انفجار الأكسجين الاحتراق

يشمل الاحتراق المتجانس غازات مخلوطة مسبقًا. العديد من الأمثلة على الاحتراق المتجانس هي عمليات احتراق الغازات أو الأبخرة التي يكون فيها المؤكسد هو الأكسجين الجوي: احتراق مخاليط الهيدروجين ، ومخاليط أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات مع الهواء. في الحالات المهمة عمليًا ، لا يتم دائمًا استيفاء حالة الخلط الأولي الكامل. لذلك ، فإن مجموعات الاحتراق المتجانس مع أنواع الاحتراق الأخرى ممكنة دائمًا.

يمكن تنفيذ الاحتراق المتجانس في وضعين: رقائقي واضطراب. يعمل الاضطراب على تسريع عملية الاحتراق بسبب تجزئة مقدمة اللهب إلى شظايا منفصلة ، وبالتالي زيادة مساحة التلامس للمواد المتفاعلة مع الاضطراب على نطاق واسع أو تسريع عمليات نقل الحرارة والكتلة في مقدمة اللهب بجزء صغير -اضطراب النطاق. يتميز الاحتراق المضطرب بالتشابه الذاتي: تزيد الدوامات المضطربة من معدل الاحتراق ، مما يؤدي إلى زيادة الاضطراب.

تتجلى جميع معلمات الاحتراق المتجانس أيضًا في العمليات التي لا يكون فيها العامل المؤكسد هو الأكسجين ، ولكن الغازات الأخرى. على سبيل المثال ، الفلور أو الكلور أو البروم.

يحدث احتراق غير متجانس في الواجهة. في هذه الحالة ، تكون إحدى المواد المتفاعلة في حالة مكثفة ، وتدخل الأخرى (عادةً الأكسجين الجوي) بسبب انتشار الطور الغازي. شرط أساسي احتراق غير متجانسهي نقطة الغليان العالية جدًا (أو التحلل) للمرحلة المكثفة. إذا لم يتم استيفاء هذا الشرط ، فإن الاحتراق يسبقه التبخر أو التحلل. من السطح ، يدخل تيار من البخار أو منتجات التحلل الغازي منطقة الاحتراق ، ويحدث الاحتراق في الطور الغازي. يمكن أن يُعزى هذا الاحتراق إلى انتشار شبه غير متجانس ، ولكن ليس غير متجانس تمامًا ، لأن عملية الاحتراق لم تعد تحدث عند حدود الطور. يتم تطوير هذا الاحتراق بسبب تدفق الحرارة من اللهب إلى سطح المادة ، مما يضمن مزيدًا من التبخر أو التحلل وتدفق الوقود إلى منطقة الاحتراق. في مثل هذه الحالات ، تنشأ حالة مختلطة عندما تستمر تفاعلات الاحتراق جزئيًا بشكل غير متجانس - على سطح الطور المكثف ، بشكل متجانس جزئيًا - في حجم خليط الغاز.

مثال على الاحتراق غير المتجانس هو احتراق الفحم والفحم. أثناء احتراق هذه المواد ، يحدث نوعان من التفاعلات. تنبعث بعض درجات الفحم من مكونات متطايرة عند تسخينها. ويسبق احتراق هذه الأنواع من الفحم تحللها الحراري الجزئي مع إطلاق الهيدروكربونات الغازية والهيدروجين التي تحترق في الطور الغازي. بالإضافة إلى ذلك ، عندما يتم حرق الكربون النقي ، يمكن تكوين أول أكسيد الكربون ، والذي يحترق بكميات كبيرة. مع وجود فائض كاف من الهواء وارتفاع درجة حرارة سطح الفحم ، تستمر التفاعلات السائبة بالقرب من السطح لدرجة أنه ، في تقدير تقريبي معين ، يعطي أسبابًا لاعتبار هذه العملية غير متجانسة.

مثال على الاحتراق غير المتجانس حقًا هو احتراق المعادن المقاومة للصهر غير المتطايرة. يمكن أن تكون هذه العمليات معقدة بسبب تكوين أكاسيد تغطي السطح المحترق وتمنع ملامسة الأكسجين. مع اختلاف كبير في الخصائص الفيزيائية والكيميائيةبين المعدن وأكسيده أثناء الاحتراق ، يتم ضمان تشققات فيلم الأكسيد ، ويتم ضمان وصول الأكسجين إلى منطقة الاحتراق.

بناءً على الأمثلة المدروسة ، اعتمادًا على حالة تراكم خليط الوقود والمؤكسد ، أي من عدد مراحل الخليط يميزون:

1. الاحتراق المتجانسغازات وأبخرة المواد القابلة للاحتراق في بيئة مؤكسد غازي. وهكذا ، يستمر تفاعل الاحتراق في نظام يتكون من مرحلة واحدة (الحالة الكلية).

2. احتراق غير متجانسمواد صلبة قابلة للاحتراق في بيئة مؤكسدة غازية. في هذه الحالة ، يستمر التفاعل عند الواجهة ، بينما يستمر التفاعل المتجانس في جميع أنحاء المجلد.

هذا هو احتراق المعادن ، الجرافيت ، أي. مواد غير متطايرة عمليا. العديد من تفاعلات الغاز ذات طبيعة متجانسة وغير متجانسة ، عندما يكون احتمال حدوث تفاعل متجانس بسبب أصل تفاعل غير متجانس في نفس الوقت.

يتم احتراق جميع المواد السائلة والصلبة ، التي تنطلق منها الأبخرة أو الغازات (المواد المتطايرة) ، في الطور الغازي. تلعب المراحل الصلبة والسائلة دور الخزانات للمنتجات المتفاعلة.

على سبيل المثال ، ينتقل تفاعل غير متجانس للاحتراق التلقائي للفحم إلى مرحلة متجانسة من احتراق المواد المتطايرة. تحترق بقايا الكوك بشكل غير متجانس.

4.3 الانتشار والاحتراق الحركي.

وفقًا لدرجة تحضير الخليط القابل للاحتراق ، يتم تمييز الانتشار والاحتراق الحركي.

أنواع الاحتراق التي يتم النظر فيها (باستثناء المتفجرات) هي الاحتراق المنتشر. اللهب ، أي منطقة الاحتراق لمزيج من الوقود مع الهواء ، لضمان الاستقرار ، يجب أن يتم تغذيتها باستمرار بالوقود والأكسجين في الهواء. يعتمد تدفق الغاز القابل للاحتراق فقط على معدل إمداده بمنطقة الاحتراق. يعتمد معدل دخول السائل القابل للاشتعال على شدة تبخره ، أي على ضغط البخار فوق سطح السائل ، وبالتالي على درجة حرارة السائل. درجة حرارة الاشتعالتسمى أدنى درجة حرارة للسائل لا ينطفئ عندها اللهب فوق سطحه.

يختلف احتراق المواد الصلبة عن احتراق الغازات من خلال وجود مرحلة من التحلل والتغويز ، يتبعها اشتعال منتجات الانحلال الحراري المتطايرة.

الانحلال الحراري- هذا هو تسخين المواد العضوية إلى درجات حرارة عالية دون دخول الهواء. في هذه الحالة ، يحدث تحلل أو تقسيم المركبات المعقدة إلى مركبات أبسط (فحم الكوك ، تكسير الزيت ، التقطير الجاف للخشب). لذلك ، فإن احتراق مادة صلبة قابلة للاحتراق في منتج الاحتراق لا يتركز فقط في منطقة اللهب ، بل له طابع متعدد المراحل.

يتسبب تسخين المرحلة الصلبة في تحلل وتطور الغازات التي تشتعل وتحترق. تسخن الحرارة من الشعلة المرحلة الصلبة ، مما يؤدي إلى تغويزها وتتكرر العملية ، وبالتالي دعم الاحتراق.

يفترض نموذج الاحتراق الصلب وجود المراحل التالية (الشكل 17):

أرز. 17. نموذج الاحتراق

صلب.

تسخين المرحلة الصلبة. ذوبان المواد يحدث في هذه المنطقة. سمك المنطقة يعتمد على درجة حرارة التوصيل للمادة ؛

الانحلال الحراري ، أو منطقة التفاعل في الطور الصلب ، حيث تتكون المواد الغازية القابلة للاحتراق ؛

ما قبل اللهب في الطور الغازي ، حيث يتكون خليط بعامل مؤكسد ؛

لهب ، أو منطقة تفاعل في الطور الغازي ، يتم فيها تحويل نواتج الانحلال الحراري إلى نواتج احتراق غازي ؛

منتجات الاحتراق.

يعتمد معدل إمداد الأكسجين إلى منطقة الاحتراق على انتشاره من خلال منتج الاحتراق.

بشكل عام ، نظرًا لأن معدل التفاعل الكيميائي في منطقة الاحتراق في أنواع الاحتراق قيد الدراسة يعتمد على معدل وصول المكونات المتفاعلة وسطح اللهب عن طريق الانتشار الجزيئي أو الحركي ، يسمى هذا النوع من الاحتراق تعريف.

هيكل اللهب احتراق الانتشاريتكون من ثلاث مناطق (الشكل 18):

تحتوي المنطقة 1 على غازات أو أبخرة. لا يوجد احتراق في هذه المنطقة. لا تتجاوز درجة الحرارة 500 درجة مئوية. يحدث التحلل والتحلل الحراري للمواد المتطايرة والتسخين إلى درجة حرارة الاشتعال الذاتي.

أرز. 18. هيكل الشعلة.

في المنطقة 2 ، يتكون خليط من الأبخرة (الغازات) مع الأكسجين الجوي ويحدث احتراق غير كامل في ثاني أكسيد الكربون مع اختزال جزئي للكربون (القليل من الأكسجين):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O ؛

في المنطقة الخارجية الثالثة ، يتم حرق منتجات المنطقة الثانية بالكامل ويتم ملاحظة درجة حرارة اللهب القصوى:

2CO + O 2 \ u003d 2CO 2 ؛

يتناسب ارتفاع اللهب مع معامل الانتشار ومعدل تدفق الغازات ويتناسب عكسياً مع كثافة الغاز.

جميع أنواع الاحتراق بالانتشار متأصلة في الحرائق.

حركيةالاحتراق هو احتراق غاز أو بخار أو غبار مختلط مسبقًا مع عامل مؤكسد. في هذه الحالة ، يعتمد معدل الاحتراق فقط على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للخليط القابل للاحتراق (التوصيل الحراري ، السعة الحرارية ، الاضطراب ، تركيز المواد ، الضغط ، إلخ). لذلك ، يزيد معدل الحرق بشكل حاد. هذا النوع من الاحتراق متأصل في الانفجارات.

في في هذه الحالة ، عندما يتم إشعال الخليط القابل للاحتراق في مرحلة ما ، تتحرك مقدمة اللهب من منتجات الاحتراق إلى الخليط الطازج. وبالتالي ، فإن اللهب أثناء الاحتراق الحركي غالبًا ما يكون غير مستقر (الشكل 19).

أرز. 19. مخطط انتشار اللهب في خليط قابل للاحتراق: - مصدر الاشتعال. - اتجاه حركة مقدمة اللهب.

على الرغم من أنه إذا تم خلط الغاز القابل للاحتراق مع الهواء وإدخاله في الموقد ، فإن لهبًا ثابتًا يتشكل أثناء الاشتعال ، بشرط أن يكون معدل إمداد الخليط مساويًا لسرعة انتشار اللهب.

إذا زاد معدل إمداد الغاز ، ينفصل اللهب عن الموقد وقد ينطفئ. وإذا تم تقليل السرعة ، فسيتم سحب اللهب إلى داخل الموقد مع احتمال حدوث انفجار.

حسب درجة الاحتراق، بمعنى آخر. اكتمال تفاعل الاحتراق للمنتجات النهائية ، يحدث الاحتراق كاملة وغير كاملة.

لذلك في المنطقة 2 (الشكل 18) الاحتراق غير مكتمل ، لأن يتم توفير أكسجين غير كافٍ ، والذي يتم استهلاكه جزئيًا في المنطقة 3 ، ويتم تكوين المنتجات الوسيطة. يحترق الأخير في المنطقة 3 ، حيث يوجد المزيد من الأكسجين ، حتى الاحتراق الكامل. يشير وجود السخام في الدخان إلى احتراق غير كامل.

مثال آخر: عندما يكون هناك نقص في الأكسجين ، يحترق الكربون إلى أول أكسيد الكربون:

إذا قمت بإضافة O ، فإن رد الفعل ينتقل إلى النهاية:

2CO + O 2 \ u003d 2CO 2.

معدل الاحتراق يعتمد على طبيعة حركة الغازات. لذلك ، يتميز الاحتراق الرقائقي والاضطراب.

إذن ، مثال على الاحتراق الصفحي هو لهب الشمعة في الهواء الساكن. في الاحتراق الصفحيتتدفق طبقات من الغازات بشكل متوازٍ ، ولكن دون أن تلتف.

الاحتراق المضطرب- حركة دوامة للغازات ، حيث تختلط الغازات المحترقة بشكل مكثف وتغسل مقدمة اللهب. الحد بين هذه الأنواع هو معيار رينولدز ، الذي يميز العلاقة بين قوى القصور الذاتي وقوى الاحتكاك في التدفق:

, (4.1)

أين:  - معيار تدفق الجاز؛

 - اللزوجة الحركية.

ل- الحجم الخطي المميز.

يسمى رقم رينولد الذي يحدث عنده انتقال الطبقة الحدودية الصفائحية إلى طبقة مضطربة Re cr الحرجة ، Re cr ~ 2320.

يزيد الاضطراب من معدل الاحتراق بسبب انتقال الحرارة الأكثر كثافة من منتجات الاحتراق إلى الخليط الطازج.

بيئة قابلة للاحتراق

المؤكسدات

العوامل المؤكسدة هي المواد التي تقبل ذراتها الإلكترونات في التحولات الكيميائية. من بين مواد بسيطةوتشمل هذه جميع الهالوجينات والأكسجين.

العامل المؤكسد الأكثر شيوعًا في الطبيعة هو الأكسجين الجوي.

في الحرائق الحقيقية ، يحدث الاحتراق أساسًا في الهواء ، لكن العديد من العمليات التكنولوجية تستخدم هواءًا غنيًا بالأكسجين ، وحتى الأكسجين النقي (على سبيل المثال ، إنتاج المعادن ، اللحام بالغاز ، القطع ، إلخ). يمكن مواجهة الغلاف الجوي المخصب بالأكسجين في تحت الماء وفي المركبات الفضائية ، وعمليات الأفران العالية ، وما إلى ذلك. هذه الأنظمة القابلة للاشتعال لديها خطر حريق متزايد. يجب أن يؤخذ ذلك في الاعتبار عند تطوير أنظمة إطفاء الحريق والتدابير الوقائية والحريق وفي مجال الحرائق والخبرة الفنية للحرائق.

بالإضافة إلى الأكسجين والهالوجينات في الغلاف الجوي ، يمكن أن تعمل المواد المعقدة أيضًا كعوامل مؤكسدة في تفاعلات الاحتراق ، على سبيل المثال ، أملاح الأحماض المحتوية على الأكسجين - النترات والكلورات وما إلى ذلك ، المستخدمة في إنتاج البارود والمتفجرات العسكرية والصناعية ومختلف التراكيب النارية.

خليط من الوقود والمؤكسد في نفس حالة التجميع نسب معينة وقادرة على الاحتراق (والاحتراق ممكن فقط بنسب معينة) ، يسمى الوسيط القابل للاحتراق.

هناك نوعان من الوسائط القابلة للاحتراق: متجانسة وغير متجانسة.

وسط متجانس قابل للاحتراق يسمى خليط وقود مختلط مسبقًا مع مؤكسد ، وبالتالي وسط قابل للاشتعال غير متجانس – عندما لا يتم خلط الوقود والمؤكسد.

يحدد تأثير عدد كبير من العوامل على عملية الاحتراق تنوع أنواع وأنماط الاحتراق. لذلك ، اعتمادًا على حالة تجميع مكونات الخليط القابل للاحتراق ، يمكن أن يكون الاحتراق متجانسًا وغير متجانس ، وفقًا لظروف خلط المكونات - احتراق خليط مُعد مسبقًا (حركي) وانتشار ، في ظروف ديناميكية الغاز - رقائقي واضطراب ، إلخ.

الأنواع الرئيسية للاحتراق متجانسة وغير متجانسة.

احتراق متجانس - هي عملية التفاعل بين الوقود و
عامل مؤكسد في نفس حالة التجميع. معظم
انتشار الاحتراق المتجانس للغازات والأبخرة في الهواء.

احتراق غير متجانس- هذا هو احتراق المواد الصلبة القابلة للاحتراق
als مباشرة على سطحها. السمة المميزة
الاحتراق غير المتجانس هو عدم وجود لهب. أمثلة على ذلك
يحرقون أنثراسايت وفحم الكوك والفحم والمعادن غير المتطايرة.
يسمى الاحتراق عديم اللهب في بعض الأحيان تسوس.

كما يتضح من التعريفات ، فإن الاختلاف الأساسي بين الاحتراق المتجانس وغير المتجانس هو أنه في الحالة الأولى يكون الوقود والمؤكسد في نفس حالة التجميع ، وفي الحالة الثانية يكونان في حالات مختلفة.

في الوقت نفسه ، تجدر الإشارة إلى أن احتراق المواد الصلبة بعيدًا عن أن يكون دائمًا غير متجانس. هذا بسبب آلية احتراق المواد الصلبة.

على سبيل المثال ، حرق الأخشاب في الهواء. من أجل إشعالها ، تحتاج إلى إحضار نوع من مصدر الحرارة ، مثل لهب من عود ثقاب أو ولاعة ، وانتظر بعض الوقت. السؤال الذي يطرح نفسه: لماذا لا تضيء على الفور؟ ويفسر ذلك حقيقة أنه في الفترة الأولية ، يجب أن يسخن مصدر الإشعال الخشب إلى درجة حرارة معينة ، حيث تبدأ عملية الانحلال الحراري ، أو بعبارة أخرى ، التحلل الحراري. في الوقت نفسه ، نتيجة لتحلل السليلوز والمكونات الأخرى ، تبدأ منتجات تحللها - الغازات القابلة للاحتراق - الهيدروكربونات في الظهور. من الواضح أنه كلما زادت التسخين ، زاد معدل التحلل ، وبالتالي معدل إطلاق الغازات القابلة للاحتراق. وذلك فقط عندما يكون معدل إطلاق هرمون النمو كافيًا لإنشاء تركيز معين في الهواء ، أي جو قابل للاشتعال ، قد يحدث احتراق. ماذا فعلت لا يحرق الأخشاب ، ولكن نواتج التحلل - الغازات القابلة للاحتراق.هذا هو السبب في أن احتراق الخشب ، في معظم الحالات ، هو احتراق متجانس ، وليس احتراقًا غير متجانس.

قد تجادل بأن الخشب يبدأ في النهاية في الاحتراق ، وأن الاحتراق ، كما ذكر أعلاه ، هو احتراق غير متجانس. هذا صحيح. والحقيقة هي أن المنتجات النهائية لتحلل الخشب هي غازات قابلة للاحتراق وبقايا الكربون ، أو ما يسمى بفحم الكوك. لقد رأيتم جميعًا واشتريتوا هذه البقايا الكربونية المستخدمة في طهي الشواء. تتكون هذه الأنواع من الفحم من حوالي 98٪ كربون نقي ولا يمكنها انبعاث الزئبق. الفحم يحترق بالفعل في وضع الاحتراق غير المتجانس ، أي أنه يتصاعد.

وهكذا ، يحترق الخشب أولاً في وضع الاحتراق المتجانس ، ثم عند درجة حرارة حوالي 800 درجة مئوية ، يتحول احتراق اللهب إلى احتراق ، أي يصبح غير متجانسة. وينطبق الشيء نفسه على المواد الصلبة الأخرى.

كيف تحترق السوائل في الهواء؟ آلية احتراق السوائل هي أنها تتبخر أولاً ، والأبخرة هي التي تشكل خليطًا قابلًا للاحتراق مع الهواء. وهذا هو ، في هذه الحالة ، يحدث أيضًا احتراق متجانس. ليست المرحلة السائلة هي التي تحترق ، بل بخار السائل

آلية احتراق المعدن هي نفس آلية احتراق السوائل ، باستثناء أنه يجب أولاً صهر المعدن ثم تسخينه إلى درجة حرارة عالية حتى يكون معدل التبخر كافياً لتكوين وسط قابل للاشتعال. بعض المعادن تحترق على سطحها.

في الاحتراق المتجانس ، يتم التمييز بين وضعين: الاحتراق الحركي والانتشار.

الاحتراق الحركي- هذا هو احتراق خليط قابل للاشتعال مخلوط مسبقًا ، أي خليط متجانس. يتم تحديد معدل الاحتراق فقط من خلال حركية تفاعل الأكسدة والاختزال.

الاحتراق بالانتشار- هذا هو احتراق خليط غير متجانس ، عندما لا يتم خلط الوقود والمؤكسد مسبقًا ، أي غير متجانسة. في هذه الحالة ، يحدث خلط الوقود والمؤكسد في مقدمة اللهب بسبب الانتشار. بالنسبة للاحتراق غير المنظم ، فإن وضع انتشار الاحتراق هو بالضبط ما يميزه ؛ معظم المواد القابلة للاحتراق في النار يمكن أن تحترق فقط في هذا الوضع. وبطبيعة الحال ، يمكن أن تتشكل المخاليط المتجانسة أيضًا أثناء نشوب حريق حقيقي ، لكن تكوينها يسبق الحريق أو يوفر مرحلة أولية من التطور.

يتمثل الاختلاف الأساسي بين هذه الأنواع من الاحتراق في أنه في خليط متجانس يكون الوقود وجزيئات الأكسدة على مقربة بالفعل وجاهزة للدخول في تفاعل كيميائي ، بينما في احتراق الانتشار ، يجب أن تقترب هذه الجزيئات أولاً من بعضها البعض بسبب الانتشار ، وفقط بعد ذلك تدخل في التفاعل.

هذا يسبب الاختلاف في معدل عملية الاحتراق.

إجمالي وقت الاحتراق t g ، يتكون من مدة الفيزيائية
عمليات التزلج والكيماويات:

ر ز = ر و + ت س.

نظام الاحتراق الحركيتتميز بمدة العمليات الكيميائية فقط ، أي t g »t x ، لأنه في هذه الحالة العمليات الفيزيائيةالتحضير (الخلط) غير مطلوب ، أي t و »0 .

وضع انتشار الاحتراق ،على العكس من ذلك ، فهو يعتمد بشكل أساسي على
معدل تحضير خليط متجانس قابل للاحتراق (تقريبًا ، نهج الجزيئات) ، في هذه الحالة ، t f >> t x ، وبالتالي يمكن إهمال الأخير ، أي يتم تحديد مدتها بشكل رئيسي من خلال معدل العمليات الفيزيائية.

إذا كانت t f »t x ، أي كانت متناسبة ، ثم يستمر الاحتراق بهذه الطريقة
تسمى المنطقة الوسيطة.

على سبيل المثال ، تخيل موقدين غازيين (الشكل 1.1): يوجد في أحدهما ثقوب في الفوهة للوصول إلى الهواء (أ) ، وفي الأخرى ليست (ب). في الحالة الأولى ، سيتم شفط الهواء عن طريق الحقن في الفوهة ، حيث يتم خلطه بالغاز القابل للاحتراق ، وبالتالي تكوين خليط متجانس قابل للاحتراق يحترق عند مخرج الفوهة في الوضع الحركي . في الحالة الثانية (ب) ، يتم خلط الهواء بالغاز القابل للاحتراق أثناء الاحتراق بسبب الانتشار ، وفي هذه الحالة - احتراق الانتشار .

أرز. 1.1مثال على الحركية (أ) والانتشار (ب) الاحتراق

مثال آخر: يحدث تسرب للغاز في الغرفة. يمتزج الغاز تدريجيًا مع الهواء ، ويشكل خليطًا متجانسًا قابل للاحتراق. وإذا ظهر مصدر اشتعال بعد ذلك يحدث انفجار. هذا هو الاحتراق في النظام الحركي.

وبالمثل عند حرق السوائل مثل البنزين. إذا تم سكبه في وعاء مفتوح وأشعلت فيه النيران ، فسيحدث احتراق بالانتشار. إذا وضعت هذه الحاوية في غرفة مغلقة وانتظرت بعض الوقت ، فسوف يتبخر البنزين جزئيًا ويمتزج بالهواء وبالتالي يشكل خليطًا متجانسًا قابل للاحتراق. عندما يتم إدخال مصدر الإشعال ، كما تعلم ، سيحدث انفجار ، وهذا هو الاحتراق الحركي.

ما هي طريقة الاحتراق في الحرائق الحقيقية؟ بالطبع ، بشكل رئيسي في الانتشار. في بعض الحالات ، يمكن أن يبدأ الحريق أيضًا بالاحتراق الحركي ، كما في الأمثلة المذكورة ، ومع ذلك ، بعد حرق خليط متجانس ، والذي يحدث بسرعة كبيرة ، سيستمر الاحتراق في وضع الانتشار.

أثناء الاحتراق بالانتشار ، في حالة نقص الأكسجين في الهواء ، على سبيل المثال ، أثناء الحرائق في الأماكن المغلقة ، يكون الاحتراق غير الكامل للوقود ممكنًا مع تكوين منتجات احتراق غير كامل مثل ثاني أكسيد الكربون - أول أكسيد الكربون. جميع منتجات الاحتراق غير الكامل شديدة السمية وتشكل خطر حريق كبير. في معظم الحالات ، هم المسؤولون عن موت الناس.

لذا ، فإن الأنواع الرئيسية للاحتراق متجانسة وغير متجانسة. الاختلاف المرئي بين هذه الأوضاع هو وجود اللهب.

يمكن أن يستمر الاحتراق المتجانس في وضعين: الانتشار والحركي. بصريا ، يكمن الاختلاف بينهما في معدل الحرق.

تجدر الإشارة إلى أن هناك نوعًا آخر من الاحتراق مميزًا - احتراق المتفجرات. تشتمل المتفجرات على وقود وعامل مؤكسد في المرحلة الصلبة. نظرًا لأن كلا من الوقود والمؤكسد في نفس حالة التجميع ، فإن هذا الاحتراق يكون متجانسًا.

في الحرائق الحقيقية ، يحدث الاحتراق المشتعل بشكل أساسي. اللهب ، كما هو معروف ، معزول كواحد من العوامل الخطرة للحريق. ما هو اللهب وما العمليات التي تتم فيه؟

عند حرق الوقود الصلب ، يسبق التفاعل الكيميائي نفسه عملية تزويد السطح المتفاعل بالمؤكسد. وبالتالي ، فإن عملية احتراق الوقود الصلب هي عملية فيزيائية وكيميائية غير متجانسة معقدة تتكون من مرحلتين: إمداد الأكسجين إلى سطح الوقود عن طريق الانتشار المضطرب والجزيئي والتفاعل الكيميائي عليه.

دعونا ننظر في النظرية العامة للاحتراق غير المتجانس باستخدام احتراق جسيم الكربون الكروي كمثال ، بافتراض الشروط التالية. تركيز الأكسجين على كامل سطح الجسيم هو نفسه ؛ يتناسب معدل تفاعل الأكسجين مع الكربون مع تركيز الأكسجين بالقرب من السطح ، أي يحدث تفاعل من الدرجة الأولى ، وهو على الأرجح لعمليات غير متجانسة ؛ يستمر التفاعل على سطح الجسيم مع تكوين نواتج الاحتراق النهائي ، ولا توجد تفاعلات ثانوية في الحجم ، وكذلك على سطح الجسيم.

في مثل هذا الإعداد المبسط ، يمكن تمثيل معدل احتراق الكربون على أنه يعتمد على معدل مرحلتين رئيسيتين ، أي على معدل إمداد الأكسجين إلى السطح البيني ومعدل التفاعل الكيميائي نفسه الذي يحدث على سطح الجسيم. نتيجة لتفاعل هذه العمليات ، تحدث حالة توازن ديناميكية بين كمية الأكسجين التي يتم توفيرها عن طريق الانتشار والمستهلكة للتفاعل الكيميائي للأكسجين عند قيمة معينة من تركيزه على سطح الكربون.

معدل التفاعل الكيميائي / (° 2 جم أكسجين / (سم 2-ث) يحدد بواسطة

نظرًا لأن كمية الأكسجين التي تستهلكها وحدة سطح التفاعل لكل وحدة زمنية ، يمكن التعبير عنها بالشكل التالي:

في المعادلة:

K هو ثابت معدل تفاعل كيميائي ؛

Cv هو تركيز الأكسجين على سطح الجسيم.

من ناحية أخرى ، فإن معدل الاحتراق يساوي التدفق المحدد كي

الأكسجين إلى السطح المتفاعل ، الذي يتم توصيله بالانتشار:

K ° "\ u003d إعلان (C، - C5). (15-2)

في المعادلة:

Ad - معامل تبادل الانتشار ؛

Co هو تركيز الأكسجين في التدفق الذي تحترق فيه جزيئات الكربون.

باستبدال قيمة Cv الموجودة في المعادلة (15-1) في المعادلة (15-2) ، نحصل على التعبير التالي لمعدل الاحتراق غير المتجانس من حيث كمية الأكسجين التي يستهلكها سطح وحدة من الجسيم لكل وحدة زمنية :

". С °، ■ '(15-3)

دلالة من خلال

ككازة - - ج - ، (15-4)

يمكن تمثيل التعبير (15-3) كـ

/<°’ = /СкажС„. (15-5)

يشبه التعبير (15-5) في بنيته المعادلة الحركية (15-1) لتفاعل من الدرجة الأولى. في ذلك ، يتم استبدال ثابت معدل التفاعل "£" بالمعامل Kkazh ، والذي يعتمد على كل من خصائص تفاعل الوقود وقوانين النقل وبالتالي يسمى ثابت المعدل الظاهري لحرق الكربون الصلب.

يعتمد معدل التفاعلات الكيميائية للاحتراق على طبيعة الوقود والظروف الفيزيائية: تركيز الغاز المتفاعل على السطح ودرجة الحرارة والضغط. الاعتماد على درجة الحرارة لمعدل التفاعل الكيميائي هو الأقوى. في درجات الحرارة المنخفضة ، يكون معدل التفاعل الكيميائي منخفضًا ، ومن حيث استهلاك الأكسجين ، يكون عدة مرات أقل من المعدل الذي يمكن أن يتم فيه توصيل الأكسجين بالانتشار. تكون عملية الاحتراق محدودة حسب معدل التفاعل الكيميائي نفسه ولا يعتمد على ظروف الإمداد بالأكسجين ، أي سرعة تدفق الهواء ، وحجم الجسيمات ، وما إلى ذلك. لذلك ، تسمى منطقة الاحتراق غير المتجانس هذه بالحركية.

في المنطقة الحركية للاحتراق ، ad> - £ ، لذلك ، في الصيغة (15-3) ، يمكن إهمال قيمة 1 / ad مقارنة بـ 1 / & ثم نحصل على:

K ° 32 = KC0. (15-6)

يتم إنشاء التوازن بين كمية الأكسجين التي يتم توصيلها عن طريق الانتشار والمستهلك في التفاعل عند تدرج صغير لتركيزه ، بسبب اختلاف قيمة تركيز الأكسجين على سطح التفاعل قليلاً عن قيمته في التدفق. في درجات الحرارة العالية ، يمكن أن يحدث الاحتراق الحركي بمعدلات تدفق هواء عالية وأحجام جزيئات صغيرة من الوقود ، أي مع مثل هذا التحسن في ظروف تزويد الأكسجين ، عندما يمكن توصيل الأخير بكمية أكبر بكثير "مقارنة بالحاجة لتفاعل كيميائي.

تظهر مناطق مختلفة من الاحتراق غير المتجانس بيانياً في الشكل. 15-1. تتميز المنطقة الحركية I بالمنحنى 1 ، مما يدل على أنه مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد معدل الاحتراق بشكل حاد وفقًا لقانون أرهينيوس.

عند درجة حرارة معينة ، يصبح معدل التفاعل الكيميائي متناسبًا مع معدل توصيل الأكسجين إلى سطح التفاعل ، ومن ثم يصبح معدل الاحتراق معتمداً ليس فقط على معدل التفاعل الكيميائي ، ولكن أيضًا على معدل توصيل الأكسجين. في هذه المنطقة ، تسمى المنطقة الوسيطة (الشكل 15-1 ، المنطقة الثانية ، المنحنى 1-2) ، معدلات هاتين المرحلتين قابلة للمقارنة ، ولا يمكن إهمال أي منهما ، وبالتالي يتم تحديد معدل عملية الاحتراق بالصيغة (15-3). مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد معدل الاحتراق ، ولكن بدرجة أقل مما هو عليه في المنطقة الحركية ، ويتباطأ نموه تدريجيًا ويصل أخيرًا إلى الحد الأقصى عند الانتقال إلى منطقة الانتشار (الشكل 15-1 ، المنطقة III) ، المنحنى 2-3) ، تظل مستقلة عن درجة الحرارة. في درجات الحرارة المرتفعة في هذه المنطقة ، يزداد معدل التفاعل الكيميائي بشكل كبير بحيث يدخل الأكسجين الناتج عن الانتشار على الفور في تفاعل كيميائي ، ونتيجة لذلك يصبح تركيز الأكسجين على السطح صفراً تقريبًا. في الصيغة (15-3) ، يمكننا إهمال قيمة 1 / & مقارنة بـ 1 / إعلان ، ثم نحصل على أن معدل الاحتراق يتحدد بمعدل انتشار الأكسجين إلى سطح التفاعل ، أي

وبالتالي تسمى منطقة الاحتراق هذه بالانتشار. في منطقة الانتشار ، يكون معدل الاحتراق مستقلاً عمليًا عن خصائص الوقود ودرجة الحرارة. يؤثر تأثير درجة الحرارة فقط على التغيير في الثوابت الفيزيائية. في هذه المنطقة ، يتأثر معدل الاحتراق بشدة بظروف توصيل الأكسجين ، أي العوامل الهيدروديناميكية: السرعة النسبية لتدفق الغاز وحجم جزيئات الوقود. مع زيادة معدل تدفق الغاز وانخفاض حجم الجسيمات ، أي مع تسريع توصيل الأكسجين ، يزداد معدل انتشار الاحتراق.

أثناء الاحتراق ، يتم إنشاء توازن ديناميكي بين العملية الكيميائية لاستهلاك الأكسجين وعملية انتشار توصيله عند قيمة معينة لتركيز الأكسجين على سطح التفاعل. يعتمد تركيز الأكسجين على سطح الجسيم على نسبة معدلات هاتين العمليتين ؛ إذا ساد معدل الانتشار ، فسوف يقترب من التركيز في التدفق ، بينما تؤدي الزيادة في معدل التفاعل الكيميائي إلى انخفاضه.

يمكن أن تنتقل عملية الاحتراق التي تحدث في منطقة الانتشار إلى المنطقة الوسيطة (المنحنى 1 "-2") أو حتى في المنطقة الحركية مع زيادة الانتشار ، على سبيل المثال ، مع زيادة معدل التدفق أو انخفاض في حجم الجسيمات.

وبالتالي ، مع زيادة معدل تدفق الغاز والانتقال إلى جزيئات صغيرة ، تتحول العملية نحو الاحتراق الحركي. تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى تحول العملية نحو الاحتراق بالانتشار (الشكل 15-1 ، المنحنى 2 "-3").

يعتمد مسار الاحتراق غير المتجانس في منطقة أو أخرى لأي حالة معينة على هذه الظروف المحددة. تتمثل المهمة الرئيسية لدراسة عملية الاحتراق غير المتجانس في تحديد مناطق الاحتراق وتحديد الأنماط الكمية لكل منطقة.

تمت ملاحظة الظواهر الفيزيائية المذكورة في القسم السابق في مجموعة متنوعة من العمليات التي تختلف في كل من طبيعة التفاعلات الكيميائية وفي حالة تراكم المواد المشاركة في الاحتراق.

هناك احتراق متجانس وغير متجانس وانتشار.

يشمل الاحتراق المتجانس غازات مخلوطة مسبقًا. العديد من الأمثلة على الاحتراق المتجانس هي عمليات احتراق الغازات أو الأبخرة التي يكون فيها المؤكسد هو الأكسجين الجوي: احتراق مخاليط الهيدروجين ، ومخاليط أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات مع الهواء. في الحالات المهمة عمليًا ، لا يتم دائمًا استيفاء حالة الخلط الأولي الكامل. لذلك ، فإن مجموعات الاحتراق المتجانس مع أنواع الاحتراق الأخرى ممكنة دائمًا.

يمكن تحقيق الاحتراق المتجانس في نظامين: رقائقي واضطراب. يعمل الاضطراب على تسريع عملية الاحتراق بسبب تجزئة مقدمة اللهب إلى أجزاء منفصلة ، وبالتالي زيادة مساحة التلامس للمواد المتفاعلة في حالة الاضطراب الكبير أو تسريع عمليات نقل الحرارة والكتلة في اللهب الجبهة في حالة الاضطراب على نطاق صغير. يتميز الاحتراق المضطرب بالتشابه الذاتي: تزيد الدوامات المضطربة من معدل الاحتراق ، مما يؤدي إلى زيادة الاضطراب.

تتجلى جميع معلمات الاحتراق المتجانس أيضًا في العملية التي لا يكون فيها العامل المؤكسد هو الأكسجين ، ولكن الغازات الأخرى. على سبيل المثال ، الفلور أو الكلور أو البروم.

أثناء الحرائق ، تكون عمليات الاحتراق بالانتشار هي الأكثر شيوعًا. في نفوسهم ، تكون جميع المواد المتفاعلة في الطور الغازي ، لكن لا يتم خلطها مبدئيًا. في حالة احتراق السوائل الصلبة ، تحدث عملية أكسدة الوقود في الطور الغازي بالتزامن مع عملية تبخر السائل (أو تحلل المادة الصلبة) ومع عملية الخلط.

أبسط مثال على احتراق الانتشار هو احتراق الغاز الطبيعي في موقد غاز. في الحرائق ، يتم تحقيق طريقة الاحتراق بالانتشار المضطرب ، عندما يتم تحديد معدل الاحتراق بمعدل الخلط المضطرب.

يتم التمييز بين المزج الكبير والميكرو ميكس. تتضمن عملية الخلط المضطرب التكسير المتتالي للغاز: إلى أحجام أصغر وأصغر وخلطها معًا. في المرحلة الأخيرة ، يحدث الخلط الجزيئي النهائي عن طريق الانتشار الجزيئي ، ويزداد معدله مع انخفاض مقياس التجزئة. عند الانتهاء من المزج الكبير ، يتم تحديد معدل الاحتراق من خلال عمليات المزج الدقيق ضمن كميات صغيرة من الوقود والهواء.

يحدث احتراق غير متجانس في الواجهة. في هذه الحالة ، تكون إحدى المواد المتفاعلة في حالة مكثفة ، وتدخل الأخرى (عادةً الأكسجين الجوي) بسبب انتشار الطور الغازي. الشرط الأساسي للاحتراق غير المتجانس هو نقطة غليان عالية جدًا (أو تحلل) للمرحلة المكثفة. إذا لم يتم استيفاء هذا الشرط ، فإن الاحتراق يسبقه التبخر أو التحلل. من السطح ، يدخل تيار من البخار أو منتجات التحلل الغازي منطقة الاحتراق ، ويحدث الاحتراق في الطور الغازي. يمكن أن يُعزى هذا الاحتراق إلى انتشار شبه غير متجانس ، ولكن ليس غير متجانس تمامًا ، لأن عملية الاحتراق لم تعد تحدث عند حدود الطور. يتم تطوير هذا الاحتراق بسبب تدفق الحرارة من اللهب إلى سطح المادة ، مما يضمن مزيدًا من التبخر أو التحلل وتدفق الوقود إلى منطقة الاحتراق. في مثل هذه الحالات ، تنشأ حالة مختلطة عندما تستمر تفاعلات الاحتراق جزئيًا بشكل غير متجانس - على سطح الطور المكثف ، بشكل متجانس جزئيًا - في حجم خليط الغاز.

مثال على الاحتراق غير المتجانس هو احتراق الفحم والفحم. أثناء احتراق هذه المواد ، يحدث نوعان من التفاعلات. تنبعث بعض درجات الفحم من مكونات متطايرة عند تسخينها. ويسبق احتراق هذه الأنواع من الفحم تحللها الحراري الجزئي مع إطلاق الهيدروكربونات الغازية والهيدروجين التي تحترق في الطور الغازي. بالإضافة إلى ذلك ، عندما يتم حرق الكربون النقي ، يمكن تكوين أول أكسيد الكربون ، والذي يحترق بكميات كبيرة. مع وجود فائض كاف من الهواء وارتفاع درجة حرارة سطح الفحم ، تستمر التفاعلات السائبة بالقرب من السطح لدرجة أنه ، في تقدير تقريبي معين ، يعطي أسبابًا لاعتبار هذه العملية غير متجانسة.

مثال على الاحتراق غير المتجانس حقًا هو احتراق المعادن المقاومة للصهر غير المتطايرة. يمكن أن تكون هذه العمليات معقدة بسبب تكوين أكاسيد تغطي السطح المحترق وتمنع ملامسة الأكسجين. مع وجود اختلاف كبير في الخصائص الفيزيائية والكيميائية بين المعدن وأكسيده ، يتشقق فيلم الأكسيد أثناء الاحتراق ، ويتم ضمان وصول الأكسجين إلى منطقة الاحتراق.