այրման թթվածնի պայթյուն

Նախապես խառնված գազերի այրումը պատկանում է միատարր այրմանը։ Բազմաթիվ օրինակներ միատարր այրումգազերի կամ գոլորշիների այրման գործընթացներն են, որոնցում օքսիդացնող նյութը օդի թթվածինն է՝ ջրածնի, ածխածնի օքսիդի և ածխաջրածինների խառնուրդների այրումը օդի հետ։ Գործնականորեն կարևոր դեպքերում լիարժեք նախնական խառնման պայմանը միշտ չէ, որ բավարարվում է։ Հետեւաբար, միատարր այրման համակցությունները այրման այլ տեսակների հետ միշտ հնարավոր են:

Միատարր այրումը կարող է իրականացվել երկու եղանակով՝ շերտավոր և տուրբուլենտ: Պղտորումը արագացնում է այրման գործընթացը բոցի ճակատի առանձին բեկորների տրոհման և, համապատասխանաբար, ռեակտիվների շփման տարածքի մեծացման պատճառով լայնածավալ տուրբուլենտության կամ բոցի ճակատում ջերմության և զանգվածի փոխանցման գործընթացների արագացման պատճառով փոքր մասշտաբային տուրբուլենտություն. Ինքնանմանությունը բնորոշ է տուրբուլենտ այրմանը. տուրբուլենտ հորձանուտները մեծացնում են այրման արագությունը, ինչը հանգեցնում է տուրբուլենտության ավելացման:

Միատարր այրման բոլոր պարամետրերը դրսևորվում են նաև այն գործընթացներում, որոնցում օքսիդացնող նյութը թթվածինը չէ, այլ գազերը։ Օրինակ՝ ֆտոր, քլոր կամ բրոմ։

Միջերեսում տեղի է ունենում տարասեռ այրում: Այս դեպքում ռեակտիվներից մեկը գտնվում է խտացված վիճակում, մյուսը (սովորաբար մթնոլորտային թթվածինը) մատակարարվում է գազային ֆազի դիֆուզիայի միջոցով։ Տարասեռ այրման նախապայման է խտացված փուլի շատ բարձր եռման կետը (կամ տարրալուծումը): Եթե ​​այս պայմանը չի պահպանվում, ապա այրմանը նախորդում է գոլորշիացում կամ տարրալուծում: Գոլորշու կամ գազային տարրալուծման արտադրանքի հոսքը այրման գոտի է մտնում մակերեսից, և այրումը տեղի է ունենում գազային փուլում: Նման այրումը կարող է վերագրվել դիֆուզիոն քվազի-տարասեռ, բայց ոչ ամբողջությամբ տարասեռ, քանի որ այրման գործընթացն այլևս տեղի չի ունենում փուլային սահմաններում: Նման այրման զարգացումն իրականացվում է բոցից նյութի մակերես ջերմային հոսքի շնորհիվ, որն ապահովում է հետագա գոլորշիացում կամ քայքայումը և վառելիքի հոսքը այրման գոտի: Նման իրավիճակներում առաջանում է խառը դեպք, երբ այրման ռեակցիաները մասամբ տարասեռ են՝ խտացրած փուլի մակերեսին, մասամբ միատարր՝ գազային խառնուրդի ծավալով։

Տարասեռ այրման օրինակ է ածուխի և փայտածուխի այրումը: Երբ այս նյութերը այրվում են, տեղի են ունենում երկու տեսակի ռեակցիաներ. Ածուխի որոշ տեսակներ տաքացնելիս արտանետում են ցնդող բաղադրիչներ: Նման ածուխների այրմանը նախորդում է դրանց մասնակի ջերմային տարրալուծումը գազային ածխաջրածինների և ջրածնի արտազատմամբ, որոնք այրվում են գազային փուլում։ Բացի այդ, երբ մաքուր ածխածինը այրվում է, կարող է առաջանալ ածխածնի մոնօքսիդ CO, որն այրվում է ծավալով։ Օդի բավարար ավելցուկով և ածխի մակերևույթի բարձր ջերմաստիճանի դեպքում զանգվածային ռեակցիաներն ընթանում են մակերեսին այնքան մոտ, որ որոշակի մոտավորությամբ հիմք է տալիս նման գործընթացը համարել տարասեռ:

Իսկապես տարասեռ այրման օրինակ է հրակայուն ոչ ցնդող մետաղների այրումը: Այս գործընթացները կարող են բարդանալ օքսիդների ձևավորմամբ, որոնք ծածկում են այրվող մակերեսը և կանխում թթվածնի հետ շփումը: Մեծ տարբերությամբ ֆիզիկական և քիմիական հատկություններՄետաղի և դրա օքսիդի միջև այրման ժամանակ օքսիդի թաղանթը ճեղքվում է, և ապահովվում է թթվածնի հասանելիությունը այրման գոտի:

Ելնելով դիտարկված օրինակներից՝ կախված վառելիքի և օքսիդիչի խառնուրդի ագրեգատային վիճակից, այսինքն. Խառնուրդի փուլերի քանակից դրանք տարբերվում են.

1. Միատարր այրումգազեր և այրվող նյութերի գոլորշիներ գազային օքսիդիչի միջավայրում: Այսպիսով, այրման ռեակցիան տեղի է ունենում մեկ փուլից (ագրեգացման վիճակ) բաղկացած համակարգում։

2. Տարասեռ այրումպինդ այրվող նյութեր գազային օքսիդիչի միջավայրում։ Այս դեպքում ռեակցիան ընթանում է միջերեսով, մինչդեռ միատարր ռեակցիան ընթանում է ամբողջ ծավալով։

Սա մետաղների, գրաֆիտի այրումն է, այսինքն. գործնականում չցնդող նյութեր. Շատ գազային ռեակցիաներ ունեն միատարր-տարասեռ բնույթ, երբ միատարր ռեակցիայի առաջացման հնարավորությունը պայմանավորված է միաժամանակ տարասեռ ռեակցիայի առաջացմամբ։

Բոլոր հեղուկների և բազմաթիվ պինդ մարմինների այրումը, որոնցից արտանետվում են գոլորշիներ կամ գազեր (ցնդող նյութեր), տեղի է ունենում գազային փուլում։ Պինդ և հեղուկ փուլերը խաղում են արձագանքող արտադրանքի ջրամբարների դերը։

Օրինակ, ածուխի ինքնաբուխ այրման տարասեռ ռեակցիան անցնում է ցնդող նյութերի այրման միատարր փուլ: Կոքսի մնացորդը տարասեռ այրվում է:

4.3. Դիֆուզիոն և կինետիկ այրումը:

Ըստ այրվող խառնուրդի պատրաստման աստիճանի՝ առանձնանում են դիֆուզիոն և կինետիկ այրումը։

Այրման դիտարկվող տեսակները (բացառությամբ պայթուցիկ նյութերի) վերաբերում են դիֆուզիոն այրմանը: Բոց, այսինքն. Օդի հետ վառելիքի խառնուրդի այրման գոտին կայունություն ապահովելու համար պետք է մշտապես սնվի օդում առկա վառելիքով և թթվածնով: Այրվող գազի հոսքը կախված է միայն այրման գոտի դրա մատակարարման արագությունից: Այրվող հեղուկի ներհոսքի արագությունը կախված է դրա գոլորշիացման ինտենսիվությունից, այսինքն. հեղուկի մակերևույթից բարձր գոլորշու ճնշման և, հետևաբար, հեղուկի ջերմաստիճանի վրա: Բոցավառման ջերմաստիճանըկոչվում է հեղուկի ամենացածր ջերմաստիճանը, որի դեպքում նրա մակերևույթից բարձր բոցը չի մարում:

Պինդ մարմինների այրումը տարբերվում է գազերի այրումից՝ տարրալուծման և գազիֆիկացման փուլի առկայությամբ, որին հաջորդում է ցնդող պիրոլիզի արտադրանքի բռնկումը։

ՊիրոլիզՕրգանական նյութերի տաքացումն է բարձր ջերմաստիճանի առանց օդի հասանելիության: Այս դեպքում տեղի է ունենում բարդ միացությունների տարրալուծում կամ պառակտում ավելի պարզների (ածխի կոքսացում, նավթի ճեղքում, փայտի չոր թորում): Հետևաբար, այրման արտադրանքի մեջ պինդ այրվող նյութի այրումը կենտրոնացած չէ միայն բոցի գոտում, այլ ունի բազմաստիճան բնույթ:

Պինդ փուլը տաքացնելը հանգեցնում է քայքայման և գազերի արտազատմանը, որոնք բռնկվում և այրվում են։ Ջահից եկող ջերմությունը տաքացնում է պինդ փուլը, որի արդյունքում այն ​​գազաֆիկացվում է, և գործընթացը կրկնվում է՝ այդպիսով պահպանելով այրումը:

Պինդ այրման մոդելը ենթադրում է հետևյալ փուլերի առկայությունը (նկ. 17).

Բրինձ. 17. Այրման մոդել

պինդ նյութ.

տաքացնելով պինդ փուլը. Այս գոտում հալվող նյութերը հալվում են: Գոտու հաստությունը կախված է նյութի հաղորդունակության ջերմաստիճանից.

պիրոլիզ կամ պինդ փուլում ռեակցիայի գոտի, որտեղ ձևավորվում են գազային այրվող նյութեր.

նախնական բոց գազային փուլում, որում ձևավորվում է օքսիդացնող նյութով խառնուրդ.

բոց, կամ ռեակցիայի գոտի գազային փուլում, որտեղ պիրոլիզի արտադրանքը վերածվում է գազային այրման արտադրանքի.

այրման արտադրանք.

Այրման գոտի թթվածնի մատակարարման արագությունը կախված է այրման արտադրանքի միջոցով դրա տարածումից:

Ընդհանուր առմամբ, քանի որ այրման գոտում քիմիական ռեակցիայի արագությունը այրման դիտարկվող տեսակներում կախված է արձագանքող բաղադրիչների մուտքի արագությունից և բոցի մակերեսից մոլեկուլային կամ կինետիկ դիֆուզիայի միջոցով, այրման այս տեսակը կոչվում է. դիֆուզիոն.

Բոցի կառուցվածքը դիֆուզիոն այրումբաղկացած է երեք գոտիներից (նկ. 18).

1-ին գոտին պարունակում է գազեր կամ գոլորշիներ: Այս գոտում ոչ մի այրում տեղի չի ունենում: Ջերմաստիճանը չի գերազանցում 500 0 C: Տեղի է ունենում ցնդող նյութերի տարրալուծում, պիրոլիզի և տաքացում մինչև ինքնայրման ջերմաստիճան:

Բրինձ. 18. Բոցի կառուցվածք.

2-րդ գոտում ձևավորվում է գոլորշիների (գազերի) խառնուրդ մթնոլորտային թթվածնի հետ և տեղի է ունենում թերի այրում մինչև CO՝ մասնակի վերածելով ածխածնի (քիչ թթվածին).

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;

3 արտաքին գոտում երկրորդ գոտու արտադրանքն ամբողջությամբ այրվում է և դիտվում է բոցի առավելագույն ջերմաստիճանը.

2CO + O 2 = 2CO 2;

Բոցի բարձրությունը համաչափ է դիֆուզիոն գործակցին և գազի հոսքի արագությանը և հակադարձ համեմատական ​​է գազի խտությանը:

Դիֆուզիոն այրման բոլոր տեսակները բնորոշ են հրդեհներին:

Կինետիկայրումը նախապես խառնված այրվող գազի, գոլորշու կամ փոշու այրումն է օքսիդիչով: Այս դեպքում այրման արագությունը կախված է միայն այրվող խառնուրդի ֆիզիկաքիմիական հատկություններից (ջերմահաղորդականություն, ջերմային հզորություն, տուրբուլենտություն, նյութերի կոնցենտրացիան, ճնշում և այլն)։ Հետեւաբար, այրման արագությունը կտրուկ աճում է: Այս տեսակի այրումը բնորոշ է պայթյուններին:

Վ Այս դեպքում, երբ այրվող խառնուրդը բռնկվում է ցանկացած կետում, բոցի ճակատը այրման արտադրանքներից տեղափոխվում է թարմ խառնուրդ: Այսպիսով, կինետիկ այրման ժամանակ բոցը ամենից հաճախ ոչ ստացիոնար է (նկ. 19):

Բրինձ. 19. Այրվող խառնուրդում բոցի տարածման սխեման. - բոցավառման աղբյուր; - բոցի ճակատի շարժման ուղղությունը.

Չնայած, եթե դուք նախապես խառնեք այրվող գազը օդի հետ և այն սնուցեք այրիչի մեջ, ապա բռնկման ժամանակ ձևավորվում է անշարժ բոց, պայմանով, որ խառնուրդի սնուցման արագությունը հավասար է բոցի տարածման արագությանը:

Եթե ​​գազի հոսքի արագությունը մեծանում է, բոցը պոկվում է այրիչից և կարող է մարել: Իսկ եթե արագությունը նվազեցվի, ապա բոցը հնարավոր պայթյունով կքաշվի այրիչի ներս։

Ըստ այրման աստիճանի, այսինքն. վերջնական արտադրանքի այրման ռեակցիայի ամբողջականությունը, այրումը ամբողջական և թերի.

Այսպիսով, 2-րդ գոտում (նկ. 18) այրումը թերի է, քանի որ թթվածինը անբավարար է մատակարարվում, որը մասամբ սպառվում է 3-րդ գոտում, և ձևավորվում են միջանկյալ ապրանքներ։ Վերջիններս այրվում են 3-րդ գոտում, որտեղ ավելի շատ թթվածին կա, մինչև ամբողջական այրումը։ Ծխի մեջ մուրի առկայությունը վկայում է թերի այրման մասին։

Մեկ այլ օրինակ. թթվածնի պակասի դեպքում ածխածինը այրվում է ածխածնի երկօքսիդի.

Եթե ​​ավելացնեք O, ապա ռեակցիան գնում է մինչև վերջ.

2CO + O 2 = 2CO 2:

Այրման արագությունը կախված է գազերի շարժման բնույթից: Հետևաբար, առանձնանում են լամինար և տուրբուլենտ այրումը։

Այսպիսով, լամինար այրման օրինակ է մոմի բոցը անշարժ օդում: ժամը լամինար այրումգազերի շերտերը հոսում են զուգահեռ, առանց պտտվելու։

Տուրբուլենտ այրում- գազերի հորձանուտային շարժում, որի մեջ այրման գազերը ինտենսիվ խառնվում են, իսկ բոցի ճակատը մշուշոտ է: Այս տեսակների միջև սահմանը Ռեյնոլդսի չափանիշն է, որը բնութագրում է հոսքի մեջ իներցիոն ուժերի և շփման ուժերի միջև կապը.

, (4.1)

որտեղ:  - գազի հոսքի արագություն;

 - կինետիկ մածուցիկություն;

լ- բնորոշ գծային չափս.

Ռեյնոլդսի թիվը, որի դեպքում տեղի է ունենում շերտավոր սահմանային շերտի անցումը տուրբուլենտի, կոչվում է կրիտիկական Re cr, Re cr ~ 2320:

Պղտորումը մեծացնում է այրման արագությունը այրման արտադրանքներից թարմ խառնուրդի ավելի ինտենսիվ ջերմության փոխանցման պատճառով:

Այրվող միջավայր

Օքսիդանտներ

Օքսիդանտները այն նյութերն են, որոնց ատոմները քիմիական փոխակերպումների ժամանակ վերցնում են էլեկտրոններ: Ի թիվս պարզ նյութերդրանք ներառում են բոլոր հալոգենները և թթվածինը:

Բնության մեջ ամենատարածված օքսիդացնող նյութը մթնոլորտային թթվածինն է:

Իրական հրդեհների ժամանակ այրումը հիմնականում տեղի է ունենում օդում, սակայն շատ տեխնոլոգիական գործընթացներում օգտագործվում է թթվածնով հարստացված օդը և նույնիսկ մաքուր թթվածինը (օրինակ՝ մետալուրգիական արտադրություն, գազի եռակցում, կտրում և այլն)։ Թթվածնով հարստացված մթնոլորտ կարելի է գտնել ստորջրյա և տիեզերական մեքենաներում, պայթուցիկ վառարաններում և այլն: Նման այրվող համակարգերն ունեն հրդեհային վտանգի բարձրացում: Սա պետք է հաշվի առնել հրդեհաշիջման համակարգերի մշակման, հակահրդեհային միջոցառումների և հրդեհների հրդեհատեխնիկական փորձաքննության ժամանակ:

Բացի օդի թթվածնից և հալոգեններից, այրման ռեակցիաներում որպես օքսիդանտ կարող են հանդես գալ նաև բարդ նյութերը, օրինակ՝ թթվածին պարունակող թթուների աղերը՝ նիտրատներ, քլորատներ և այլն, որոնք օգտագործվում են վառոդի, ռազմական և արդյունաբերական պայթուցիկների և տարբեր պիրոտեխնիկական արտադրության մեջ։ կոմպոզիցիաներ.

Վառելիքի և օքսիդիչի խառնուրդ միևնույն ագրեգացման վիճակում որոշակի համամասնություններով և այրվելու ընդունակ (իսկ այրումը հնարավոր է միայն որոշակի հարաբերակցությամբ), կոչվում է այրվող միջավայր։

Դյուրավառ կրիչների երկու տեսակ կա. միատարր և տարասեռ.

Միատարր այրվող միջավայր կոչվում է վառելիքի նախախառնված խառնուրդ օքսիդիչով և, համապատասխանաբար անհամասեռ այրվող միջավայր – երբ վառելիքը և օքսիդիչը չեն խառնվում.

Մեծ թվով գործոնների ազդեցությունը այրման գործընթացի վրա որոշում է այրման տեսակների և եղանակների բազմազանությունը: Այսպիսով, կախված այրվող խառնուրդի բաղադրիչների ագրեգացման վիճակից, այրումը կարող է լինել միատարր և տարասեռ, բաղադրիչների խառնման պայմաններից՝ նախախառնված խառնուրդի այրում (կինետիկ) և դիֆուզիոն, գազադինամիկ պայմաններում՝ լամինար և բուռն և այլն:

Այրման հիմնական տեսակները միատարր և տարասեռ են։

Միատարր այրում - սա վառելիքի փոխազդեցության գործընթացն է և
օքսիդացնող նյութ նույն ագրեգացման վիճակում: Մեծ մասը
Տարածված է օդում գազերի և գոլորշիների միատարր այրումը։

Տարասեռ այրում- սա պինդ այրվող նյութերի այրումն է.
կարմիր ուղիղ իրենց մակերեսին: Բնութագրական հատկանիշ
տարասեռ այրումը բոցի բացակայությունն է: Նրա օրինակները
են անտրացիտի, կոքսի, փայտածուխի, չցնդող մետաղների այրումը։
Անբոց այրումը երբեմն կոչվում է քայքայումը.

Ինչպես երևում է սահմանումներից, միատարր այրման և տարասեռ այրման հիմնարար տարբերությունն այն է, որ առաջին դեպքում վառելիքը և օքսիդիչը գտնվում են նույն ագրեգացման վիճակում, երկրորդում՝ տարբեր:

Հարկ է նշել, որ պինդ մարմինների և նյութերի այրումը միշտ չէ, որ տարասեռ է: Դա պայմանավորված է պինդ մարմինների այրման մեխանիզմով:

Այսպիսով, օրինակ, օդում փայտ վառելը: Այն վառելու համար պետք է ինչ-որ ջերմության աղբյուր բերել, օրինակ՝ լուցկի կամ կրակայրիչի բոց, և մի քիչ սպասել։ Հարց է առաջանում՝ ինչո՞ւ անմիջապես չի վառվում։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ սկզբնական շրջանում բոցավառման աղբյուրը պետք է փայտը տաքացնի որոշակի ջերմաստիճանի, որով սկսվում է պիրոլիզի գործընթացը կամ այլ կերպ ասած՝ ջերմային քայքայումը։ Միաժամանակ ցելյուլոզայի և այլ բաղադրիչների քայքայման արդյունքում սկսում են արտանետվել դրանց քայքայման արգասիքները՝ այրվող գազերը՝ ածխաջրածինները։ Ակնհայտ է, որ որքան մեծ է ջեռուցումը, այնքան մեծ է տարրալուծման արագությունը և, համապատասխանաբար, այրվող գազերի արտանետման արագությունը: Եվ միայն այն դեպքում, երբ GH-ի արտանետման արագությունը բավարար է օդում դրանց որոշակի կոնցենտրացիան ստեղծելու համար, այսինքն. այրվող միջավայրի ձևավորում, այրումը կարող է առաջանալ: Որտեղ այրվում է ոչ թե փայտը, այլ դրա տարրալուծման արտադրանքը՝ այրվող գազեր։Այս պատճառով է, որ փայտի այրումը շատ դեպքերում միատարր այրում է, և ոչ տարասեռ:

Դուք կարող եք պնդել, որ փայտը ի վերջո սկսում է մռայլվել, և մխացողը, ինչպես նշվեց վերևում, տարասեռ այրում է: Սա ճիշտ է։ Բանն այն է, որ փայտի տարրալուծման վերջնական արտադրանքը հիմնականում այրվող գազերն են և ածխածնային մնացորդը, այսպես կոչված, կոքսը: Սա ամենաածխածին մնացորդն է, որը դուք երբևէ տեսել եք և նույնիսկ գնել եք խորովածի համար: Այս ածուխները մոտ 98% մաքուր ածխածին են և չեն կարող արտանետել GH: Ածուխներն արդեն այրվում են տարասեռ այրման ռեժիմում, այսինքն՝ մռայլվում են։

Այսպիսով, փայտը նախ այրվում է միատարր այրման ռեժիմում, այնուհետև մոտ 800 ° C ջերմաստիճանի դեպքում բոցի այրումը վերածվում է մխացող, այսինքն. դառնում է տարասեռ. Նույնն է մյուս պինդ մարմինների դեպքում։

Ինչպե՞ս են այրվում հեղուկները օդում: Հեղուկների այրման մեխանիզմն այն է, որ այն սկզբում գոլորշիանում է, և հենց գոլորշիներն են կազմում օդի հետ այրվող խառնուրդ։ Այսինքն՝ այս դեպքում տեղի է ունենում նաև միատարր այրում։ այրվում է ոչ թե հեղուկ փուլը, այլ հեղուկ գոլորշիները

Մետաղի այրման մեխանիզմը նույնն է, ինչ հեղուկների դեպքում, այն տարբերությամբ, որ մետաղը նախ պետք է հալվի, այնուհետև տաքացվի մինչև բարձր ջերմաստիճան, որպեսզի գոլորշիացման արագությունը բավարար լինի դյուրավառ միջավայր ձևավորելու համար: Որոշ մետաղներ այրվում են իրենց մակերեսին:

Միատարր այրման ժամանակ առանձնանում են երկու եղանակ՝ կինետիկ և դիֆուզիոն այրում։

Կինետիկ այրում- սա նախապես խառնված այրվող խառնուրդի այրումն է, այսինքն. համասեռ խառնուրդ. Այրման արագությունը որոշվում է միայն ռեդոքս ռեակցիայի կինետիկայով:

Դիֆուզիոն այրում- սա անհամասեռ խառնուրդի այրումն է, երբ վառելիքը և օքսիդիչը նախապես խառնված չեն, այսինքն. տարասեռ. Այս դեպքում վառելիքի և օքսիդիչի խառնումը տեղի է ունենում բոցի ճակատում՝ դիֆուզիայի պատճառով: Չկազմակերպված այրման համար դա դիֆուզիոն այրման ռեժիմն է, որը բնորոշ է, կրակի մեջ այրվող նյութերի մեծ մասը կարող է այրվել միայն այս ռեժիմում: Միատարր խառնուրդներ, իհարկե, կարող են առաջանալ իրական կրակի մեջ, բայց դրանց առաջացումը ավելի շուտ նախորդում է հրդեհին կամ ապահովում է զարգացման սկզբնական փուլ։

Այրման այս տեսակների միջև հիմնարար տարբերությունն այն է, որ միատարր խառնուրդում վառելիքի և օքսիդիչի մոլեկուլներն արդեն մոտ են և պատրաստ են քիմիական փոխազդեցության մեջ մտնելու, մինչդեռ դիֆուզիոն այրման ժամանակ այս մոլեկուլները նախ պետք է մոտենան միմյանց՝ դիֆուզիայի պատճառով: և միայն դրանից հետո մտնել փոխգործակցության մեջ։

Սա առաջացնում է այրման գործընթացի արագության տարբերություն:

Այրման ընդհանուր ժամանակը t g, բաղկացած է տեւողությունից ֆիզիկական
քիմիական և քիմիական գործընթացներ.

տ գ = t f + t x.

Կինետիկ այրման ռեժիմբնութագրվում է միայն քիմիական գործընթացների տեւողությամբ, այսինքն. t г »t х, քանի որ այս դեպքում ֆիզիկական պատրաստման (խառնման) գործընթացներ չեն պահանջվում, այսինքն. տ զ »0 .

Դիֆուզիոն այրման ռեժիմ,ընդհակառակը, հիմնականում կախված է
համասեռ այրվող խառնուրդի պատրաստման արագությունը (կոպիտ ասած՝ մոլեկուլների մոտեցումը), այս դեպքում t f >> t x, և հետևաբար վերջինս կարող է անտեսվել, այսինքն. դրա տեւողությունը որոշվում է հիմնականում ֆիզիկական պրոցեսների առաջացման արագությամբ։

Եթե ​​t ф »t х, այսինքն. դրանք համաչափ են, ապա այրումն ընթանում է այսպես
կոչվում է բեմադրության տարածք:

Օրինակ, պատկերացրեք երկու գազի այրիչ (նկ. 1.1). դրանցից մեկում վարդակում օդի մուտքի անցքեր կան (ա), մյուսում դրանք (բ) չեն: Առաջին դեպքում օդը ներծծվելու է վարդակ ներարկման միջոցով, որտեղ այն խառնվում է այրվող գազի մեջ, այդպիսով ձևավորվում է միատարր այրվող խառնուրդ, որը այրվում է վարդակից ելքի մոտ։ կինետիկ ռեժիմ ... Երկրորդ դեպքում (բ) դիֆուզիայի պատճառով այրման ժամանակ օդը խառնվում է այրվող գազի հետ, այս դեպքում՝ դիֆուզիոն այրում .

Բրինձ. 1.1Կինետիկ (ա) և դիֆուզիոն (բ) այրման օրինակ

Մեկ այլ օրինակ. սենյակում գազի արտահոսք է տեղի ունենում: Գազը աստիճանաբար խառնվում է օդին՝ առաջացնելով միատարր այրվող խառնուրդ։ Եվ այն դեպքում, երբ սրանից հետո բոցավառման աղբյուր է հայտնվում, պայթյուն է տեղի ունենում։ Սա կինետիկ այրումն է:

Նմանապես, երբ այրվում են հեղուկներ, ինչպիսիք են բենզինը: Եթե ​​այն լցվի բաց տարայի մեջ և բռնկվի, տեղի կունենա դիֆուզիոն այրում։ Եթե ​​այս տարան տեղադրեք փակ սենյակում և մի քիչ սպասեք, բենզինը մասամբ գոլորշիանա, խառնվի օդի հետ և այդպիսով կստեղծի միատարր այրվող խառնուրդ։ Երբ դուք ներկայացնում եք բոցավառման աղբյուր, ինչպես գիտեք, պայթյուն տեղի կունենա, սա կինետիկ այրում է:

Ի՞նչ ռեժիմով է այրումը տեղի ունենում իրական հրդեհների ժամանակ: Իհարկե, հիմնականում դիֆուզիայի մեջ: Որոշ դեպքերում հրդեհը կարող է սկսվել կինետիկ այրմամբ, ինչպես տրված օրինակներում, սակայն միատարր խառնուրդը այրվելուց հետո, որը տեղի է ունենում շատ արագ, այրումը կշարունակվի դիֆուզիոն ռեժիմով:

Դիֆուզիոն այրման դեպքում, օդում թթվածնի պակասի դեպքում, օրինակ, փակ սենյակներում բռնկված հրդեհների դեպքում, հնարավոր է վառելիքի թերի այրում՝ թերի այրման արտադրանքի ձևավորմամբ, ինչպիսին է CO-ածխածնի երկօքսիդը: Թերի այրման բոլոր արտադրանքները շատ թունավոր են և մեծ հրդեհի վտանգ են ներկայացնում: Շատ դեպքերում հենց նրանք են պատասխանատու մարդկանց մահվան համար։

Այսպիսով, այրման հիմնական տեսակները միատարր և տարասեռ են: Այս ռեժիմների միջև տեսողական տարբերությունը բոցի առկայությունն է:

Միատարր այրումը կարող է ընթանալ երկու եղանակով՝ դիֆուզիոն և կինետիկ: Տեսողականորեն նրանց տարբերությունը կայանում է այրման արագության մեջ:

Հարկ է նշել, որ առանձնանում է այրման մեկ այլ տեսակ՝ պայթուցիկ նյութերի այրումը։ Պայթուցիկները ներառում են վառելիք և պինդ վիճակում օքսիդացնող նյութ: Քանի որ և՛ վառելիքը, և՛ օքսիդիչը գտնվում են ագրեգացման նույն վիճակում, նման այրումը միատարր է:

Իրական հրդեհների ժամանակ հիմնականում տեղի է ունենում բոցավառ այրում: Հայտնի է, որ բոցը արտանետվում է որպես հրդեհի վտանգավոր գործոններից մեկը: Ի՞նչ է բոցը և ի՞նչ գործընթացներ են տեղի ունենում նրանում:

Պինդ վառելիքի այրման ժամանակ քիմիական ռեակցիային նախորդում է օքսիդանտը արձագանքող մակերեսին մատակարարելու գործընթացը։ Հետևաբար, պինդ վառելիքի այրման գործընթացը բարդ տարասեռ ֆիզիկաքիմիական գործընթաց է, որը բաղկացած է երկու փուլից՝ թթվածնի մատակարարում վառելիքի մակերեսին տուրբուլենտ և մոլեկուլային դիֆուզիայի միջոցով և դրա վրա քիմիական ռեակցիա:

Դիտարկենք տարասեռ այրման ընդհանուր տեսությունը՝ օգտագործելով գնդաձեւ ածխածնի մասնիկի այրման օրինակը՝ ենթադրելով հետևյալ պայմանները. Թթվածնի կոնցենտրացիան նույնն է մասնիկի ամբողջ մակերեսի վրա. Ածխածնի հետ թթվածնի ռեակցիայի արագությունը համաչափ է մակերեսի վրա թթվածնի կոնցենտրացիայի հետ, այսինքն՝ տեղի է ունենում առաջին կարգի ռեակցիա, որն ամենայն հավանականությամբ տեղի է ունենում տարասեռ գործընթացների համար. ռեակցիան ընթանում է մասնիկի մակերևույթի վրա՝ վերջնական այրման արգասիքների ձևավորմամբ, և ծավալի մեջ երկրորդական ռեակցիաներ չկան, ինչպես նաև մասնիկի մակերեսին։

Նման պարզեցված միջավայրում ածխածնի այրման արագությունը կարող է ներկայացվել որպես կախված նրա երկու հիմնական փուլերի արագությունից, մասնավորապես՝ միջֆազային մակերեսին թթվածնի մատակարարման արագությունից և բուն քիմիական ռեակցիայի արագությունից, որը տեղի է ունենում բուն վրա։ մասնիկի մակերեսը. Այս գործընթացների փոխազդեցության արդյունքում առաջանում է դինամիկ հավասարակշռություն թթվածնի քանակի միջև, որը մատակարարվում է դիֆուզիայի միջոցով և սպառվում է քիմիական ռեակցիայի համար ածխածնի մակերեսի վրա դրա կոնցենտրացիայի որոշակի արժեքով:

Քիմիական ռեակցիայի արագությունը / (° 2 գ թթվածին / (cm2-s), որոշված

Որպես ռեակցիայի մակերեսի միավորի կողմից սպառվող թթվածնի քանակությունը ժամանակի միավորի համար, այն կարող է արտահայտվել հետևյալ կերպ.

Հավասարման մեջ.

K-ն քիմիական ռեակցիայի արագության հաստատունն է.

Sv-ն թթվածնի կոնցենտրացիան մասնիկի մակերեսին է:

Մյուս կողմից, այրման արագությունը հավասար է հատուկ հոսքի ki-ին

Թթվածին արձագանքող մակերեսին, որը մատակարարվում է դիֆուզիայի միջոցով.

К ° "= դժոխք (С, - С5). (15-2)

Հավասարման մեջ.

Ad-ը դիֆուզիոն փոխանակման գործակիցն է.

Co-ն այն հոսքի մեջ թթվածնի կոնցենտրացիան է, որում այրվում է ածխածնի մասնիկը:

Փոխարինելով (15-1) հավասարումից հայտնաբերված Sv-ի արժեքը (15-2), մենք ստանում ենք հետևյալ արտահայտությունը տարասեռ այրման արագության համար՝ մասնիկների մակերեսի միավորի կողմից ժամանակի մեկ միավորի համար սպառվող թթվածնի քանակի միջոցով.

«. С °, ■ '(15-3)

Նշելով միջոցով

Կկաժ - - Գ -, (15-4)

Արտահայտությունը (15-3) կարող է ներկայացվել որպես

/<°’ = /СкажС„. (15-5)

Իր կառուցվածքով արտահայտությունը (15-5) նման է առաջին կարգի ռեակցիայի կինետիկ հավասարմանը (15-1): Դրանում ռեակցիայի արագության հաստատուն £ փոխարինվում է Kkazh գործակցով, որը կախված է ինչպես վառելիքի ռեակցիայի հատկություններից, այնպես էլ տրանսպորտային օրենքներից, և, հետևաբար, կոչվում է պինդ ածխածնի այրման արագության ակնհայտ հաստատուն:

Քիմիական այրման ռեակցիաների արագությունը կախված է վառելիքի բնույթից և ֆիզիկական պայմաններից՝ արձագանքող գազի կոնցենտրացիան մակերեսի վրա, ջերմաստիճանը և ճնշումը։ Քիմիական «ռեակցիայի արագության ջերմաստիճանից կախվածությունն ամենաուժեղն է: Ցածր ջերմաստիճանների շրջանում քիմիական ռեակցիայի արագությունը ցածր է, իսկ թթվածնի սպառման առումով շատ անգամ ցածր է այն արագությունից, որով թթվածինը կարող է մատակարարվել: Դիֆուզիա: Այրման գործընթացը սահմանափակվում է բուն քիմիական ռեակցիայի արագությամբ և կախված չէ մատակարարման պայմաններից: թթվածին, այսինքն՝ օդի հոսքի արագությունը, մասնիկների չափը և այլն: Հետևաբար, տարասեռ այրման ընթացքի այս շրջանը կոչվում է կինետիկ:

Այրման կինետիկ շրջանում ad> - £, հետևաբար, (15-3) բանաձևում 1 / ad-ի արժեքը կարող է անտեսվել 1 / &-ի համեմատ, այնուհետև մենք ստանում ենք.

K ° 32 = kC0: (15-6)

Դիֆուզիայի միջոցով մատակարարված և ռեակցիայի համար սպառված թթվածնի քանակի միջև հավասարակշռությունը հաստատվում է դրա կոնցենտրացիայի փոքր գրադիենտում, որի պատճառով ռեակցիայի մակերեսի վրա թթվածնի կոնցենտրացիայի արժեքը քիչ է տարբերվում հոսքի արժեքից: Բարձր ջերմաստիճանի դեպքում կինետիկ այրումը կարող է առաջանալ օդի հոսքի բարձր արագության և վառելիքի մասնիկների փոքր չափերի դեպքում, այսինքն՝ թթու մատակարարման պայմանների նման բարելավմամբ, երբ վերջինս կարող է մատակարարվել զգալիորեն ավելի մեծ քանակությամբ՝ համեմատած քիմիական ռեակցիայի անհրաժեշտություն.

Տարասեռ այրման տարբեր շրջանները գրաֆիկորեն ներկայացված են Նկ. 15-1. Կինետիկ I շրջանը բնութագրվում է կորով 1, որը ցույց է տալիս, որ ջերմաստիճանի բարձրացման հետ այրման արագությունը կտրուկ աճում է Արրենիուսի օրենքի համաձայն:

Որոշակի ջերմաստիճանում քիմիական ռեակցիայի արագությունը համարժեք է թթվածնի մատակարարման արագությանը ռեակցիայի մակերեսին, իսկ հետո այրման արագությունը կախված է ոչ միայն քիմիական ռեակցիայի արագությունից, այլև թթվածնի մատակարարման արագությունից: . Այս տարածքում, որը կոչվում է միջանկյալ (նկ. 15-1, տարածք II, կոր 1-2), այս երկու փուլերի արագությունները համեմատելի են, դրանցից ոչ մեկը չի կարելի անտեսել, և հետևաբար այրման գործընթացի արագությունը որոշվում է բանաձևով. (15-3): Ջերմաստիճանի բարձրացման դեպքում այրման արագությունը մեծանում է, բայց ավելի քիչ, քան կինետիկ շրջանում, և դրա աճը աստիճանաբար դանդաղում է և, վերջապես, հասնում է առավելագույնին, երբ անցնում է ցրված շրջան (նկ. 15-1, III շրջան. , կոր 2-3), հետագա մնալով անկախ ջերմաստիճանից։ Այս տարածաշրջանում ավելի բարձր ջերմաստիճանների դեպքում քիմիական ռեակցիայի արագությունն այնքան է մեծանում, որ դիֆուզիայի միջոցով մատակարարվող թթվածինը անմիջապես մտնում է քիմիական ռեակցիա, որի արդյունքում մակերեսի վրա թթվածնի կոնցենտրացիան գործնականում զրոյական է դառնում: Բանաձևում (15-3) 1 / & արժեքը կարող է անտեսվել 1 / ա-ի համեմատ, այնուհետև մենք գտնում ենք, որ այրման արագությունը որոշվում է ռեակցիայի մակերեսին թթվածնի տարածման արագությամբ, այսինքն.

Եվ, հետևաբար, այրման այս տարածքը կոչվում է դիֆուզիոն: Դիֆուզիոն շրջանում այրման արագությունը գործնականում անկախ է վառելիքի և ջերմաստիճանի հատկություններից: Ջերմաստիճանի ազդեցությունը ազդում է միայն ֆիզիկական հաստատունների փոփոխության վրա։ Այս տարածաշրջանում այրման արագության վրա մեծ ազդեցություն ունեն թթվածնի մատակարարման պայմանները, մասնավորապես՝ հիդրոդինամիկ գործոնները՝ գազի հոսքի հարաբերական արագությունը և վառելիքի մասնիկների չափը: Գազի հոսքի արագության բարձրացմամբ և մասնիկների չափի նվազմամբ, այսինքն, թթվածնի մատակարարման արագացմամբ, դիֆուզիոն այրման արագությունը մեծանում է:

Այրման ընթացքում դինամիկ հավասարակշռություն է հաստատվում թթվածնի սպառման քիմիական գործընթացի և դրա մատակարարման դիֆուզիոն գործընթացի միջև ռեակցիայի մակերեսում թթվածնի կոնցենտրացիայի որոշակի արժեքով: Թթվածնի կոնցենտրացիան մասնիկի մակերեսին կախված է այս երկու պրոցեսների արագության հարաբերակցությունից, եթե դիֆուզիոն արագությունը գերակշռի, ապա այն կմոտենա հոսքի կոնցենտրացիային, մինչդեռ քիմիական ռեակցիայի արագության աճը հանգեցնում է դրա նվազմանը:

Դիֆուզիոն շրջանում տեղի ունեցող այրման գործընթացը կարող է գնալ միջանկյալ (կոր 1 «-2») կամ նույնիսկ դեպի կինետիկ շրջան՝ աճող դիֆուզիոնով, օրինակ՝ հոսքի արագության բարձրացմամբ կամ մասնիկների չափի նվազմամբ։

Այսպիսով, գազի հոսքի արագության բարձրացմամբ և փոքր մասնիկների անցնելով, գործընթացը տեղափոխվում է կինետիկ այրման: Ջերմաստիճանի բարձրացումը գործընթացը տեղափոխում է դիֆուզիոն այրման (նկ. 15-1, կոր 2 «-3»):

Ցանկացած կոնկրետ դեպքի համար որոշակի տարածքում տարասեռ այրման ընթացքը կախված է այս կոնկրետ պայմաններից: Տարասեռ այրման գործընթացի ուսումնասիրության հիմնական խնդիրն է այրման տարածքների սահմանումը և յուրաքանչյուր տարածքի քանակական օրինաչափությունների հայտնաբերումը:

Նախորդ բաժնում թվարկված ֆիզիկական երևույթները նկատվում են գործընթացների լայն տեսականիով, որոնք տարբերվում են ինչպես քիմիական ռեակցիաների բնույթով, այնպես էլ այրման մեջ ներգրավված նյութերի ագրեգացման վիճակով:

Տարբերակել համասեռ, տարասեռ և դիֆուզիոն այրումը:

Նախապես խառնված գազերի այրումը պատկանում է միատարր այրմանը։ Միատարր այրման բազմաթիվ օրինակներ են գազերի կամ գոլորշիների այրումը, որոնցում օքսիդացնող նյութը մթնոլորտի թթվածինն է. ջրածնի, ածխածնի օքսիդի և ածխաջրածինների խառնուրդների այրումը օդի հետ: Գործնականորեն կարևոր դեպքերում) ամբողջական նախնական խառնման պայմանը միշտ չէ, որ բավարարվում է։ Հետեւաբար, միատարր այրման համակցությունները այրման այլ տեսակների հետ միշտ հնարավոր են:

Միատարր այրումը կարող է իրականացվել երկու եղանակով՝ շերտավոր և տուրբուլենտ: Պղտորումը արագացնում է այրման գործընթացը բոցի ճակատի առանձին բեկորների տրոհման և, համապատասխանաբար, արձագանքող նյութերի շփման տարածքի մեծացման պատճառով լայնածավալ տուրբուլենտության կամ բոցի ճակատում ջերմության և զանգվածի փոխանցման գործընթացների արագացման պատճառով: փոքրածավալ տուրբուլենտության ժամանակ։ Ինքնանմանությունը բնորոշ է տուրբուլենտ այրմանը. տուրբուլենտ հորձանուտները մեծացնում են այրման արագությունը, ինչը հանգեցնում է տուրբուլենտության ավելացման:

Միատարր այրման բոլոր պարամետրերը դրսևորվում են նաև այն գործընթացում, երբ օքսիդացնող նյութը թթվածինը չէ, այլ գազերը։ Օրինակ՝ ֆտոր, քլոր կամ բրոմ։

Հրդեհների դեպքում առավել տարածված են դիֆուզիոն այրման պրոցեսները։ Դրանցում բոլոր ռեակտիվները գտնվում են գազային փուլում, բայց նախկինում խառնված չեն: Պինդ մարմինների հեղուկների այրման դեպքում գազային փուլում վառելիքի օքսիդացման գործընթացը տեղի է ունենում հեղուկի գոլորշիացման (կամ պինդ նյութի քայքայման) և խառնման գործընթացի հետ միաժամանակ։

Դիֆուզիոն այրման ամենապարզ օրինակը բնական գազի այրումն է գազի այրիչ... Հրդեհների վրա իրականացվում է տուրբուլենտ դիֆուզիոն այրման ռեժիմ, երբ այրման արագությունը որոշվում է տուրբուլենտ խառնման արագությամբ։

Այս դեպքում տարբերվում է մակրոմիքսինգը և միկրոխառնումը։ Անհանգիստ խառնման գործընթացը ներառում է գազի հաջորդական ջախջախում՝ գնալով ավելի փոքր ծավալների և դրանք իրար խառնելով: Վերջին փուլում վերջնական մոլեկուլային խառնումը տեղի է ունենում մոլեկուլային դիֆուզիայի միջոցով, որի արագությունը մեծանում է, քանի որ մանրացման մասշտաբները նվազում են: Մակրո-խառնուրդի ավարտից հետո այրման արագությունը որոշվում է վառելիքի և օդի փոքր ծավալների ներսում միկրոխառնման գործընթացներով:

Միջերեսում տեղի է ունենում տարասեռ այրում: Այս դեպքում ռեակտիվներից մեկը գտնվում է խտացված վիճակում, մյուսը (սովորաբար մթնոլորտային թթվածինը) մատակարարվում է գազային ֆազի դիֆուզիայի միջոցով։ Տարասեռ այրման նախապայման է խտացված փուլի շատ բարձր եռման կետը (կամ տարրալուծումը): Եթե ​​այս պայմանը չի պահպանվում, ապա այրմանը նախորդում է գոլորշիացում կամ տարրալուծում: Գոլորշու կամ գազային տարրալուծման արտադրանքի հոսքը այրման գոտի է մտնում մակերեսից, և այրումը տեղի է ունենում գազային փուլում: Նման այրումը կարող է վերագրվել դիֆուզիոն քվազի-տարասեռ, բայց ոչ ամբողջությամբ տարասեռ, քանի որ այրման գործընթացն այլևս տեղի չի ունենում փուլային սահմաններում: Նման այրման զարգացումն իրականացվում է բոցից նյութի մակերես ջերմային հոսքի շնորհիվ, որն ապահովում է հետագա գոլորշիացում կամ քայքայումը և վառելիքի հոսքը այրման գոտի: Նման իրավիճակներում խառը դեպք է առաջանում, երբ այրման ռեակցիաները մասամբ տարասեռ են՝ խտացրած փուլի մակերեսին, մասամբ միատարր՝ գազային խառնուրդի ծավալով։

Տարասեռ այրման օրինակ է ածուխի և փայտածուխի այրումը: Երբ այս նյութերը այրվում են, տեղի են ունենում երկու տեսակի ռեակցիաներ. Ածուխի որոշ տեսակներ տաքացնելիս արտանետում են ցնդող բաղադրիչներ: Նման ածուխների այրմանը նախորդում է դրանց մասնակի ջերմային տարրալուծումը գազային ածխաջրածինների և ջրածնի արտազատմամբ, որոնք այրվում են գազային փուլում։ Բացի այդ, երբ մաքուր ածխածինը այրվում է, կարող է առաջանալ ածխածնի մոնօքսիդ CO, որն այրվում է ծավալով։ Օդի բավարար ավելցուկով և ածխի մակերևույթի բարձր ջերմաստիճանի դեպքում զանգվածային ռեակցիաներն ընթանում են մակերեսին այնքան մոտ, որ որոշակի մոտավորությամբ հիմք է տալիս նման գործընթացը համարել տարասեռ:

Իսկապես տարասեռ այրման օրինակ է հրակայուն ոչ ցնդող մետաղների այրումը: Այս գործընթացները կարող են բարդանալ օքսիդների ձևավորմամբ, որոնք ծածկում են այրվող մակերեսը և կանխում թթվածնի հետ շփումը: Մետաղի և դրա օքսիդի միջև ֆիզիկաքիմիական հատկությունների մեծ տարբերությամբ այրման ժամանակ օքսիդ թաղանթը ճաք է տալիս, և ապահովվում է թթվածնի հասանելիությունը այրման գոտի: