sagorevanje eksplozije kiseonika

Homogeno sagorevanje se odnosi na sagorevanje prethodno pomešanih gasova. Brojni primjeri homogenog sagorijevanja su procesi sagorijevanja plinova ili para u kojima je oksidacijski agens atmosferski kisik: sagorijevanje mješavine vodonika, mješavine ugljičnog monoksida i ugljovodonika sa zrakom. U praktično važnim slučajevima, uslov potpunog prethodnog mešanja nije uvek ispunjen. Zbog toga su kombinacije homogenog sagorevanja sa drugim vrstama sagorevanja uvek moguće.

Homogeno sagorevanje se može realizovati na dva načina: laminarno i turbulentno. Turbulencija ubrzava proces izgaranja fragmentacijom fronta plamena na odvojene fragmente i, shodno tome, povećavajući površinu kontakta reagujućih supstanci u turbulencijama velikih razmjera ili ubrzavajući procese prijenosa topline i mase na frontu plamena u turbulencijama malih razmjera. Turbulentno sagorevanje karakteriše samosličnost: turbulentni vrtlozi povećavaju brzinu sagorevanja, što dovodi do povećanja turbulencije.

Svi parametri homogenog sagorevanja javljaju se i u procesima u kojima oksidaciono sredstvo nije kiseonik, već drugi gasovi. Na primjer, fluor, klor ili brom.

Heterogeno sagorevanje se dešava na interfejsu. U ovom slučaju, jedna od supstanci koja reaguje je u kondenzovanom stanju, druga (obično atmosferski kiseonik) ulazi zbog difuzije gasne faze. Obavezno stanje heterogeno sagorevanje je vrlo visoka tačka ključanja (ili razlaganja) kondenzovane faze. Ako ovaj uslov nije ispunjen, sagorevanju prethodi isparavanje ili raspadanje. Protok pare ili gasovitih produkata raspadanja ulazi u zonu sagorevanja sa površine, a sagorevanje se dešava u gasnoj fazi. Takvo sagorijevanje se može klasificirati kao difuzijsko kvaziheterogeno, ali ne i potpuno heterogeno, budući da se proces sagorijevanja više ne odvija na granici faze. Razvoj takvog sagorijevanja odvija se zbog toka topline od plamena do površine materijala, čime se osigurava dalje isparavanje ili razlaganje i protok goriva u zonu sagorijevanja. U takvim situacijama nastaje mješoviti slučaj kada se reakcije sagorijevanja odvijaju djelomično heterogeno - na površini kondenzirane faze, a djelimično homogeno - u zapremini gasne mešavine.

Primjer heterogenog sagorijevanja je sagorijevanje uglja i drvenog uglja. Kada ove supstance sagore, javljaju se dve vrste reakcija. Neke vrste uglja oslobađaju hlapljive komponente kada se zagrijavaju. Sagorijevanju takvih ugljeva prethodi njihovo djelomično termičko raspadanje uz oslobađanje plinovitih ugljovodonika i vodonika, koji izgaraju u plinovitoj fazi. Osim toga, prilikom sagorijevanja čistog ugljika može nastati ugljični monoksid CO, koji u zapremini izgara. Uz dovoljan višak zraka i visoku temperaturu površine uglja, volumetrijske reakcije se javljaju toliko blizu površine da, u određenoj aproksimaciji, postoji razlog da se takav proces smatra heterogenim.

Primjer istinski heterogenog sagorijevanja je sagorijevanje vatrostalnih neisparljivih metala. Ovi procesi mogu biti komplikovani stvaranjem oksida koji prekrivaju goruću površinu i sprečavaju kontakt sa kiseonikom. Sa velikom razlikom u fizička i hemijska svojstva Između metala i njegovog oksida tokom procesa sagorevanja dolazi do pucanja oksidnog filma i obezbeđen je pristup kiseoniku zoni sagorevanja.

Na osnovu razmatranih primjera, ovisno o agregacijskom stanju mješavine goriva i oksidatora, tj. u zavisnosti od broja faza u mešavini, postoje:

1. Homogeno sagorevanje gasovi i pare zapaljivih materija u gasovitom oksidacionom okruženju. Dakle, reakcija sagorevanja se odvija u sistemu koji se sastoji od jedne faze (agregatno stanje).

2. Heterogeno sagorevanječvrste zapaljive supstance u gasovitom oksidacionom okruženju. U ovom slučaju reakcija se odvija na granici, dok se homogena reakcija odvija u cijelom volumenu.

To je sagorijevanje metala, grafita, tj. praktično neisparljivi materijali. Mnoge gasne reakcije imaju homogeno-heterogenu prirodu, kada je mogućnost nastanka homogene reakcije posledica nastanka simultano heterogene reakcije.

Sagorijevanje svih tekućih i mnogih čvrstih tvari, iz kojih se oslobađaju pare ili plinovi (isparljive tvari), događa se u plinovitoj fazi. Čvrste i tečne faze igraju ulogu rezervoara reagujućih produkata.

Na primjer, heterogena reakcija spontanog sagorijevanja uglja prelazi u homogenu fazu sagorijevanja isparljivih tvari. Ostatak koksa gori heterogeno.

4.3. Difuzija i kinetičko sagorijevanje.

Na osnovu stepena pripremljenosti zapaljive smjese razlikuju se difuzijsko i kinetičko sagorijevanje.

Vrste sagorevanja koje se razmatraju (osim za eksplozive) odnose se na difuziono sagorevanje. Plamen, tj. Zona sagorijevanja mješavine goriva i zraka mora se stalno napajati gorivom i kisikom kako bi se osigurala stabilnost. Opskrba zapaljivim plinom ovisi samo o brzini njegovog dovoda u zonu sagorijevanja. Brzina ulaska zapaljive tečnosti zavisi od intenziteta njenog isparavanja, tj. na pritisak pare iznad površine tečnosti, a samim tim i na temperaturu tečnosti. Temperatura paljenja je najniža temperatura tečnosti pri kojoj se plamen iznad njene površine neće ugasiti.

Sagorevanje čvrstih materija se razlikuje od sagorevanja gasova po prisustvu faze razgradnje i gasifikacije sa naknadnim paljenjem isparljivih proizvoda pirolize.

Piroliza- To je zagrijavanje organskih tvari na visoke temperature bez pristupa zraka. U tom slučaju dolazi do razgradnje, odnosno cijepanja, složenih spojeva na jednostavnije (koksiranje uglja, krekiranje nafte, suha destilacija drveta). Dakle, sagorijevanje čvrste zapaljive tvari u produkt sagorijevanja nije koncentrirano samo u zoni plamena, već ima višestepeni karakter.

Zagrijavanjem čvrste faze dolazi do raspadanja i oslobađanja plinova koji se pale i izgaraju. Toplota iz baklje zagrijava čvrstu fazu, uzrokujući njenu rasplinjavanje i proces se ponavlja, čime se održava sagorijevanje.

Model čvrstog sagorevanja pretpostavlja prisustvo sledećih faza (slika 17):

Rice. 17. Model sagorijevanja

čvrsta materija.

zagrevanje čvrste faze. Za topljive supstance, topljenje se dešava u ovoj zoni. Debljina zone zavisi od temperature provodljivosti supstance;

piroliza, ili reakciona zona u čvrstoj fazi, u kojoj nastaju gasovite zapaljive supstance;

predplamen u plinskoj fazi, u kojem se formira smjesa s oksidantom;

plamen ili reakciona zona u gasnoj fazi, u kojoj dolazi do transformacije produkata pirolize u gasovite produkte sagorevanja;

produkti sagorevanja.

Brzina dovoda kiseonika u zonu sagorevanja zavisi od njegove difuzije kroz produkt sagorevanja.

Uopšteno govoreći, budući da brzina hemijske reakcije u zoni sagorevanja kod razmatranih vrsta sagorevanja zavisi od brzine ulaska reagujućih komponenti i površine plamena putem molekularne ili kinetičke difuzije, ova vrsta sagorevanja se naziva difuzija.

Struktura plamena difuziono sagorevanje sastoji se od tri zone (slika 18):

Zona 1 sadrži gasove ili pare. U ovoj zoni nema sagorevanja. Temperatura ne prelazi 500 0 C. Dolazi do raspadanja, pirolize isparljivih tvari i zagrijavanja do temperature samozapaljenja.

Rice. 18. Struktura plamena.

U zoni 2 nastaje mešavina para (gasova) sa atmosferskim kiseonikom i dolazi do nepotpunog sagorevanja do CO sa delimičnom redukcijom u ugljenik (malo kiseonika):

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;

U 3. vanjskoj zoni dolazi do potpunog sagorijevanja proizvoda druge zone i uočava se maksimalna temperatura plamena:

2CO+O 2 =2CO 2 ;

Visina plamena je proporcionalna koeficijentu difuzije i brzini protoka gasa i obrnuto proporcionalna gustini gasa.

Sve vrste difuznog sagorevanja svojstvene su požarima.

Kinetic Sagorijevanje je sagorijevanje prethodno pomiješanog zapaljivog plina, pare ili prašine s oksidantom. U ovom slučaju, brzina gorenja ovisi samo o fizičko-kemijskim svojstvima zapaljive smjese (toplotna provodljivost, toplinski kapacitet, turbulencija, koncentracija tvari, tlak, itd.). Stoga se brzina gorenja naglo povećava. Ova vrsta sagorijevanja svojstvena je eksplozijama.

IN U ovom slučaju, kada se zapaljiva smjesa zapali u bilo kojoj tački, front plamena se pomiče iz produkata izgaranja u svježu smjesu. Tako je plamen pri kinetičkom sagorevanju najčešće nestalan (Sl. 19).

Rice. 19. Šema širenja plamena u zapaljivoj smeši: - izvor paljenja;

- smjer kretanja fronta plamena.

Iako, ako prvo pomiješate zapaljivi plin sa zrakom i ubacite ga u gorionik, tada će se, kada se zapali, formirati stacionarni plamen, pod uvjetom da je brzina protoka smjese jednaka brzini širenja plamena.

Ako se poveća brzina dovoda plina, plamen se odvaja od gorionika i može se ugasiti. A ako se brzina smanji, plamen će se uvući u gorionik uz moguću eksploziju. Prema stepenu sagorevanja , tj. potpunost reakcije sagorevanja do krajnjih proizvoda, dolazi do sagorevanja.

Dakle, u zoni 2 (slika 18) sagorevanje je nepotpuno, jer Nedovoljna je opskrba kisikom, koji se djelomično troši u zoni 3, te se formiraju međuprodukti. Potonji izgaraju u zoni 3, gdje ima više kisika, do potpunog izgaranja. Prisustvo čađi u dimu ukazuje na nepotpuno sagorijevanje.

Drugi primjer: kada postoji nedostatak kisika, ugljik sagorijeva u ugljični monoksid:

Ako dodate O, reakcija ide do kraja:

2SO+O 2 =2SO 2.

Brzina gorenja ovisi o prirodi kretanja plinova. Stoga se pravi razlika između laminarnog i turbulentnog sagorijevanja.

Dakle, primjer laminarnog sagorijevanja je plamen svijeće u mirnom zraku. At laminarno sagorevanje slojevi gasova teku paralelno, bez kovitlanja.

Turbulentno sagorevanje– vrtložno kretanje gasova, pri čemu se gasovi sagorevanja intenzivno mešaju i front plamena je zamućen. Granica između ovih tipova je Reynoldsov kriterij, koji karakterizira odnos između inercijskih sila i sila trenja u strujanju:

, (4.1)

gdje:  - brzina protoka gasa;

 - kinetički viskozitet;

l– karakteristična linearna veličina.

Reynoldsov broj pri kojem dolazi do prijelaza laminarnog graničnog sloja u turbulentni naziva se kritični Re cr, Re cr ~ 2320.

Turbulencija povećava brzinu sagorijevanja zbog intenzivnijeg prijenosa topline sa produkata izgaranja na svježu smjesu.

Zapaljivo okruženje

Oksidirajuća sredstva

Oksidirajući agensi su supstance čiji atomi prihvataju elektrone tokom hemijskih transformacija. Među jednostavne supstance To uključuje sve halogene i kiseonik.

Najčešći oksidant u prirodi je atmosferski kiseonik.

U stvarnim požarima, sagorijevanje se uglavnom odvija na zraku, ali mnogi tehnološki procesi koriste zrak obogaćen kisikom, pa čak i čistim kisikom (na primjer, metalurška proizvodnja, plinsko zavarivanje, rezanje itd.). Atmosfera obogaćena kiseonikom može se sresti u podvodnim i svemirskim letelicama, procesima u visokim pećima itd. Takvi zapaljivi sistemi imaju povećanu opasnost od požara. Ovo se mora uzeti u obzir pri razvoju sistema za gašenje požara, mjerama za sprječavanje požara i prilikom požarno-tehničkog pregleda požara.

Pored atmosferskog kiseonika i halogena, kao oksidanti u reakcijama sagorevanja mogu delovati i složene supstance, na primer, soli kiselina koje sadrže kiseonik - nitrati, hlorati itd., koje se koriste u proizvodnji baruta, vojnih i industrijskih eksploziva i raznih pirotehničkih kompozicija.

Smjesa goriva i oksidatora u istom agregatnom stanju u određenih proporcija i sposoban za gorenje (a izgaranje je moguće samo pri određenim omjerima) naziva se zapaljivim medijem.

Postoje dvije vrste zapaljivih medija: homogena i heterogena.

Homogeni zapaljivi medij naziva se prethodno pomiješana mješavina goriva i oksidatora, i, prema tome, heterogeni zapaljivi medij – kada se gorivo i oksidant ne miješaju.

Uticaj velikog broja faktora na proces sagorevanja određuje raznovrsnost vrsta i načina sagorevanja. Dakle, u zavisnosti od stanja agregacije komponenti zapaljive smeše, sagorevanje može biti homogeno i heterogeno, na uslovima mešanja komponenti - sagorevanje unapred pripremljene smeše (kinetičko) i difuzija, na gasnodinamičkim uslovima - laminarni i turbulentni, itd.

Glavni tipovi sagorevanja su homogeni i heterogeni.

Homogeno sagorevanje - Ovo je proces interakcije između goriva i
oksidanti u istom agregatnom stanju. Većina
Homogeno sagorevanje gasova i para u vazduhu je široko rasprostranjeno.

Heterogeno sagorevanje- ovo je sagorijevanje čvrstih zapaljivih materijala -
direktno na njihovoj površini. Karakteristična karakteristika
heterogeno sagorevanje je odsustvo plamena. Primjeri toga
su sagorijevanje antracita, koksa, drvenog uglja i nehlapljivih metala.
Izgaranje bez plamena se ponekad naziva tinjajući.

Kao što se vidi iz definicija, fundamentalna razlika između homogenog sagorijevanja i heterogenog sagorijevanja je u tome što su u prvom slučaju gorivo i oksidant u istom agregatnom stanju, u drugom su u različitim stanjima.

Treba napomenuti da sagorevanje čvrstih materija i materijala nije uvek heterogeno. Ovo se objašnjava mehanizmom sagorevanja čvrstih materija.

Na primjer, drvo koje gori na zraku. Da biste ga zapalili, potrebno je ponijeti neku vrstu izvora topline, poput plamena iz šibice ili upaljača, i pričekati neko vrijeme. Postavlja se pitanje: zašto ne upali odmah? To se objašnjava činjenicom da u početnom periodu izvor paljenja mora zagrijati drvo na određenu temperaturu na kojoj počinje proces pirolize, odnosno termičke razgradnje. Istovremeno, kao rezultat razgradnje celuloze i drugih komponenti, počinju se oslobađati proizvodi njihovog raspada - zapaljivi plinovi - ugljikovodici. Očigledno, što je zagrijavanje veće, to je veća brzina raspadanja i, shodno tome, brzina oslobađanja zapaljivih plinova. I to samo kada je brzina oslobađanja GH dovoljna da stvori određenu koncentraciju u zraku, tj. stvaranje zapaljivog okruženja, može doći do izgaranja. Kakve to veze ima sagorijevanje nije drvo, već proizvodi njegovog raspadanja - zapaljivi plinovi. Zbog toga je sagorijevanje drva, u većini slučajeva, homogeno sagorijevanje, a ne heterogeno.

Možete prigovoriti: drvo s vremenom počinje da tinja, a tinjanje, kao što je gore spomenuto, je heterogeno sagorijevanje. Ovo je istina. Činjenica je da su krajnji proizvodi razgradnje drva uglavnom zapaljivi plinovi i ugljični ostaci, tzv. koks. Svi ste vidjeli ovaj vrlo ugljični ostatak i čak ste ga kupili za kuhanje ćevapa. Ovi ugljevi su otprilike 98% čistog ugljika i ne emituju GH. Ugljevi gori u heterogenom režimu sagorevanja, odnosno tinjaju.

Tako drvo prvo gori u homogenom režimu sagorevanja, a zatim na temperaturi od približno 800°C plameno sagorevanje prelazi u tinjanje, tj. postaje heterogena. Ista stvar se dešava i sa drugim čvrstim materijama.

Kako tečnosti sagorevaju na vazduhu? Mehanizam sagorevanja tečnosti je da one prvo ispare, a pare su te koje formiraju zapaljivu mešavinu sa vazduhom. Odnosno, u ovom slučaju dolazi i do homogenog sagorijevanja. Ne gori tečna faza, već para tečnosti

Mehanizam sagorevanja metala je isti kao i kod tečnosti, samo što se metal prvo mora rastopiti, a zatim zagrejati na visoku temperaturu kako bi brzina isparavanja bila dovoljna za formiranje zapaljivog medija. Neki metali gore na njihovoj površini.

Kod homogenog sagorevanja razlikuju se dva načina sagorevanja: kinetičko i difuziono sagorevanje.

Kinetičko sagorevanje– to je sagorijevanje prethodno pomiješane zapaljive mješavine, tj. homogena smeša. Brzina gorenja određena je samo kinetikom redoks reakcije.

Difuzijsko sagorevanje– to je sagorijevanje heterogene mješavine, kada gorivo i oksidant nisu prethodno pomiješani, tj. heterogena. U tom slučaju dolazi do miješanja goriva i oksidatora na frontu plamena zbog difuzije. Neorganizirano sagorijevanje karakterizira difuzijski način sagorijevanja većina zapaljivih materijala u požaru može izgorjeti samo u ovom načinu. Homogene smjese se, naravno, mogu formirati i tokom pravog požara, ali njihovo nastajanje prije požara ili predstavlja početnu fazu razvoja.

Osnovna razlika između ovih tipova sagorijevanja je u tome što su u homogenoj mješavini molekuli goriva i oksidatora već u neposrednoj blizini i spremni su da uđu u kemijsku interakciju, dok se kod difuzijskog sagorijevanja ovi molekuli moraju prvo približiti jedan drugom zbog difuzije, pa tek onda stupiti u interakciju.

Ovo određuje razliku u brzini procesa sagorevanja.

Ukupno vrijeme gorenja t g, sastoji se od trajanja fizičke
ski i hemijski procesi:

t g = t f + t x.

Kinetički način sagorijevanja karakteriše trajanje samo hemijskih procesa, tj. t g » t x, budući da je u ovom slučaju fizički procesi nije potrebna priprema (miješanje), tj. t f » 0 .

Način difuznog sagorijevanja, naprotiv, zavisi uglavnom od
brzina pripreme homogene zapaljive smeše (grubo rečeno, zbližavanje molekula), u ovom slučaju t f >> t x, pa se potonje može zanemariti, tj. njegovo trajanje je određeno uglavnom brzinom fizičkih procesa.

Ako je t f » t x, tj. oni su srazmjerni, tada se sagorijevanje odvija na sljedeći način
nazvana srednja regija.

Na primjer, zamislite dva plinska gorionika (slika 1.1): u jednom od njih postoje rupe u mlaznici za pristup zraku (a), u drugom ih nema (b). U prvom slučaju vazduh će se ubrizgavanjem ubrizgati u mlaznicu, gde se meša sa zapaljivim gasom, formirajući tako homogenu zapaljivu smešu, koja sagoreva na izlazu mlaznice u kinetički način rada . U drugom slučaju (b), vazduh se meša sa zapaljivim gasom tokom procesa sagorevanja usled difuzije, u ovom slučaju - difuziono sagorevanje .

Rice. 1.1Primjer kinetičkog (a) i difuzijskog (b) sagorijevanja

Drugi primjer: curi plin u prostoriji. Gas se postepeno miješa sa zrakom, formirajući homogenu zapaljivu smjesu. A ako se nakon toga pojavi izvor paljenja, dolazi do eksplozije. Ovo je sagorevanje u kinetičkom režimu.

Isto važi i za sagorevanje tečnosti, kao što je benzin. Ako se izlije u otvorenu posudu i zapali, doći će do difuzijskog sagorijevanja. Ako ovu posudu stavite u zatvorenu prostoriju i sačekate neko vrijeme, benzin će djelomično ispariti, pomiješati se sa zrakom i tako formirati homogenu zapaljivu smjesu. Kada unesete izvor paljenja, kao što znate, doći će do eksplozije, to je kinetičko sagorijevanje.

U kom načinu se sagorijevanje događa u stvarnim požarima? Naravno, uglavnom u difuziji. U nekim slučajevima požar može započeti kinetičkim sagorijevanjem, kao u navedenim primjerima, ali nakon što homogena smjesa izgori, što se dešava vrlo brzo, sagorijevanje će se nastaviti u difuzijskom režimu.

Kod difuzionog sagorevanja, u slučaju nedostatka kiseonika u vazduhu, na primer prilikom požara u zatvorenim prostorima, moguće je nepotpuno sagorevanje goriva sa stvaranjem produkata nepotpunog sagorevanja kao što je CO – ugljen monoksid. Svi proizvodi nepotpunog sagorevanja su veoma toksični i predstavljaju veliku opasnost u požaru. U većini slučajeva oni su odgovorni za smrt ljudi.

Dakle, glavne vrste sagorevanja su homogene i heterogene. Vizuelna razlika između ovih modova je prisustvo plamena.

Homogeno sagorevanje se može odvijati na dva načina: difuzioni i kinetički. Vizuelno, njihova razlika leži u brzini sagorevanja.

Treba napomenuti da postoji još jedna vrsta sagorevanja - sagorevanje eksploziva. Eksplozivi uključuju gorivo i oksidant u čvrstoj fazi. Pošto su i gorivo i oksidant u istom agregatnom stanju, takvo sagorevanje je homogeno.

U stvarnim požarima uglavnom dolazi do plamenog sagorijevanja. Plamen je, kao što je poznato, identifikovan kao jedan od opasnih faktora požara. Šta je plamen i koji se procesi odvijaju u njemu?

Prilikom sagorijevanja čvrstog goriva, samoj kemijskoj reakciji prethodi proces dovođenja oksidatora na reagirajuću površinu. Posljedično, proces sagorijevanja čvrstog goriva je složen heterogen fizičko-hemijski proces, koji se sastoji od dvije faze: dovod kisika na površinu goriva turbulentnom i molekularnom difuzijom i kemijske reakcije na njoj.

Razmotrimo opštu teoriju heterogenog sagorevanja na primeru sagorevanja sferne čestice ugljenika, prihvatajući sledeće uslove. Koncentracija kisika na cijeloj površini čestice je ista; brzina reakcije kisika s ugljikom proporcionalna je koncentraciji kisika na površini, odnosno odvija se reakcija prvog reda, što je najvjerovatnije za heterogene procese; reakcija se odvija na površini čestice sa stvaranjem konačnih produkata sagorevanja, a nema sekundarnih reakcija u zapremini, kao ni na površini čestice.

U takvoj pojednostavljenoj situaciji, brzina sagorijevanja ugljika može se predstaviti kao ovisno o brzini njegova dva glavna stupnja, naime, o brzini dovoda kisika na međufaznu površinu i o brzini same kemijske reakcije koja se odvija na površini. čestice. Kao rezultat interakcije ovih procesa, dolazi do dinamičke ravnoteže između količine kisika koji se isporučuje difuzijom i troši za kemijsku reakciju pri određenoj vrijednosti njegove koncentracije na površini ugljika.

Brzina hemijske reakcije /(°2 g kiseonika/(cm2-s), određena

Kako se količina kisika koju troši jedinica reakcione površine u jedinici vremena može izraziti na sljedeći način:

u jednadžbi:

K je konstanta brzine kemijske reakcije;

Oc je koncentracija kisika na površini čestice.

S druge strane, brzina gorenja je jednaka specifičnom fluksu

Znoj na reagujuću površinu, dostavljen difuzijom:

K°" = ad(C, - C5). (15-2)

u jednadžbi:

Ad - koeficijent razmjene difuzije;

Co je koncentracija kisika u struji u kojoj gori čestica ugljika.

Zamjenom vrijednosti St, pronađene iz jednačine (15-1), u jednačinu (15-2), dobijamo sljedeći izraz za brzinu heterogenog sagorijevanja u smislu količine kisika potrošenog po jedinici površine čestice po jedinici vrijeme:

". S°, ■’ (15-3)

Označavanje sa

Kkazh - - C - , (15-4)

Izraz (15-3) se može predstaviti kao

/<°’ = /СкажС„. (15-5)

Po svojoj strukturi izraz (15-5) je sličan kinetičkoj jednadžbi (15-1) reakcije prvog reda. U njemu je konstanta brzine reakcije "£ zamijenjena koeficijentom Kkaz, koji ovisi i o reakcionim svojstvima goriva i o obrascima prijenosa i stoga se naziva prividna konstanta brzine izgaranja čvrstog ugljika.

Brzina hemijskih reakcija sagorevanja zavisi od prirode goriva i fizičkih uslova: koncentracije gasa koji reaguje na površini, temperature i pritiska. Temperaturna zavisnost brzine hemijske reakcije je najjača U oblasti niskih temperatura, brzina hemijske reakcije je niska, a potrošnja kiseonika je višestruko manja od brzine kojom se kiseonik može isporučiti difuzijom proces sagorevanja je ograničen brzinom same hemijske reakcije i ne zavisi od uslova snabdevanja kiseonikom, tj. brzine strujanja vazduha, veličine čestica itd. Stoga se ovo područje heterogenog sagorevanja naziva kinetičko.

U kinetičkom području sagorijevanja ad>-£, dakle u formuli (15-3) vrijednost 1/ad se može zanemariti u poređenju sa 1/& i tada dobijamo:

K°32 = kC0. (15-6)

Ravnoteža između količine kisika dostavljenog difuzijom i utrošenog za reakciju uspostavlja se pri malom gradijentu njegove koncentracije, zbog čega se vrijednost koncentracije kisika na reakcijskoj površini malo razlikuje od vrijednosti u toku. Na visokim temperaturama može doći do kinetičkog sagorevanja pri velikim brzinama strujanja vazduha i malim veličinama čestica goriva, odnosno uz takvo poboljšanje uslova za snabdevanje kiseonikom, kada se kiseonik može isporučiti u znatno većim količinama u odnosu na potrebe hemijske reakcije. .

Različiti regioni heterogenog sagorevanja su grafički prikazani na Sl. 15-1. Kinetičko područje I karakterizira krivulja 1, koja pokazuje da s povećanjem temperature brzina sagorijevanja naglo raste prema Arrheniusovom zakonu.

Na određenoj temperaturi, brzina kemijske reakcije postaje srazmjerna brzini isporuke kisika na reakcijsku površinu, a tada brzina izgaranja postaje ovisna ne samo o brzini kemijske reakcije, već i o brzini isporuke kisika. U ovoj regiji, koja se naziva intermedijerna (slika 15-1, regija II, kriva 1-2), brzine ove dvije faze su uporedive, nijedna od njih se ne može zanemariti i stoga je brzina procesa sagorijevanja određena formulom ( 15-3). Sa povećanjem temperature, brzina sagorevanja raste, ali u manjoj meri nego u kinetičkom području, a njen rast se postepeno usporava i konačno dostiže svoj maksimum pri prelasku u difuznu oblast (Sl. 15-1, oblast III, kriva 2- 3), ostaju nezavisne od temperature. Na višim temperaturama u ovoj regiji, brzina kemijske reakcije se toliko povećava da kisik koji se dovodi difuzijom trenutno ulazi u kemijsku reakciju, uslijed čega koncentracija kisika na površini postaje gotovo jednaka nuli. U formuli (15-3) možemo zanemariti vrijednost 1/& u odnosu na 1/ad, tada nalazimo da je brzina izgaranja određena brzinom difuzije kisika na reakcijsku površinu, tj.

I stoga se ovo područje sagorijevanja naziva difuzija. U području difuzije, brzina sagorijevanja je praktično nezavisna od svojstava goriva i temperature. Utjecaj temperature utiče samo na promjene fizičkih konstanti. U ovom regionu, na brzinu sagorevanja snažno utiču uslovi isporuke kiseonika, odnosno hidrodinamički faktori: relativna brzina strujanja gasa i veličina čestica goriva. Sa povećanjem brzine protoka gasa i smanjenjem veličine čestica, tj. sa ubrzanjem isporuke kiseonika, brzina difuzionog sagorevanja se povećava.

Tokom procesa sagorevanja uspostavlja se dinamička ravnoteža između hemijskog procesa potrošnje kiseonika i procesa difuzije njegovog dovođenja pri određenoj koncentraciji kiseonika na reakcijskoj površini. Koncentracija kisika na površini čestice ovisi o omjeru brzina ova dva procesa, ako prevladava brzina difuzije, ona će se približiti koncentraciji u toku, dok povećanje brzine kemijske reakcije uzrokuje njeno smanjenje;

Proces sagorijevanja koji se odvija u području difuzije može se kretati u međumediju (kriva 1"-2") ili čak u kinetičku regiju kada se difuzija povećava, na primjer, kada se brzina protoka povećava ili se veličina čestica smanjuje.

Dakle, sa povećanjem brzine strujanja gasa i prelaskom na male čestice, proces se pomera ka kinetičkom sagorevanju. Povećanje temperature pomera proces ka difuzijskom sagorevanju (slika 15-1, kriva 2"-3").

Pojava heterogenog sagorevanja u određenom području za svaki pojedinačni slučaj zavisi od ovih specifičnih uslova. Glavni zadatak proučavanja procesa heterogenog sagorevanja je utvrđivanje područja sagorevanja i identifikacija kvantitativnih obrazaca za svako područje.

Fizičke pojave navedene u prethodnom odeljku posmatraju se u širokom spektru procesa, koji se razlikuju kako po prirodi hemijskih reakcija tako i po stanju agregacije supstanci uključenih u sagorevanje.

Postoje homogeno, heterogeno i difuziono sagorevanje.

Homogeno sagorevanje se odnosi na sagorevanje prethodno pomešanih gasova. Brojni primjeri homogenog sagorijevanja su procesi sagorijevanja plinova ili para u kojima je oksidacijski agens atmosferski kisik: sagorijevanje mješavine vodonika, mješavine ugljičnog monoksida i ugljovodonika sa zrakom. U praktično važnim slučajevima) uslov potpunog prethodnog mešanja nije uvek ispunjen. Zbog toga su kombinacije homogenog sagorevanja sa drugim vrstama sagorevanja uvek moguće.

Homogeno sagorevanje se može realizovati na dva načina: laminarno i turbulentno. Turbulencija ubrzava proces izgaranja zbog fragmentacije fronta plamena na zasebne fragmente i, shodno tome, povećanja površine kontakta reagujućih supstanci tokom turbulencije velikih razmjera ili ubrzanja procesa prijenosa topline i mase u frontu plamena tijekom malih. turbulencija na skali. Turbulentno sagorevanje karakteriše samosličnost: turbulentni vrtlozi povećavaju brzinu sagorevanja, što dovodi do povećanja turbulencije.

Svi parametri homogenog sagorevanja javljaju se i u procesima u kojima oksidaciono sredstvo nije kiseonik, već drugi gasovi. Na primjer, fluor, klor ili brom.

Tokom požara, najčešći procesi su difuzno sagorevanje. U njima su sve supstance koje reaguju u gasnoj fazi, ali nisu prethodno pomešane. U slučaju sagorevanja tečnosti čvrstih materija, proces oksidacije goriva u gasnoj fazi odvija se istovremeno sa procesom isparavanja tečnosti (ili razgradnjom čvrstog materijala) i sa procesom mešanja.

Najjednostavniji primjer difuzijskog sagorijevanja je izgaranje prirodnog plina u plinski gorionik. Kod požara se ostvaruje režim turbulentnog difuzionog sagorevanja, kada je brzina gorenja određena brzinom turbulentnog mešanja.

Pravi se razlika između makromiješanja i mikromiješanja. Proces turbulentnog miješanja uključuje uzastopnu fragmentaciju plina na sve manje i manje količine i njihovo međusobno miješanje. U posljednjoj fazi, konačno molekularno miješanje se događa molekularnom difuzijom, čija se brzina povećava kako se razmjer fragmentacije smanjuje. Po završetku makromiješanja, brzina sagorijevanja je određena procesima mikromiješanja unutar malih količina goriva i zraka.

Heterogeno sagorevanje se dešava na interfejsu. U ovom slučaju, jedna od supstanci koja reaguje je u kondenzovanom stanju, druga (obično atmosferski kiseonik) ulazi zbog difuzije gasne faze. Preduslov za heterogeno sagorevanje je veoma visoka tačka ključanja (ili raspadanja) kondenzovane faze. Ako ovaj uslov nije ispunjen, sagorevanju prethodi isparavanje ili raspadanje. Protok pare ili gasovitih produkata raspadanja ulazi u zonu sagorevanja sa površine, a sagorevanje se dešava u gasnoj fazi. Takvo sagorijevanje se može klasificirati kao difuzijsko kvaziheterogeno, ali ne i potpuno heterogeno, budući da se proces sagorijevanja više ne odvija na granici faze. Razvoj takvog sagorijevanja odvija se zbog toka topline od plamena do površine materijala, čime se osigurava dalje isparavanje ili razlaganje i protok goriva u zonu sagorijevanja. U takvim situacijama nastaje mješoviti slučaj kada se reakcije sagorijevanja odvijaju djelomično heterogeno - na površini kondenzirane faze, a djelimično homogeno - u zapremini gasne mešavine.

Primjer heterogenog sagorijevanja je sagorijevanje uglja i drvenog uglja. Kada ove supstance sagore, javljaju se dve vrste reakcija. Neke vrste uglja oslobađaju hlapljive komponente kada se zagrijavaju. Sagorijevanju takvih ugljeva prethodi njihovo djelomično termičko raspadanje uz oslobađanje plinovitih ugljovodonika i vodonika, koji izgaraju u plinovitoj fazi. Osim toga, prilikom sagorijevanja čistog ugljika može nastati ugljični monoksid CO, koji u zapremini izgara. Uz dovoljan višak zraka i visoku temperaturu površine uglja, volumetrijske reakcije se javljaju toliko blizu površine da, u određenoj aproksimaciji, postoji razlog da se takav proces smatra heterogenim.

Primjer istinski heterogenog sagorijevanja je sagorijevanje vatrostalnih neisparljivih metala. Ovi procesi mogu biti komplikovani stvaranjem oksida koji prekrivaju goruću površinu i sprečavaju kontakt sa kiseonikom. Ako postoji velika razlika u fizičkim i hemijskim svojstvima između metala i njegovog oksida tokom procesa sagorevanja, dolazi do pucanja oksidnog filma i obezbeđen je pristup kiseoniku zoni sagorevanja.