорания, сопровождаемый интенсивным выжедением тепла, дыма и световым излучением, в основе которого лежат быстротекущие химические реакции окисления в атмосфере кислорода воздуха

Абдурагимов И.М. Говоров В.Ю. Макаров В.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров, М. 1980 ВИПТШ МВД СССР, с.5

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

Демидов П.Г., Шандыба В.А., Щеглов П.П. «Горение и свойства горючих веществ». – 2-е изд., перераб. – М.: Химия, 1981. – с.7.

процесс быстрого окисления с выделением за единицу времени значительного количества тепла, успевающего поддерживать его на уровне достаточно высоких температур

Шувалов М.Г. Основы пожарного дела: Учебник для рядового и мл. нач. состава пожарнойе охраны. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Стройиздат, 1975. – с 244

сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением большого количества теплоты и обычно свечением

Шувалов М.Г. Основы пожарного дела: Учебник для рядового и мл. нач. состава пожарнойе охраны. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Стройиздат, 1983. – с 275

сложный физико-химический процесс, при котором горючие вещества и материалы под воздействием высоких температур вступают в химическое взаимодействие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в продукты горения, и который сопровождается интенсивным выделением тепла и световым излучением

Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е.В.. «Процессы горения». Учебник ВИПТШ М., 1984 г. с. 5

сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты горения, сопровождающийся выделением тепла и света

Баратов А.Н., Андрианов Р.А., Корольченков А.Я. и др.; Под ред. А.Н. Баратова. – М.: Стройиздат, 1988, с.5

процесс протекания экзотермических химических реакций в условиях прогрессивного самоускорения, обусловленного накоплением в горючей среде тепла или катализирующих продуктов реакции.

сложный физико-химический процесс, при котором превращение вещества сопросвождается интенсивным выделением энергии и темпло- и массообменом с окружающей средой

совокупность одновременно протекающих физических процессов (плавление, испарение, ионизация) и химических реакций окисления горючих веществ и материалов, сопровождающихся ярким свечением (пламенем), тепловым излучением и выделением дыма

Шувалов М.Г. Основы пожарно-спасательного дела, учебное пособие. Москва, 2012 год, с. 327

инженер пожарной безопасности

историк пожарной охраны Москвы

Все права на текст статьи принадлежат автору. Копирование, распространение, использование и иные действия, за исключением ознакомления на данной странице сайта ptm01.ru запрещены.

Разрешено: копировать ссылку (url) на данную страницу и направлять скопированную ссылку неограниченному кругу лиц.

Источник

Горение — экзотермическая реакция окисления вещества, сопровождающаяся, по крайней мере, одним из трёх факторов: пламенем, свечением, выделением дыма.

При невысоких температурах (Т

Таким образом, реакция горения, однажды возникнув, в дальнейшем способна сама себя поддерживать. Именно это является отличительной осо­бенностью реакций горения. Пламя, являющееся зоной химических реакций горения, будет существовать до тех пор, пока обеспечивается поступление в эту зону свежих порций горючего и окислителя. С этим связана и способ­ность пламени самопроизвольно распространяться по горючей смеси.

Горение — быстропротекающий окислительно-восстановительный, экзотермический, самоподдерживающийся процесс, часто сопровождающийся образованием пламени.

К такому же типу реакций можно отнести горение пороха и некото­рых твердых ракетных топлив.

Горение веществ может происходить не только при их взаимодейст­вии с кислородом, но и при взаимодействии с другими окислителями, та­кими, как хлор, фтор, окислы азота.

Например, водород и многие углеводороды хорошо горят в атмосфе­ре хлора. При горении водорода происходит реакция образования хлори­стого водорода:

Горение в хлоре сопровождается меньшим тепловыделением и про­исходит с меньшей скоростью, чем в кислороде.

Реже, но встречается и такое горение, при котором имеет место пре­вращение только одного вещества. Примером тому может служить взрыв­ное разложение ацетилена:

СН = СН → 2С (сажа) + Н₂

К такому же типу реакций можно отнести горение пороха и некото­рых твердых ракетных топлив.

Специалистам, работающим в области пожарной безопасности, при­ходится в основном иметь дело с горением в атмосфере воздуха, где окисли­телем является кислород. Именно реакция горючего вещества с кислородом лежит в основе процесса горения, который происходит на пожаре.

Для возникновения горения необходимо образование смеси горючего вещества и окислителя в определенном соотношении и наличие источника зажигания. Условия возникновения горения иллюстрирует треугольник горения:

Классификация видов и режимов горения

1. В зависимости от условий смесеобразования горючих компонентов и соотношения скорости реакции горения и скорости смесеобразования различают два режима горения: кинетический и диффузионный.

Кинетическое горение – процесс горения гомогенной однородной (предварительно перемешанной) горючей смеси.

Скорость кинетического горения определяется скоростью химической реакции, которая, в свою очередь, находится в степенной зависимости от температуры.

В большинстве случаев на реальных пожарах горючее и окислитель предварительно не перемешаны. В этом случае окислитель (кислород воздуха) поступает в пламя из окружающей среды преимущественно за счёт процессов диффузии.

Диффузионное горение — процесс горения неоднородной (предварительно не перемешанной) горючей смеси, в котором существенную роль играют процессы диффузии окислителя к фронту пламени.

Скорость диффузионного горения лимитируется скоростью диффузии окислителя к зоне горения.

В условиях пожара газы, жидкости и твёрдые вещества горят диффузионным пламенем. Структура диффузионного пламени существенно зависит от сечения потока горючих паров и газов и его скорости.

2. В зависимости от механизма распространения зоны горения по горючей смеси различают два характерных режима горения:

дефлаграционное горение —горение, при котором передача тепловой энергии к свежей горючей смеси осуществляется за счет излучения и теплопроводности (скорость движения тепловой волны по горючей смеси от 0,5 до 50 м/с);

детонационное горение — горение, при котором передача тепловой энергии к свежей горючей смеси осуществляется за счет быстрого сжатия, достаточно интенсивного, чтобы довести реагирующую среду до состояния адиабатического воспламенения (без теплообмена с окружающей средой). Скорость движения тепловой волны по горючей смеси более 50 м/с (до нескольких тысяч м/с).

Скорость распространения фронта пламени по газовоздушным сме­сям может изменяться в пределах от 0,5 до 50 м/с в зависимости от горю­чего вещества. Скорость распространения пламени зависит не только от скорости химической реакции между горючим и окислителем, но и от ско­рости передачи тепла от зоны горения в холодную свежую смесь, так как процесс горения представляет собой непрерывное последовательное вос­пламенение и сгорание все новых и новых порций горючей смеси. Распро­странение пламени со скоростью движения тепловой волны называется нормальным или дефлаграционным.

3. В зависимости от агрегатного состояния компонентов горючей смеси различают гомогенное и гетерогенное горение.

Гомогенным горением является не только горение газов, но и горе­ние жидкостей, а также большинства твердых горючих материалов. Объ­ясняется это тем, что при горении жидкостей горит не сама жидкость, а ее пары. В результате испарения с поверхности жидкости непрерывно в газо­вую фазу поступают пары горючего вещества, которые, смешиваясь с ок­ружающим воздухом, образуют горючую паровоздушную смесь. Именно здесь в паровоздушной смеси, а не на поверхности жидкости будут проис­ходить химические реакции горения. Визуально можно наблюдать, что пламя (зона горения) как бы немного оторвано от поверхности жидкости.

Похожая картина наблюдается и при горении большинства твердых горючих материалов: парафина, оргстекла, полиэтилена, древесины, тор­фа, хлопка, резины, различных пластмасс. На их поверхности под воздей­ствием тепловых потоков могут происходить различные физико­химические процессы (плавление, испарение, термическое разложение). В результате образуются газообразные горючие вещества, которые и вступают в химическую реакцию горения с кислородом воздуха. Таким образом, и в случае твердых горючих материалов горючее вещество и окислитель в зоне горения оказываются в одной фазе, в одном агрегатном состоянии. Поскольку химические реакции горения происходят в газовой фазе, то над поверхностью твердого горючего материала наблюдается пламя. Наличие пламени является отличительным признаком гомогенно­го горения.

Примером гетерогенного горения может служить горение углерода (графит или углистый остаток после термического разложения древесины), который даже при высоких температурах остается в твердом состоянии. Кислород воздуха диффундирует к твердой поверхности и при достаточно высокой температуре (700-800°С) на поверхности будет происходить хи­мическая реакция между твердым углеродом и газообразным кислородом. Пламя в этом случае отсутствует, а признаком гетерогенного горения угле­рода будет являться ярко красное свечение поверхности углерода. Такое горение называется тлением. Некоторые твердые горючие материалы, спо­собные к гомогенному горению, такие, как древесина, бумага, хлопок и др., могут тлеть в случае, если количество теплоты, поступающее к по­верхности этого материала, мало для обеспечения интенсивного термиче­ского разложения материала с образованием газообразных горючих ве­ществ. При гетерогенном горении существует поверхность раздела фаз (твердой и газовой), именно на поверхности раздела фаз и происходят химические реакции. Гетерогенное горение является диффузионным, так как прежде чем произойдет химическая реакция между горючим и окислителем­ необходимо, чтобы кислород продиффундировал к поверхности раздела фаз, которая в данном случае и является зоной горения.

Гомогенное горение — процесс взаимодействия горючего и окислителя, находящихся в зоне химической реакции в одинаковом агрегатном состоянии.

Примером гомогенного горения является горение горючих газов и паров жидкостей, газообразных продуктов термического распада большинства твёрдых горючих веществ, а в ряде случаев пылевого аэрозоля в среде газообразного окислителя. При этом горючее и окислитель в зоне химической реакции перемешаны и не имеют поверхности раздела.

Гетерогенное горение — процесс взаимодействия горючего и
окислителя, находящихся в различных агрегатных состояниях, горение происходит на поверхности раздела фаз.

Особенностью гетерогенного горения является отсутствие пламени. Беспламенное горение называют тлением. Примерами являются горение антрацита, кокса, древесного угля, нелетучих металлов. При гетерогенном горении кислород (или другой газообразный окислитель) диффундирует сквозь продукты сгорания к поверхности горючего вещества, а затем вступает с ним в химическую реакцию.

4. По газодинамическим параметрам различают ламинарное и турбулентное горение (пламя).

Ламинарное горение — процесс, при котором массообмен и перенос тепла происходят путем молекулярной диффузии и возникающих конвективных потоков окислителя и горючего вещества к зоне химической реакции. При этом наблюдается спокойное, безвихревое пламя устойчивой геометрической формы.

Турбулентное горение — процесс, при котором массообмен и перенос тепла осуществляются не только за счет молекулярной, но и турбулентной диффузии, в результате макроскопического вихревого движения газовых слоев горючей смеси.

Газодинамический режим горения зависит от линейной скорости горючего вещества или смеси и характеризуется критерием Рейнольдса (мера отношения сил инерции и внутреннего трения в потоке):

, (1.1)

где υ – линейная скорость газового потока, м/с;

ρ – плотность потока, кг/м 3 ;

При Re 10000 – турбулентный.

Гомогенное, диффузионное горение образовано потоком горючего газа, втекающим в окислительную среду. В зависимости от скорости пото­ка, его диаметра и вязкости среды движение может быть ламинарным или турбулентным. Также и возникающее диффузионное пламя может быть ламинарным или турбулентным. Ламинарное пламя образуется при низких скоростях потока горючего и небольшом его диаметре. Ламинарное горе­ние воспринимается как спокойное горение, когда пламя неподвижно от­носительно окружающей среды. Такое пламя можно наблюдать при горе­нии свечи, при горении газа в горелке, если скорость истечения небольшая, а также при горении жидкости в небольших тиглях.

С увеличением скорости и диаметра потока газообразного горючего вещества происходит его турбулизация, появляются завихрения, пламя становится неустойчивым. Турбулизация пламени приводит к увеличению скорости смесеобразования и, как следствие, к увеличению скорости горе­ния.

Развитый турбулентный режим горения наблюдается на пожарах га­зовых фонтанов, крупных резервуаров с горючими жидкостями, больших штабелей древесины.

Ламинарный и турбулентный режимы горения характерны как для диффузионного, так и для кинетического пламени. При ламинарном ки­нетическом горении фронт пламени гладкий, движение его спокойное. При турбулизации кинетического горения происходит искривление фронта, образуются вихри и фронт разбивается на отдельные очаги. При этом скорость горения увеличивается, увеличивается и скорость движе­ния зоны горения. Турбулизации кинетического горения и его ускорению способствует наличие препятствий на пути движения фронта. Так, кинети­ческое пламя хорошо турбулизуется и ускоряется в загроможденных поме­щениях. Турбулизация и ускорение кинетического пламени может способ­ствовать переходу дефлаграционного горения в детонацию.

5. В зависимости от объёма окислителя, давления и температуры, горение вещества может быть полным и неполным.

При полном сгорании веществ образуются продукты, не способные к дальнейшему взаимодействию (СО₂, Н₂О, НСl).

При неполном сгорании образуются продукты, способные к дальнейшему горению (СО, НСN, NН₃).

В условиях пожара при горении органических веществ на воздухе чаще всего полного сгорания не происходит. Признаком неполного сгорания является наличие дыма, содержащего несгоревшие частицы углерода.

Пламя

Горение большинства горючих веществ сопровождается появлением пламени. Пламя образуется при горении тех веществ, которые при разложении, испарении или окислении выделяют горючие газы и пары, которые при горении нагреваются и светят.

Пламя — это газовый объём, в котором непосредственно происходит реакция горения. Пламя выделяет лучистую теплоту, а также конвективный поток теплоты и газов. Наиболее высокотемпературная поверхность пламени, где протекают окислительно-восстановительные процессы, называется реакционной зоной или фронтом пламени.

Накаленные пары и газы сами по себе светят мало и поэтому горение, например, водорода, этилового спирта, сопровождается бледным пламенем. Бледное пламя можно сделать светящимся, внося в него мелкие частицы твердых тел. Так, например, если в бледное пламя горения спирта или в пламя горения водорода поместить самую тонкую платиновую проволоку, то она будет ярко светить. Такой же эффект достигается, если в бледное пламя поместить тонкий порошок песка или в пламя ввести сетку, покрытую окислами, например, церия. В ярком пламени содержатся какие-либо твердые частицы или, по крайней мере, очень плотные тяжелые пары. Пламя горящей свечи, дерева, парафина и т. п. веществ яркое потому, что в этом пламени находятся частицы продуктов осмоления и угля, получающиеся в результате пиролиза вещества при горении.

Практически без пламени горят графит, кокс, древесный уголь и ряд других веществ потому, что они при горении не выделяют горючих газообразных продуктов. Наблюдаемое при горении этих веществ бледное синее пламя есть результат догорания угарного газа (СО). Вот почему нельзя закрывать трубу печи до тех пор, пока не прекратится синее бледное пламя, хорошо заметное в темноте, иначе помещение наполняется окисью углерода (II), газом весьма опасным для жизни животных и людей.

Пары и газы, выделяющиеся при горении горючих веществ, как правило, не содержат свободного кислорода и для горения им необходим кислород воздуха, который проникает к месту горения путем диффузии, поэтому пламя имеет определенное строение. На рисунке 1.1 приводится примерная схема диффузионного пламени, на примере пламени свечи:

Рис. 1.1. Схема диффузионного пламени (на примере пламени свечи).

Внутренняя зона (1) заполнена парами и продуктами разложения, выделяющимися из горючего вещества в результате его нагревания. Количество диффундирующего из окружающего воздуха кислорода в этой зоне мало и температура сравнительно невысока. На фотографии хорошо видно, что первая зона имеет характерный окрас, усиливающийся к краям зоны, что связано с тем что в этой зоне происходит неполное горение с образованием СO, являющимся источником синеватого окраса. По мере приближения к краям зоны количество диффундирующего кислорода увеличивается, и горение идет более интенсивно, что хорошо заметно по усилению окраса.

В зоне (2), куда частично, проникает кислород воздуха, происходит окисление паров и продуктов разложения, но вследствие недостаточности кислорода именно в этой зоне происходит осмоление и образование мелких частиц угля и поэтому эта зона ярко светится (напомним, что свечение пламени обусловлено наличием в пламени взвешенных частиц твердой фазы). Температура в этой зоне значительно выше, чем в зоне (1).

В зоне (3) происходит догорание продуктов, образовавшихся уже в зоне (2), и частично тех паров и продуктов разложения, которые не успели прореагировать в зоне (2). Зона (3) содержит самое большое количество диффундировавшего кислорода, т.к. она является самой внешней и имеет наибольшую поверхность. При достаточном количестве кислорода происходит полное окисление паров до газообразных продуктов, поэтому именно в этой зоне выделяется наибольшее количество тепла. Температура в этой зоне еще выше, чем в зоне (2), но яркости пламени уже нет, т.к. в зоне почти отсутствуют частицы недогоревшей твердой фазы.

Зона горения в диффузионном пламени представляет собой очень тонкий слой, в котором протекает реакция горения. Толщина этого слоя порядка 0,1 — 1,0 мм.

Характер свечения пламени зависит от состава горючего вещества (главным образом от процентного соотношения углерода и кислорода, таблица 1.1.).

Таблица 1.1.

Характер свечения пламени в зависимости от состава горючего вещества.

Как уже отмечалось выше, свечение пламени связано с наличием несгоревших раскалённых твёрдых частиц углерода. При термическом разложении веществ с массовой долей углерода менее 50 % и содержащих в своём составе кислород (более 30 %) несгоревших частиц углерода образуется очень мало, и в момент образования они успевают окислиться до СО или СО₂. Такие вещества имеют бесцветное пламя. При горении веществ, содержащих более 75 % углерода (бензол, керосин), в зоне горения образуется настолько много частиц углерода, что поступающего путём диффузии в зону горения воздуха не хватает для его полного окисления. Не окислившийся в пламени углерод выделяется в виде копоти, и пламя при горении таких веществ будет ярким коптящим.

Процентное содержание элементов рассчитывают по формуле:

где А – атомный вес элемента,

n – число атомов данного элемента в формуле горючего вещества,

молекулярная масса горючего вещества

Источник