 |
Вспышка и воспламенение гомогенных и гетерогенных систем
|
|
|
|
Содержание
Глава 1. Теоретические основы процесса горения 3
1.1. Некоторые понятия и определения 3
Горение
Тление
Взрыв
Степень окисления
1.2. Вспышка и воспламенение гомогенных и гетерогенных систем 6
Воспламенение
1.3. Пламя 6
1.4. Кинетические и диффузионные области горения 9
Глава 2. Особенности горения газов, жидкостей и твердых веществ 11
2.1. Особенности горения газов 11
2.2. Особенности горения жидкостей 12
Температурные пределы воспламенения жидкостей 13
Скорость выгорания жидкостей
Самовоспламенение гомогенных смесей 16
2.3. Теория теплового воспламенения 17
2.4. Основы теории цепных реакций 19
Глава 3. Механизм горения 21
3.1. Механизм горения водорода в кислороде 21
3.2. Механизм горения оксида углерода (II) 24
3.3. Механизм горения метана 25
3.4. Механизм горения углерода 26
Глава 4. Взрывчатые вещества 29
4.1. Характеристика процессов, протекающих при взрыве 29
Ударная волна
Экзотермичность
Скорость процесса
Газообразование
4.2. Практическое использование взрывов 31
Глава 5. Топливо 33
5.1. Важнейшие свойства топлива 34
Теплотворная способность
Жаропроизводительность
Содержание балласта
Содержание вредных примесей
Содержание летучих веществ
5.2. Важнейшие компоненты топлива 34
Углерод
Водород
Кислород
Сера
5.3. Теплотворная способность топлива 36
5.4. Твердое топливо 36
Торф. Ископаемые угли
Бурые угли
Каменные угли
Антрацит
Горючие сланцы
Искусственное твердое топливо
5.5. Жидкое топливо 40
Нефть
5.6. Мировые запасы нефти 42
Состав нефти
5.7. Переработка нефти 44
Крекинг
Риформинг
Дизельное топливо
Керосин, мазут
5.8. Газообразное топливо 47
Природный газ
Попутный нефтяной газ
Глава 6. Экологические проблемы 50
|
|
|
6.1. Токсическое воздействие загрязняющих веществ 50
Оксид углерода (II)
Оксиды азота NO и NO2
Углеводороды
Бенз(а)пирен
Твердые частицы
6.2. Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей 51
Твердые частицы
6.3. Кислотные дожди 53
6.4. Канцерогенные вещества 54
6.5. Образование оксидов азота при сжигании топлива 57
ЛИТЕРАТУРА 60
ГЛАВА 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ
Некоторые понятия и определения
Горение – сложный, быстро протекающий химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света. Обычно рассматривают химические реакции горючих веществ с кислородом воздуха. Например, горение каменного угля, состоящего в основном из углерода:
С(т) + О2(г) ® СО2(г); ∆r Н = - 393.5 кДж/моль
где ∆r Н < 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); ∆r Н = - 890.3 кДж/моль
Тлением называют беспламенное горение твердых тел. Так горит кокс, применяемый в металлургии. (Кокс – каменный уголь, из которого предварительно выжгли летучие соединения). 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). Например, разложение молекул тринитротолуола в составе моноклинных ромбических кристаллов носит взрывной характер. Достаточно расплавить кристаллы (Т пл. = 88.85 0С) и нагреть жидкий тринитротолуол до 150 0С (физический процесс), чтобы произошел взрыв (химический процесс):
|
|
|
Химическое превращение в данном случае сопровождается повышением температуры и увеличением давления образовавшихся продуктов реакции (физический процесс).
Аналогичная картина наблюдается при взрыве тринитроглицерина:
[Дж. Кемпбел Современная общая химия. Т. 2. М.: «Мир». 1975]
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.
Другой пример – горение пороха. Если поджечь кучку пороха на воздухе, то он спокойно сгорит. При стрельбе из стрелкового оружия в патроне происходит детонация порохового заряда с помощью капсюля-детонатора. В этом случае процесс носит взрывной характер.
Горение и взрыв в большинстве случаев представляют собой окислительно-восстановительные реакции. Под этим понимаются процессы изменения степени окисления (СО – степень окисления) элементов. Есть окислитель (например, кислород в обычном процессе горении топлива), который восстанавливается и снижает свою степень окисления. С ним взаимодействует восстановитель, который окисляется и увеличивает свою степень окисления.
Например, горение водорода:
Н2(г) + О2(г) = Н2О(ж) или
Н20 + О20 = Н2+1О-2.
Степень окисления водорода и кислорода в простых веществах принята равной нулю. После реакции степень окисления кислорода стала – 2, а водорода +1.
Степень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что образуется ионное соединение.
Мы видели на примере реакции горения водорода, что образуется совсем не ионное соединение (Н2О), но использование степени окисления представляет собой прием, который позволяет установить реагент-окислитель и реагент-восстановитель.
Другой пример – горение оксида углерода:
|
|
|
2С+2 О-2 + О20 = 2С+4О2-2.
В этом процессе окисляется углерод и восстанавливается кислород. Таким образом, горением может называться любая реакция, в которой выделяется теплота и образуется пламя. Это может быть и реакция двух веществ между собой. Например, горение водорода в атмосфере хлора:
Н2(г) + Cl2(г) = 2НCl(г)
или реакция разложения (горения взрывчатых веществ).
Вспышка и воспламенение гомогенных и гетерогенных систем
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).
Отступление. Фаза – однородная часть системы, обладающая одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Система – совокупность взаимосвязанных частей, выделенных из окружающей среды и выступающих по отношению к ней как целое.
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 и окислителя находилась в определенном соотношении.
Классическим явлением воспламенения является процесс возникновения горения в небольшой части горючей смеси. Остальная часть прореагирует за счет распространения процесса на всю смесь. 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 (см. раздел).Фактически вспышка – процесс неустойчивого, быстро прекращающегося горения.
Пламя
При воспламенении накаленными телами, чем меньше его размер, тем больше должна быть его температура. Тепловые источники очень маленьких размеров не могут воспламенить горючие смеси.
Не всякие искры одинаковы по своей способности воспламенять смеси. Искры, возникающие при точке металлических изделий на наждачном круге, не могут воспламенить смеси метана или бензина с воздухом. Искры, образующиеся при ударах металла о металл, металла о камень и при их трении, имеют разную воспламеняющую способность. Опытами установлено, что метано-воздушная смесь не воспламеняется от искр при сильных ударах стальных молотков о стальные образцы и от искр трения сталей о карборунд. Однако воспламенение метано-воздушных смесей может происходить от искр, возникающих при ударах между твердой породой и сталью, а также при трении твердой породы о породу. При трении о породу воспламенение происходит не от искр, образующихся при этом, а от теплового воздействия раскаленной зоны, которая может достигать 1200°С.
Опытным путем также установлено, что трение стали о сталь способно воспламенить смеси воздуха с водородом, ацетиленом, сероводородом, коксовым газом. Трение алюминиевых сплавов по стальным поверхностям, покрытым ржавчиной, вызывает воспламенение всех известных взрывоопасных газовых смесей. Причиной является экзотермическая реакция:
Al + Fe2O3 = Al2O3 + Fe; D Н = - 853,5 кДж/моль
вызывающая нагрев места трения.
Эти знания позволяют подбирать правильные материалы для разработки инструментов и механизмов, работающих на взрывоопасных участках (шахты, газовые месторождения, перекачивающие и заправочные станции и т.п.).
|
|
|
Различная воспламеняющая способность различных физико-химических процессов связана с энергией, которая выделяется в форме теплоты и способна нагреть участок горючей смеси. Наглядным примером важности энергии искр является воспламенение электрическими искрами. Для каждой смеси есть минимальная мощность электрической искры, способной ее воспламенить. Минимальная мощность зависит от состава, температуры, давления смеси. Увеличение мощности искр ведет к расширению области воспламенения газовых смесей. Однако при достижении определенной мощности искр ее увеличение уже не вызывает 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.
Пламя всегда является эффективным источником воспламенения.
Воспламенение гетерогенных горючих смесей имеет свои особенности, отличающие их от гомогенных горючих смесей. Из твердых горючих веществ наиболее подвержены воспламенению волокнистые и мелкораздробленные материалы (хлопок, войлок, ткань, сено, шерсть, мучная и каменноугольная пыль и др.). Все они обладают малой теплопроводностью и большой поверхностью, что способствует сохранению тепловой энергии искры в небольшом объеме горючего вещества и быстрому нагреву. Так как искрой нагревается небольшой объем твердых горючих веществ, то образующихся газообразных продуктов разложения и энергии искры недостаточно для образования горючей смеси. Поэтому воспламенение искрами сопровождается не горением волокнистых веществ, а тлением углеродистого остатка. Только более мощные источники воспламенения и более длительное их действие (пламя, большие по величине накаленные тела) могут вызвать воспламенение твердых веществ с образованием пламени.
Пламя всегда является эффективным источником воспламенения (рис.) не только гомогенных газовых смесей, но и гетерогенных.
SHAPE \* MERGEFORMAT
Рис. 1. Распределение температур в пламени при горении газообразных, жидких и твердых материалов
Для загорания твердых видов топлива их составляющие должны быть переведены в газообразное состояние или превращены в легковоспламеняющийся уголь. Для этого требуется нагрев до высокой температуры. При этом образуются горючие смеси с воздухом, которые воспламеняются. Так происходит воспламенение древесины и природного угля. Первой стадией является разложение топлива с образованием летучих горючих веществ, или испарение летучих органических веществ топлива. Потом происходит воспламенение горючей газовой смеси с воздухом. На следующем этапе от пламени воспламеняется само твердое топливо.
Горение жидкого топлива всегда сопровождается испарением топлива и горением его паров. В жидком виде топливо, как правило, не окисляется кислородом. В результате сгорает только та его часть, которая успела испариться. Поэтому в двигателях внутреннего сгорания важнейшую роль играет процесс впрыска и испарения капелек топлива. Чем более эффективны эти процессы, тем выше к.п.д. и мощность двигателя, и ниже расход топлива.
Фронт пламени
Как сказано выше, характерной особенностью горения гомогенных смесей является самопроизвольное пространственное распространение пламени. 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. На рис. 2 представлена модель горения газовой смеси в трубе. Подожжена смесь справа. Пламя двигается справа налево.
SHAPE \* MERGEFORMAT
Рис. 1. Движение фронта пламени в газовой трубе
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. Это 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.
|
|
|
