explosión de oxígeno de combustión

La combustión homogénea incluye gases premezclados. Numerosos ejemplos de combustión homogénea son los procesos de combustión de gases o vapores en los que el comburente es el oxígeno atmosférico: la combustión de mezclas de hidrógeno, mezclas de monóxido de carbono e hidrocarburos con aire. En casos prácticamente importantes, no siempre se cumple la condición de mezcla preliminar completa. Por lo tanto, siempre son posibles combinaciones de combustión homogénea con otros tipos de combustión.

La combustión homogénea se puede implementar en dos modos: laminar y turbulento. La turbulencia acelera el proceso de combustión debido a la fragmentación del frente de llama en fragmentos separados y, en consecuencia, un aumento en el área de contacto de los reactivos con turbulencia a gran escala o aceleración de los procesos de transferencia de calor y masa en el frente de llama con pequeño turbulencia a escala. La combustión turbulenta se caracteriza por la autosimilitud: los vórtices turbulentos aumentan la velocidad de combustión, lo que conduce a un aumento de la turbulencia.

Todos los parámetros de la combustión homogénea también se manifiestan en procesos en los que el agente oxidante no es el oxígeno, sino otros gases. Por ejemplo, flúor, cloro o bromo.

La combustión heterogénea ocurre en la interfase. En este caso, una de las sustancias que reaccionan está en estado condensado, la otra (generalmente oxígeno atmosférico) ingresa debido a la difusión de la fase gaseosa. Un prerequisito combustión heterogénea es el punto de ebullición (o descomposición) muy alto de la fase condensada. Si no se cumple esta condición, la combustión es precedida por la evaporación o descomposición. Desde la superficie, una corriente de vapor o productos de descomposición gaseosos ingresa a la zona de combustión y la combustión ocurre en la fase gaseosa. Tal combustión puede atribuirse a una difusión casi heterogénea, pero no completamente heterogénea, ya que el proceso de combustión ya no ocurre en el límite de fase. El desarrollo de dicha combustión se lleva a cabo debido al flujo de calor de la llama a la superficie del material, lo que proporciona una mayor evaporación o descomposición y el flujo de combustible hacia la zona de combustión. En tales situaciones, surge un caso mixto cuando las reacciones de combustión se desarrollan parcialmente de manera heterogénea, en la superficie de la fase condensada, parcialmente homogénea, en el volumen de la mezcla de gases.

Un ejemplo de combustión heterogénea es la combustión de carbón y carbón vegetal. Durante la combustión de estas sustancias tienen lugar dos tipos de reacciones. Algunos grados de carbón emiten componentes volátiles cuando se calientan. La combustión de tales carbones está precedida por su descomposición térmica parcial con liberación de hidrocarburos gaseosos e hidrógeno, que se queman en fase gaseosa. Además, cuando se quema carbono puro, se puede formar monóxido de carbono CO, que se quema a granel. Con un exceso suficiente de aire y una alta temperatura de la superficie del carbón, las reacciones en masa se desarrollan tan cerca de la superficie que, en cierta aproximación, da pie a considerar tal proceso como heterogéneo.

Un ejemplo de combustión verdaderamente heterogénea es la combustión de metales no volátiles refractarios. Estos procesos pueden complicarse por la formación de óxidos que cubren la superficie de combustión e impiden el contacto con el oxígeno. Con una gran diferencia en propiedades físicas y químicas entre el metal y su óxido durante la combustión, la película de óxido se agrieta y se asegura el acceso de oxígeno a la zona de combustión.

Con base en los ejemplos considerados, dependiendo del estado de agregación de la mezcla de combustible y comburente, es decir, a partir del número de fases en la mezcla, distinguen:

1. Combustión homogénea gases y vapores de sustancias combustibles en el entorno de un oxidante gaseoso. Por lo tanto, la reacción de combustión procede en un sistema que consta de una fase (estado agregado).

2. Combustión heterogénea sustancias combustibles sólidas en un ambiente oxidante gaseoso. En este caso, la reacción procede en la interfase, mientras que la reacción homogénea procede por todo el volumen.

Esta es la combustión de metales, grafito, es decir. materiales prácticamente no volátiles. Muchas reacciones de gases son de naturaleza homogénea-heterogénea, cuando la posibilidad de que ocurra una reacción homogénea se debe al origen de una reacción simultáneamente heterogénea.

La combustión de todas las sustancias líquidas y de muchas sustancias sólidas, de las que se desprenden vapores o gases (sustancias volátiles), se produce en fase gaseosa. Las fases sólida y líquida desempeñan el papel de depósitos para los productos que reaccionan.

Por ejemplo, una reacción heterogénea de combustión espontánea de carbón pasa a una fase homogénea de combustión de sustancias volátiles. Los residuos de coque se queman heterogéneamente.

4.3. Difusión y combustión cinética.

Según el grado de preparación de la mezcla combustible, se distinguen la difusión y la combustión cinética.

Los tipos de combustión considerados (a excepción de los explosivos) son la combustión difusiva. llama, es decir la zona de combustión de una mezcla de combustible con aire, para garantizar la estabilidad, debe estar constantemente alimentada con combustible y oxígeno en el aire. El flujo de gas combustible depende solo de la tasa de su suministro a la zona de combustión. La velocidad de entrada de un líquido combustible depende de la intensidad de su evaporación, es decir de la presión de vapor sobre la superficie del líquido y, en consecuencia, de la temperatura del líquido. Temperatura de ignición llamada la temperatura más baja del líquido a la que la llama sobre su superficie no se apaga.

La combustión de sólidos se diferencia de la combustión de gases por la presencia de una etapa de descomposición y gasificación, seguida de la ignición de los productos volátiles de la pirólisis.

pirólisis- este es el calentamiento de sustancias orgánicas a altas temperaturas sin acceso de aire. En este caso, se produce la descomposición o división de compuestos complejos en otros más simples (coquización del carbón, craqueo del petróleo, destilación seca de la madera). Por lo tanto, la combustión de una sustancia combustible sólida en el producto de combustión no se concentra solo en la zona de la llama, sino que tiene un carácter de etapas múltiples.

El calentamiento de la fase sólida provoca la descomposición y el desprendimiento de gases que se inflaman y queman. El calor de la antorcha calienta la fase sólida, provocando su gasificación y el proceso se repite, favoreciendo así la combustión.

El modelo de combustión sólida asume la presencia de las siguientes fases (Fig. 17):

Arroz. 17. Modelo de combustión

sólido.

calentamiento de la fase sólida. Para las sustancias que se funden, la fusión se produce en esta zona. El espesor de la zona depende de la temperatura de conductividad de la sustancia;

la pirólisis, o zona de reacción en fase sólida, en la que se forman sustancias combustibles gaseosas;

prellama en fase gaseosa, en la que se forma una mezcla con un agente oxidante;

una llama, o una zona de reacción en fase gaseosa, en la que se produce la conversión de productos de pirólisis en productos de combustión gaseosos;

productos de combustion.

La tasa de suministro de oxígeno a la zona de combustión depende de su difusión a través del producto de combustión.

En general, dado que la velocidad de una reacción química en la zona de combustión en los tipos de combustión considerados depende de la velocidad de llegada de los componentes reaccionantes y la superficie de la llama por difusión molecular o cinética, este tipo de combustión se denomina difusión.

Estructura de llama combustión por difusión consta de tres zonas (Fig. 18):

La zona 1 contiene gases o vapores. No hay combustión en esta zona. La temperatura no supera los 500 0 C. Se produce descomposición, pirólisis de volátiles y calentamiento hasta la temperatura de autoignición.

Arroz. 18. La estructura de la llama.

En la zona 2 se forma una mezcla de vapores (gases) con el oxígeno atmosférico y se produce una combustión incompleta a CO con reducción parcial a carbono (poco oxígeno):

C norte H metro + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;

En la 3ª zona exterior, los productos de la segunda zona se queman completamente y se observa la temperatura máxima de llama:

2CO+O 2 \u003d 2CO 2;

La altura de la llama es proporcional al coeficiente de difusión y al caudal de los gases y es inversamente proporcional a la densidad del gas.

Todos los tipos de combustión por difusión son inherentes a los incendios.

Cinético combustión es la combustión de gas, vapor o polvo combustible premezclado con un agente oxidante. En este caso, la velocidad de combustión depende únicamente de las propiedades fisicoquímicas de la mezcla combustible (conductividad térmica, capacidad calorífica, turbulencia, concentración de sustancias, presión, etc.). Por lo tanto, la velocidad de combustión aumenta bruscamente. Este tipo de combustión es inherente a las explosiones.

A En este caso, cuando la mezcla combustible se enciende en algún punto, el frente de la llama se mueve desde los productos de combustión hacia la mezcla fresca. Por lo tanto, la llama durante la combustión cinética suele ser inestable (Fig. 19).

Arroz. 19. Esquema de propagación de llama en una mezcla combustible: - fuente de ignición; - dirección de movimiento del frente de llama.

Sin embargo, si el gas combustible se mezcla con aire y se introduce en el quemador, se forma una llama estacionaria durante el encendido, siempre que la tasa de suministro de la mezcla sea igual a la velocidad de propagación de la llama.

Si se aumenta la tasa de suministro de gas, la llama se desprende del quemador y puede apagarse. Y si se reduce la velocidad, la llama será atraída hacia el interior del quemador con una posible explosión.

Según el grado de combustión, es decir. la integridad de la reacción de combustión a los productos finales, la combustión ocurre completo e incompleto.

Entonces en la zona 2 (Fig. 18) la combustión es incompleta, porque se suministra oxígeno insuficiente, que se consume parcialmente en la zona 3, y se forman productos intermedios. Estos últimos se queman en la zona 3, donde hay más oxígeno, hasta la combustión completa. La presencia de hollín en el humo indica una combustión incompleta.

Otro ejemplo: cuando hay falta de oxígeno, el carbón se quema a monóxido de carbono:

Si agrega O, entonces la reacción llega al final:

2CO + O 2 \u003d 2CO 2.

La velocidad de combustión depende de la naturaleza del movimiento de los gases. Por lo tanto, se distinguen la combustión laminar y la turbulenta.

Entonces, un ejemplo de combustión laminar es la llama de una vela en aire quieto. A combustión laminar capas de gases fluyen en paralelo, pero sin remolinos.

combustión turbulenta- movimiento de vórtice de gases, en el que los gases en combustión se mezclan intensamente y el frente de la llama se lava. El límite entre estos tipos es el criterio de Reynolds, que caracteriza la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de fricción en el flujo:

, (4.1)

dónde:  - caudal de gas;

 - viscosidad cinética;

yo- tamaño lineal característico.

El número de Reynolds en el que se produce la transición de una capa límite laminar a una turbulenta se denomina Re cr crítico, Re cr ~ 2320.

La turbulencia aumenta la tasa de combustión debido a una transferencia de calor más intensa de los productos de combustión a la mezcla fresca.

ambiente combustible

Oxidantes

Los agentes oxidantes son sustancias cuyos átomos aceptan electrones en transformaciones químicas. Entre sustancias simples estos incluyen todos los halógenos y oxígeno.

El agente oxidante más común en la naturaleza es el oxígeno atmosférico.

En los incendios reales, la combustión tiene lugar principalmente en el aire, pero muchos procesos tecnológicos utilizan aire enriquecido con oxígeno, e incluso oxígeno puro (por ejemplo, producción metalúrgica, soldadura con gas, corte, etc.). Se puede encontrar una atmósfera enriquecida con oxígeno en naves submarinas y espaciales, procesos de alto horno, etc. Dichos sistemas combustibles tienen un mayor riesgo de incendio. Esto debe tenerse en cuenta a la hora de desarrollar los sistemas de extinción de incendios, las medidas contraincendios y preventivas, y en la pericia técnica y contraincendios.

Además del oxígeno atmosférico y los halógenos, las sustancias complejas también pueden actuar como agentes oxidantes en las reacciones de combustión, por ejemplo, sales de ácidos que contienen oxígeno: nitratos, cloratos, etc., utilizados en la producción de pólvora, explosivos militares e industriales y diversos composiciones pirotécnicas.

Una mezcla de combustible y comburente en el mismo estado de agregación. ciertas proporciones y capaces de quemar (y la combustión sólo es posible en ciertas proporciones), se denomina medio combustible.

Hay dos tipos de medios combustibles: homogéneo y heterogéneo.

Medio combustible homogéneo se denomina mezcla premezclada de combustible con un comburente y, en consecuencia medio combustible no homogéneo – cuando el combustible y el oxidante no están mezclados.

La influencia de un gran número de factores en el proceso de combustión determina la diversidad de tipos y modos de combustión. Entonces, dependiendo del estado de agregación de los componentes de la mezcla combustible, la combustión puede ser homogénea y heterogénea, según las condiciones de mezcla de los componentes - combustión de una mezcla preparada previamente (cinética) y difusión, según las condiciones dinámicas del gas - laminar y turbulento, etc.

Los principales tipos de combustión son homogéneos y heterogéneos.

combustión homogénea - es el proceso de interacción entre el combustible y
agente oxidante en el mismo estado de agregación. La mayoría
la combustión homogénea de gases y vapores en el aire está muy extendida.

combustión heterogénea- esta es la combustión de materia sólida combustible
als directamente en su superficie. característica distintiva
combustión heterogénea es la ausencia de llama. ejemplos de ello
están quemando antracita, coque, carbón vegetal, metales no volátiles.
La combustión sin llama a veces se llama decadencia.

Como puede verse en las definiciones, la diferencia fundamental entre combustión homogénea y combustión heterogénea es que en el primer caso el combustible y el comburente están en el mismo estado de agregación, en el segundo están en diferentes estados.

Al mismo tiempo, cabe señalar que la combustión de sustancias y materiales sólidos está lejos de ser siempre heterogénea. Esto se debe al mecanismo de combustión de los sólidos.

Por ejemplo, quemar madera en el aire. Para encenderlo, necesitas llevar algún tipo de fuente de calor, como la llama de un fósforo o un encendedor, y esperar un rato. Surge la pregunta: ¿por qué no se enciende de inmediato? Esto se explica porque en el período inicial, la fuente de ignición debe calentar la madera a una determinada temperatura, a partir de la cual se inicia el proceso de pirólisis, es decir, la descomposición térmica. Al mismo tiempo, como resultado de la descomposición de la celulosa y otros componentes, comienzan a liberarse los productos de su descomposición, gases combustibles, hidrocarburos. Obviamente, cuanto mayor sea el calentamiento, mayor será la tasa de descomposición y, en consecuencia, la tasa de liberación de gases combustibles. Y eso es solo cuando la tasa de liberación de GH será suficiente para crear una cierta concentración en el aire, es decir, atmósfera inflamable, puede producirse una combustión. Que hace quemando no madera, sino sus productos de descomposición - gases combustibles. Por eso la combustión de la madera, en la mayoría de los casos, es una combustión homogénea, y no heterogénea.

Se podría argumentar que la madera finalmente comienza a arder sin llama, y ​​arder sin llama, como se mencionó anteriormente, es una combustión heterogénea. Y ahí está. El hecho es que los productos finales de la descomposición de la madera son principalmente gases combustibles y residuos de carbón, el llamado coque. Todos habéis visto e incluso comprado este residuo tan carbonoso para cocinar barbacoa. Estos carbones tienen aproximadamente un 98 % de carbono puro y no pueden emitir HG. Los carbones ya se queman en el modo de combustión heterogénea, es decir, arden sin llama.

Por lo tanto, la madera se quema primero en un modo de combustión homogéneo, luego, a una temperatura de aproximadamente 800 ° C, la combustión de la llama se convierte en latente, es decir, se vuelve heterogéneo. Lo mismo es cierto para otros sólidos.

¿Cómo se queman los líquidos en el aire? El mecanismo de combustión de los líquidos es que primero se evapora, y son los vapores los que forman una mezcla combustible con el aire. Es decir, en este caso también se produce una combustión homogénea. no es la fase liquida la que se quema, sino el vapor del liquido

El mecanismo de combustión del metal es el mismo que el de los líquidos, excepto que el metal primero debe fundirse y luego calentarse a una temperatura alta para que la tasa de evaporación sea suficiente para formar un medio combustible. Algunos metales se queman en su superficie.

En la combustión homogénea se distinguen dos modos: combustión cinética y difusión.

combustión cinética- se trata de la combustión de una mezcla combustible premezclada, es decir mezcla homogénea. La velocidad de combustión está determinada únicamente por la cinética de la reacción redox.

Combustión por difusión- es la combustión de una mezcla no homogénea, cuando el combustible y el comburente no están previamente mezclados, es decir heterogéneo. En este caso, la mezcla de combustible y comburente ocurre en el frente de la llama debido a la difusión. Para la combustión no organizada, es precisamente el modo de difusión de la combustión lo que es característico; la mayoría de los materiales combustibles en un incendio pueden arder solo en este modo. Las mezclas homogéneas, por supuesto, también pueden formarse durante un incendio real, pero su formación precede a un incendio o proporciona una etapa inicial de desarrollo.

La diferencia fundamental entre estos tipos de combustión es que en una mezcla homogénea las moléculas de combustible y oxidante ya están muy próximas y listas para entrar en interacción química, mientras que en la combustión por difusión estas moléculas primero deben acercarse entre sí debido a la difusión, y solo después de eso entrar en interacción.

Esto provoca la diferencia en la velocidad del proceso de combustión.

Tiempo de combustión total t g, consiste en la duración del ejercicio físico
esquí y procesos químicos:

tg = t f + t x.

Régimen de combustión cinética caracterizado por la duración de solo procesos químicos, es decir, t g » t x, porque en este caso procesos físicos no se requiere preparación (mezcla), es decir, t f » 0 .

modo de difusión de la combustión, Por el contrario, depende principalmente de
la velocidad de preparación de una mezcla combustible homogénea (hablando en términos generales, el enfoque de las moléculas), En este caso, t f >> t x, y por lo tanto este último puede despreciarse, es decir su duración está determinada principalmente por la velocidad de los procesos físicos.

Si t f » t x, es decir, son proporcionales, entonces la combustión procede de tal manera
llamada región intermedia.

Por ejemplo, imagine dos quemadores de gas (Fig. 1.1): en uno de ellos hay orificios en la boquilla para el acceso de aire (a), en el otro no (b). En el primer caso, el aire será aspirado por inyección en la tobera, donde se mezclará con el gas combustible, formándose así una mezcla combustible homogénea que arderá a la salida de la tobera en modo cinético . En el segundo caso (b), el aire se mezcla con gas combustible durante la combustión debido a la difusión, en este caso - combustión por difusión .

Arroz. 1.1Un ejemplo de combustión cinética (a) y difusión (b)

Otro ejemplo: se produce una fuga de gas en una habitación. El gas se mezcla gradualmente con el aire, formando una mezcla combustible homogénea. Y si después de esto aparece una fuente de ignición, se produce una explosión. Esta es la combustión en el régimen cinético.

Del mismo modo, al quemar líquidos, como la gasolina. Si se vierte en un recipiente abierto y se prende fuego, se producirá una combustión por difusión. Si coloca este recipiente en una habitación cerrada y espera un rato, la gasolina se evaporará parcialmente, se mezclará con el aire y formará una mezcla combustible homogénea. Cuando se introduce una fuente de ignición, como saben, se producirá una explosión, esto es una combustión cinética.

¿Cuál es el modo de combustión en los incendios reales? Eso sí, principalmente en difusión. En algunos casos, un incendio también puede comenzar con una combustión cinética, como en los ejemplos dados, sin embargo, después de quemar una mezcla homogénea, lo que ocurre muy rápidamente, la combustión continuará en el modo de difusión.

Durante la combustión por difusión, en caso de falta de oxígeno en el aire, por ejemplo, durante incendios en espacios cerrados, es posible la combustión incompleta del combustible con la formación de productos de combustión incompleta como CO - monóxido de carbono. Todos los productos de la combustión incompleta son muy tóxicos y presentan un gran riesgo de incendio. En la mayoría de los casos, son ellos los responsables de la muerte de las personas.

Entonces, los principales tipos de combustión son homogéneos y heterogéneos. La diferencia visual entre estos modos es la presencia de una llama.

La combustión homogénea puede proceder de dos modos: difusión y cinética. Visualmente, su diferencia radica en la velocidad de combustión.

Cabe señalar que se distingue otro tipo de combustión: la combustión de explosivos. Los explosivos incluyen combustible y un agente oxidante en fase sólida. Dado que tanto el combustible como el comburente se encuentran en el mismo estado de agregación, dicha combustión es homogénea.

En los incendios reales se produce principalmente una combustión con llamas. La llama, como es sabido, se aísla como uno de los factores peligrosos de un incendio. ¿Qué es una llama y qué procesos tienen lugar en ella?

Cuando se quema combustible sólido, la reacción química misma está precedida por el proceso de suministrar un oxidante a la superficie de reacción. En consecuencia, el proceso de combustión del combustible sólido es un proceso físico y químico complejo y heterogéneo que consta de dos etapas: el suministro de oxígeno a la superficie del combustible por difusión turbulenta y molecular y una reacción química sobre el mismo.

Consideremos la teoría general de la combustión heterogénea utilizando como ejemplo la combustión de una partícula esférica de carbono, asumiendo las siguientes condiciones. La concentración de oxígeno en toda la superficie de la partícula es la misma; la velocidad de reacción del oxígeno con el carbono es proporcional a la concentración de oxígeno cerca de la superficie, es decir, tiene lugar una reacción de primer orden, que es más probable para procesos heterogéneos; la reacción procede en la superficie de la partícula con la formación de productos finales de combustión, y no hay reacciones secundarias en el volumen, así como en la superficie de la partícula.

En un entorno tan simplificado, la tasa de combustión de carbono se puede representar en función de la tasa de sus dos etapas principales, a saber, de la tasa de suministro de oxígeno a la superficie interfacial y de la tasa de la reacción química que se produce en la superficie. de la partícula Como resultado de la interacción de estos procesos, se produce un estado de equilibrio dinámico entre la cantidad de oxígeno suministrado por difusión y consumido por la reacción química del oxígeno a un determinado valor de su concentración en la superficie del carbono.

Velocidad de reacción química /(°2 g de oxígeno/(cm2-s) determinada por

Como la cantidad de oxígeno consumido por unidad de superficie de reacción por unidad de tiempo, se puede expresar de la siguiente forma:

En la ecuación:

K es la constante de velocidad de una reacción química;

Cv es la concentración de oxígeno en la superficie de la partícula.

C. por otro lado, la velocidad de combustión es igual al flujo específico ki

Oxígeno a la superficie de reacción, entregado por difusión:

K °" \u003d anuncio (C, - C5). (15-2)

En la ecuación:

Ad - coeficiente de intercambio de difusión;

Co es la concentración de oxígeno en el flujo en el que se quema la partícula de carbono.

Sustituyendo el valor de Cv encontrado en la ecuación (15-1) en la ecuación (15-2), obtenemos la siguiente expresión para la tasa de combustión heterogénea en términos de la cantidad de oxígeno consumido por unidad de superficie de partícula por unidad de tiempo :

". C°, ■' (15-3)

denotar a través de

Kkazh - - C -, (15-4)

La expresión (15-3) se puede representar como

/<°’ = /СкажС„. (15-5)

En su estructura, la expresión (15-5) es similar a la ecuación cinética (15-1) de una reacción de primer orden. En él, la constante de velocidad de reacción "£" se reemplaza por el coeficiente Kkazh, que depende tanto de las propiedades de reacción del combustible como de las leyes de transferencia y, por lo tanto, se denomina constante de velocidad aparente de quema de carbono sólido.

La velocidad de las reacciones químicas de la combustión depende de la naturaleza del combustible y de las condiciones físicas: la concentración del gas que reacciona en la superficie, la temperatura y la presión. La dependencia de la temperatura de la velocidad de la reacción química es máxima. A bajas temperaturas, la velocidad de la reacción química es baja y, en términos de consumo de oxígeno, muchas veces menor que la velocidad a la que el oxígeno puede ser entregado por difusión. El proceso de combustión es limitado. por la velocidad de la reacción química en sí y no depende de las condiciones de suministro de oxígeno, es decir, la velocidad del flujo de aire, el tamaño de las partículas, etc. Por lo tanto, esta región de combustión heterogénea se denomina cinética.

En la región cinética de la combustión, ad>-£, por lo tanto, en la fórmula (15-3), el valor de 1 / ad puede despreciarse en comparación con 1 / & y entonces obtenemos:

K°32 = kC0. (15-6)

El equilibrio entre la cantidad de oxígeno entregado por difusión y consumido por la reacción del oxígeno se establece en un pequeño gradiente de su concentración, por lo que el valor de la concentración de oxígeno en la superficie de reacción difiere poco de su valor en el flujo. A altas temperaturas, la combustión cinética puede ocurrir a altas tasas de flujo de aire y pequeños tamaños de partículas del combustible, es decir, con tal mejora en las condiciones para el suministro de oxígeno, cuando este último puede ser entregado en una cantidad mucho mayor "en comparación con la necesidad para una reacción química.

Varias áreas de combustión heterogénea se muestran gráficamente en la Fig. 15-1. La región cinética I se caracteriza por la curva 1, que muestra que al aumentar la temperatura, la velocidad de combustión aumenta bruscamente según la ley de Arrhenius.

A cierta temperatura, la velocidad de una reacción química se vuelve proporcional a la velocidad de suministro de oxígeno a la superficie de reacción, y luego la velocidad de combustión se vuelve dependiente no solo de la velocidad de la reacción química, sino también de la velocidad de suministro de oxígeno. En esta región, denominada región intermedia (Fig. 15-1, región II, curva 1-2), las velocidades de estas dos etapas son comparables, ninguna de ellas puede despreciarse y, por lo tanto, se determina la velocidad del proceso de combustión. por la fórmula (15-3). Con un aumento de la temperatura, la velocidad de combustión aumenta, pero en menor medida que en la región cinética, y su crecimiento se ralentiza gradualmente y, finalmente, alcanza su máximo en la transición a la región difusa (Fig. 15-1, región III , curva 2-3), permaneciendo independiente de la temperatura. A temperaturas más altas en esta región, la velocidad de la reacción química aumenta tanto que el oxígeno suministrado por difusión entra instantáneamente en una reacción química, como resultado de lo cual la concentración de oxígeno en la superficie se vuelve casi cero. En la fórmula (15-3), podemos despreciar el valor de 1/& en comparación con 1/ad, luego obtenemos que la tasa de combustión está determinada por la tasa de difusión de oxígeno a la superficie de reacción, es decir

Y por lo tanto, esta región de combustión se llama difusión. En la región de difusión, la velocidad de combustión es prácticamente independiente de las propiedades y la temperatura del combustible. La influencia de la temperatura afecta solo el cambio en las constantes físicas. En esta región, la tasa de combustión se ve fuertemente afectada por las condiciones de suministro de oxígeno, es decir, los factores hidrodinámicos: la velocidad relativa del flujo de gas y el tamaño de las partículas del combustible. Con un aumento en el caudal de gas y una disminución en el tamaño de partícula, es decir, con una aceleración en el suministro de oxígeno, aumenta la velocidad de combustión por difusión.

Durante la combustión, se establece un equilibrio dinámico entre el proceso químico de consumo de oxígeno y el proceso de difusión de su entrega a un cierto valor de concentración de oxígeno en la superficie de reacción. La concentración de oxígeno en la superficie de la partícula depende de la relación de las velocidades de estos dos procesos; si prevalece la velocidad de difusión, se aproximará a la concentración en el flujo, mientras que un aumento en la velocidad de reacción química hará que disminuya.

El proceso de combustión que se desarrolla en la región de difusión puede pasar a la región intermedia (curva 1"-2") o incluso a la región cinética con mayor difusión, por ejemplo, con un aumento del caudal o una disminución del tamaño de partícula.

Así, con un aumento en el caudal de gas y con la transición a partículas pequeñas, el proceso se desplaza hacia la combustión cinética. Un aumento de la temperatura desplaza el proceso hacia la combustión por difusión (Fig. 15-1, curva 2"-3").

El curso de la combustión heterogénea en una región u otra para cualquier caso particular depende de estas condiciones específicas. La tarea principal de estudiar el proceso de combustión heterogénea es establecer las áreas de combustión e identificar patrones cuantitativos para cada área.

Los fenómenos físicos enumerados en el apartado anterior se observan en una amplia variedad de procesos que difieren tanto en la naturaleza de las reacciones químicas como en el estado de agregación de las sustancias que intervienen en la combustión.

Hay combustión homogénea, heterogénea y por difusión.

La combustión homogénea incluye gases premezclados. Numerosos ejemplos de combustión homogénea son los procesos de combustión de gases o vapores en los que el comburente es el oxígeno atmosférico: la combustión de mezclas de hidrógeno, mezclas de monóxido de carbono e hidrocarburos con aire. En casos prácticamente importantes, no siempre se cumple la condición de mezcla preliminar completa. Por lo tanto, siempre son posibles combinaciones de combustión homogénea con otros tipos de combustión.

La combustión homogénea se puede realizar en dos regímenes: laminar y turbulento. La turbulencia acelera el proceso de combustión debido a la fragmentación del frente de llama en fragmentos separados y, en consecuencia, un aumento en el área de contacto de los reactivos en el caso de turbulencia a gran escala o la aceleración de los procesos de transferencia de calor y masa en la llama. frente en el caso de turbulencias de pequeña escala. La combustión turbulenta se caracteriza por la autosimilitud: los vórtices turbulentos aumentan la velocidad de combustión, lo que conduce a un aumento de la turbulencia.

Todos los parámetros de la combustión homogénea también se manifiestan en el proceso en el que el agente oxidante no es el oxígeno, sino otros gases. Por ejemplo, flúor, cloro o bromo.

Durante los incendios, los procesos de combustión por difusión son los más comunes. En ellos, todos los reactivos están en fase gaseosa, pero no se mezclan previamente. En el caso de combustión de líquidos sólidos, el proceso de oxidación del combustible en fase gaseosa ocurre simultáneamente con el proceso de evaporación del líquido (o descomposición del material sólido) y con el proceso de mezcla.

El ejemplo más simple de combustión por difusión es la combustión de gas natural en quemador de gas. En los incendios, se realiza el modo de combustión por difusión turbulenta, cuando la tasa de combustión está determinada por la tasa de mezcla turbulenta.

Se hace una distinción entre macromezclado y micromezclado. El proceso de mezcla turbulenta incluye trituración sucesiva de gas: en volúmenes cada vez más pequeños y mezclándolos juntos. En la última etapa, la mezcla molecular final se produce por difusión molecular, cuya velocidad aumenta a medida que disminuye la escala de fragmentación. Una vez completada la macromezcla, la tasa de combustión se determina mediante los procesos de micromezcla en pequeños volúmenes de combustible y aire.

La combustión heterogénea ocurre en la interfase. En este caso, una de las sustancias que reaccionan está en estado condensado, la otra (generalmente oxígeno atmosférico) ingresa debido a la difusión de la fase gaseosa. Un requisito previo para la combustión heterogénea es un punto de ebullición (o descomposición) muy alto de la fase condensada. Si no se cumple esta condición, la combustión es precedida por la evaporación o descomposición. Desde la superficie, una corriente de vapor o productos de descomposición gaseosos ingresa a la zona de combustión y la combustión ocurre en la fase gaseosa. Tal combustión puede atribuirse a una difusión casi heterogénea, pero no completamente heterogénea, ya que el proceso de combustión ya no ocurre en el límite de fase. El desarrollo de dicha combustión se lleva a cabo debido al flujo de calor de la llama a la superficie del material, lo que proporciona una mayor evaporación o descomposición y el flujo de combustible hacia la zona de combustión. En tales situaciones, surge un caso mixto cuando las reacciones de combustión se desarrollan parcialmente de manera heterogénea, en la superficie de la fase condensada, parcialmente homogénea, en el volumen de la mezcla de gases.

Un ejemplo de combustión heterogénea es la combustión de carbón y carbón vegetal. Durante la combustión de estas sustancias tienen lugar dos tipos de reacciones. Algunos grados de carbón emiten componentes volátiles cuando se calientan. La combustión de tales carbones está precedida por su descomposición térmica parcial con liberación de hidrocarburos gaseosos e hidrógeno, que se queman en fase gaseosa. Además, cuando se quema carbono puro, se puede formar monóxido de carbono CO, que se quema a granel. Con un exceso suficiente de aire y una alta temperatura de la superficie del carbón, las reacciones en masa se desarrollan tan cerca de la superficie que, en cierta aproximación, da pie a considerar tal proceso como heterogéneo.

Un ejemplo de combustión verdaderamente heterogénea es la combustión de metales no volátiles refractarios. Estos procesos pueden complicarse por la formación de óxidos que cubren la superficie de combustión e impiden el contacto con el oxígeno. Con una gran diferencia en las propiedades fisicoquímicas entre el metal y su óxido, la película de óxido se agrieta durante la combustión y se asegura el acceso de oxígeno a la zona de combustión.