Физико-химические основы процессов горения.

Упрощённо под горением понимают быстропротекающий экзотермический процесс окисления веществ кислородом воздуха с выделением значительного количества тепла и излучением света.

Горение представляет собой сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, а также разложения некоторых веществ, характеризующийся самоускоряющимся превращением с выделением большого количества тепла и излучением света. Обычно в качестве окислителя в этом процессе участвует кислород воздуха с концентрацией 21 об. %. Для возникновения и развития процесса горения необходимы горючее вещество, окислитель и источник воспламенения, инициирующий определённую скорость химической реакции между горючим и окислителем.

Горение, как правило, происходит в газовой фазе, поэтому горючие вещества, находящиеся в конденсированном состоянии (жидкости и твёрдые вещества), для возникновения и поддержания горения должны подвергаться газификации (испарению, разложению). Горение отличается многообразием видов и особенностей, обусловливаемых процессами тепломассообмена, газодинамическими факторами, кинетикой химических реакций и другими факторами, а также обратной связью между внешними условиями и характером развития процесса.

2.4.2.1. Классификация процессов горения.

Горение может быть гомогенным и гетерогенным в зависимости от агрегатного состояния горючих веществ и окислителя.

Гомогенное горение протекает в том случае, когда реагирующие компоненты горючей смеси имеют одинаковое агрегатное состояние. Гомогенное горение может быть кинетическим и диффузионным в зависимости от условий смесеобразования горючих компонентов и от соотношения скоростей химических реакций и смесеобразования. Тот или иной режим горения реализуется, например, при пожаре, в зависимости от того, какая из стадий процесса горения является лимитирующей: скорость смесеобразования или скорость химических реакций.

Кинетическим является горение предварительно перемешанных газо- или паровоздушных смесей (лимитирующая стадия процесса – скорость химических реакций), которое часто имеет взрывной характер (если смесь образуется в замкнутом пространстве), т.к. выделяющаяся при этом энергия не успевает отводиться за пределы этого пространства. Кинетическое горение может быть и спокойным, если горючая смесь предварительно создается в малом, незамкнутом пространстве с непрерывной подачей горючего в зону горения.

Диффузионный режим горения реализуется при создании горючей смеси непосредственно в зоне горения, когда окислитель поступает в неё за счет процессов диффузии, например, при гетерогенном горении.

Гетерогенное горение осуществляется при различных агрегатных состояниях горючего вещества и окислителя. В гетерогенном горении важную роль играет интенсивность потока паров, образующихся из конденсированных горючих веществ (жидкости, твёрдые вещества) в реакционную зону.

С газодинамических позиций горение может быть ламинарным и турбулентным.

Ламинарный режим процесса горения осуществляется в том случае, когда компоненты горючей смеси поступают в зону реакции при малых значениях критерия Рейнольдса (0 < R_e < 200), т.е. в основном за счёт молекулярной диффузии. Процесс характеризуется малыми скоростями газовыхпотоков горючего и окислителя и послойным распространением реакционной зоны (фронта пламени) в пространстве. Скорость горения в этом случае зависит от скорости образования горючей смеси.

Турбулентный режим процесса реализуется тогда, когда компоненты горючей смеси поступают в зону реакции при больших значениях критерия Рейнольдса (230 < R_e< 10000). Горение в этом режиме происходит при увеличении скорости газовыхпотоков, когда нарушается ламинарность их движения. В турбулентном режиме горения завихрение газовых струй улучшает перемешивание реагирующих компонентов, при этом увеличивается площадь поверхности, через которую происходит молекулярная диффузия, результатом чего является увеличение скорости распространения пламени в пространстве.

По скорости распространения пламени в пространстве горение делится на:

– дефлаграционное (скорость распространения пламени несколько м/с);

– взрывное (скорость распространения пламени десятки и сотни м/с, но не более скорости распространения звука в воздухе (344 м/с));

– детонационное (скорость распространения пламени больше скорости звука в воздухе).

В зависимости от глубины протекания химических реакций горение может быть полным и неполным.

При полном горении реакция протекает до конца, т.е. до образования веществ, неспособных далее взаимодействовать друг с другом, с горючим и окислителем (исходное соотношение горючего вещества и окислителя при этом называется стехиометрическим). В качестве примера рассмотрим полное горение метана, протекающее по реакции

CH₄+ 2O₂= CO₂ + 2H₂O+ Q

где Q – теплота, выделяющаяся в результате протекания экзотермической реакции, Дж.

При полном горении углеводородов продуктами реакции являются углекислый газ и вода, т. е. нетоксичные и негорючие вещества. Полное горение может реализоваться как при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя, так и при избытке окислителя по отношению к его стехиометрическому содержанию в горючей смеси.

Неполное горение характеризуется незавершённостью химической реакции, т.е. продукты реакции при наличии окислителя могут далее взаимодействовать с ним. Происходит неполное горение при недостаточном (по сравнению со стехиометрическим) содержании окислителя в горючей смеси. В результате неполного горения, например, углеводородов, происходит образование токсичных и горючих компонентов таких, как CO, H₂, бензпирен, С (сажа), органические смолы и др., всего около 300 химических соединений и элементов.

При прочих равных условиях при полном горении развиваются более высокие температуры, нежели при неполном.

2.4.2.2. Основные механизмы процессов горения.

Горение сопровождается выделением тепла и излучением света и возникает в условиях прогрессивного самоускорения процесса, связанного с накоплением в системе тепла (тепловое горение) или катализирующих активных промежуточных продуктов реакции (цепное горение).

Тепловое горение возможно при экзотермической реакции, скорость которой быстро возрастает под влиянием накапливающегося в системе тепла, приводящего к повышению температуры. При достижении температуры, при которой приход тепла от реакции превышает тепловые потери в окружающую среду, происходит саморазогрев системы, заканчивающийся самовоспламенением горючей смеси. В этих условиях наблюдается спонтанное развитие реакции, сопровождаемой нагревом образующихся продуктов до такой температуры, при которой они начинают излучать свет (более 900 °С). К тепловому горению относятся процессы и с участием кислорода воздуха, и без него (разложение взрывчатых веществ, озона, ацетилена, пероксидов (например, Н₂О₂), взаимодействие некоторых металлов с галогенами, серой и др.).

Цепное горение возможно только при реакциях, для которых основой воспламенения или взрыва является цепной процесс. Последний сопровождается образованием неустойчивых промежуточных продуктов реакции, регенерирующих активные центры (атомы и молекулы, имеющие свободные химические связи), которые ускоряют процесс. Накопление достаточного количества активных центров способствует переходу цепного процесса в тепловой и возрастанию температуры смеси до точки её самовоспламенения. Возникают такие активные центры в результате повышения скорости теплового колебательного движения молекул, а приумножаются за счёт разветвления цепей. На начальных стадиях реакций, протекающих по цепному механизму, химическая энергия реагирующих веществ переходит в основном в образование новых активных центров. Процесс изменения концентрации активных центров описывается уравнением:

(1)

где n – число активных центров в зоне реакции;

τ – время;

w₀ – скорость зарождения активных центров;

φ – константа, характеризующая разность скоростей разветвления и обрыва цепей.

С позиций молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения материи химические реакции горения происходят в результате взаимодействия молекул горючего и окислителя. Силы молекулярного взаимодействия между двумя компонентами горючей смеси проявляются на очень малом расстоянии, а с увеличением последнего резко убывают. Поэтому взаимодействие между молекулами горючего и окислителя возможно лишь при полном их сближении, которое можно рассматривать как соударение. Следовательно, химической реакции между горючим и окислителем должны предшествовать смешение компонентов и физический акт упругого соударения молекул.

Число соударений молекул газа в единице объёма легко рассчитывается. Так, например, для стехиометрической смеси водорода и кислорода (2Н₂ + О₂) при температуре 288 К и атмосферном давлении (~ 101325 Па) число соударений за 1 с в 1 см³ достигает 8,3·10²⁸. Если бы все эти соударения приводили к химической реакции, то вся смесь прореагировала бы очень быстро. Практика же показывает, что в этих условиях реакция горения не протекает вообще, т.к. все эти соударения не приводят к химическому взаимодействию.

Для того чтобы химическая реакция произошла, реагирующие молекулы должны находиться в возбуждённом состоянии. Такое возбуждение может быть химическим, когда атомы молекул обладают одной или двумя свободными валентностями (такие молекулы называются радикалами и обозначаются, например, СН₃^•, ОН^•, СН₂^•• и т.п.) и физическим когда в результате медленного нагревания молекулы приобретают кинетическую энергию выше критического значения.

Молекулы, обладающие необходимым запасом энергии для разрыва или ослабления существующих связей, называются активными центрами химической реакции.

Разность между средними уровнями запаса энергии молекул в активном состоянии и находящихся в нормальном, т.е. неактивном, невозбуждённом состоянии, называется энергией активации (Е_а). Чем выше численное значение энергии активации, тем труднее заставить данную пару реагентов вступить в химическую реакцию и наоборот. Поэтому энергия активации является как бы косвенным показателем степени пожарной опасности горючих веществ.

Оценить величину энергии активации можно по формуле:

(2)

где Е_а– энергия активации, Дж;

k – постоянная Больцмана, равная 1,38·10^–23 Дж/К;

Т – абсолютная температура, К.

Характер протекания основного химического процесса горения зависит от ряда физических процессов:

– передвижения реагирующих веществ и продуктов реакции (процессы диффузии);

– выделения и распространения тепла (процессы теплопередачи);

– аэро- и гидродинамических условий, обеспечивающих перенос тепла и вещества (процессы конвекции).

Необходимость учёта этих факторов значительно усложняет изучение и теоретическое описание процессов горения.

Горение твёрдых веществ, не образующих при нагревании газовой (паровой) фазы, является гетерогенным и протекает на поверхности раздела фаз, поэтому наряду с рассмотренными выше факторами, влияющими на характер процесса, исключительно важную роль играют размеры и природа поверхности твёрдой фазы (это особенно важно для аэрозолей).

2.4.2.3. Импульсы воспламенения.

Для возникновения горения кроме горючего вещества и окислителя необходим начальный энергетический импульс (чаще всегос выделением тепла), который вызывает воспламенение небольшого объёма горючей смеси, после чего горение распространяется по всему пространству, в котором она распределена.

Импульс воспламенения может возникнуть при протекании физических, химических и микробиологических процессов, способствующих образованию тепла. В зависимости от характера этих процессов импульсы соответственно и подразделяются на физические, химические, и микробиологические.

Так как при воздействии на систему физического импульса выделяется тепло, не являющееся результатом химического процесса, то этот импульс рассматривается как тепловой. Действие теплового импульса, вызывающего нагревание системы, может быть:

– контактным – передача тепла осуществляется за счёт соприкосновения горючей смеси с его источником;

– радиационным – передача тепла горючей смеси происходит электромагнитным излучением от источника нагрева;

– конвекционным – передача тепла горючей системе происходит веществом (воздухом или иным газом, находящимся в движении);

– гидравлическим (динамическим) – образование тепла за счёт быстрого уменьшения объёма газовой смеси, сопровождающегося повышением давления последней.

Основными источниками теплового импульса являются:

– открытое пламя (температура ~ 1500 °С);

– нагретые поверхности (температура > 900 °С);

– механические искры (температура ~ 1200 °С)

– электрические искры (температура до 6000 °С).

При химическом и микробиологическом импульсах накопление тепла в системе происходит за счёт химической реакции, физико-химического процесса (например, адсорбции) и жизнедеятельности микроорганизмов, для которых горючее вещество является пищей.

2.4.2.4. Скорость реакций горения.

Скорость процесса горения в общем виде определяется по уравнению:

(3)

где а, b – концентрации реагирующих компонентов;

τ – время,

или (4)

где m, n – концентрации продуктов горения.

Повышение скорости горения сопровождается увеличением количества тепла, поступающего в систему в единицу времени, и, как следствие, ростом температуры горения.

2.4.2.5. Температура горения.

При горении не всё выделенное тепло тратится на повышение температуры реакционной смеси, т. к. часть его расходуется в виде потерь на:

– химический и физический недожог, учитываемый коэффициентом недожога (β);

– электромагнитное излучение пламени, зависящее от температуры излучающего тела, его агрегатного состояния и химической природы. Эта зависимость определяется коэффициентом черноты излучающего тела(ε) и длиной волны электромагнитного излучения;

– кондуктивно-конвективные потери.

Исходя из этого, в процессах горения различают 3 основных вида температур:

– калориметрическую;

– теоретическую (расчётную);

– фактическую.

Калориметрическая температура достигается в том случае, когда всё тепло, выделившееся в процессе горения, расходуется на нагрев продуктов горения, например, при горении бензола – 2533 К, бензина – 2315К, водорода – 2503 К, природного газа – 2293 К.

Теоретическая (расчётная) температура определяется с учётом потерь тепла на диссоциацию продуктов горения. Значительная диссоциация продуктов горения углеводородных горючих веществ начинается при температуре > 2000 К. Такие высокие температуры при пожарах в производственных условиях практически не встречаются, поэтому потери тепла на диссоциацию в этих случаях, как правило, не учитываются.

Фактическая температура горения определяется с учётом потерь тепла в окружающую среду и практически для всех горючих веществ составляет ~ 1300 – 1700 К.