Теория горения и взрыва

Вопрос1..ВОСПЛАМЕНЕНИЕ. Адиабатические химические превращения

Воспламенение-это процесс, который  происходит при известных условиях самопроизвольно, путем резкого перехода от медленной, почти незаметной реакции к быстрому реагированию, воспринимаемому как вспышка или взрыв и характеризуемому появлением пламени. В реагирующей системе в момент воспламенения создаются такие условия, при которых возможно прогрессивное ускорение хода химических реакций.

< 0.- любая обычная изотермическая реакция является всегда реакцией не ускоряющейся и, следовательно, невзрывной.

Новые важные свойства реакций возникают в случае, когда в силу экзотермичности превращения и малого теплоотвода температура в системе прогрессивно возрастает по мере хода реакции, поскольку при расходовании вещества происходит соответствующее выделение тепла. Последнее частично теряется в окружающем пространстве, в частично идет на разогрев системы. Скорость изотермической реакция изменяется со временем и максимальна в начале процесса. Быстрый рост скорости реакции под действием возраставшей температуры, т.е. >0, в дальнейшем с некоторого момента, когда содержание реагирующего вещества уменьшается, реакция начинает замедляться, и скорость ее стремится к нулю. В этой части процесса <0. Граница перехода от взрывного процесса к невзрывному определяется, очевидно, условием = 0. Используя это условие, можно получить для адиабатических реакций общее соотношение для определения границ взрывного (самоускоряющегося) протекания адиабатических химических реакций. Физическое значение в том, что увеличение скорости адиабатической реакции  за счет повышения температуры должно соответствующим образом компенсировать неизбежное уменьшение скорости реакции за счет уменьшения концентрации реагирующих веществ. В обычных условиях воспламенения, когда начальная температура невелика и концентрации реагирующих веществ имеют максимальные значения, адиабатическая реакция всегда имеет взрывной характер.

 

 

  Вопрос 2. Два типа воспламенения

Для того чтобы началось горение,  необходимо создать определенные начальные условия в системе - воспламенить или зажечь смесь. Опыт указывает на возможность двоякого способа воспламенения.

Первый способ заключается в  том, что смесь вся целиком доводится до такой температуры, выше которой она самостоятельно, без внешнего воздействия, воспламеняется.    

Второй способ состоит в том, что холодная смесь зажигается только в какой-либо одной точке пространства посредством какого-либо высокотемпературного источника (обычно это искра, накаленное тело, постороннее пламя) и  дальнейшее воспламенение объема газа происходит затем без внешнего вмешательства, самопроизвольно.

Соответственно этим двум способам воспламенения говорят о самовоспламенении и о вынужденном воспламенении, зажигании. Характеристики обоих процессов различны, но в основе предполагается действие одного общего фактора – теплового.

При рассмотрении вопроса о воспламенении возможны два подхода:

•    Стационарный - определяются условия (критические), при которых стационарное течение процесса становится невозможным - происходит переход от плавного развития реакции в взрывному.
• Нестационарный - исследуется зависимость химической реакция и изменения температуры от времени и определяется индукционный период.

 

 

 

 

Вопрос 3.  Стационарная теория теплового воспламенения

В теории Д.А. Франк - Каменецкого рассматривается стационарное в тепловом отношении состояние системы (теплоотвод равен теплоприходу) и ищутся условия, при котором оно невозможно.

Д.А. Франк - Каменецкий предложил следующее решение задачи.  Пусть все тепло, выделявшееся за счет химической реакции, теряется через стенки при помощи кондукции. Теплопроводность стенок принимается бесконечно большой, температура стенок поддерживается постоянной. Предполагается, что за время установления стационарного равновесия изменение начальной концентрации реагирующих веществ невелико, поэтому диффузией компонентов пренебрегают.

 

 

 

Вопрос 4. Нестационарная теория теплового взрыва

Эта теория была разработана Н.Н. Семеновым в 1940 г.

Существенным в теории Н.Н. Семенова является то, что к анализу нестационарного процесса применен стационарный подход, а именно: условия взрыва формулируется как условие исчезновения стационарного режима (невозможность протекания медленной реакции с тепловыделением, уравновешенным теплообменом). Численные расчеты с высокой точностью подтверждают исходные предпосылки и выводы теории Н.Н. Семенова:

- предвзрывной разогрев равен (в пределах порядка) характеристическому интервалу  ;

- выгорание смеси за  период индукции мало, и им  можно пренебречь: <<1.

 

Соотношением Н.Н. Семенова, устанавливает связь между   Рк и То  на границе, В системе координат   Рк   и То  эта зависимость дает кривую, ограничивающую область взрыва Аналогичные зависимости можно установить между составом смеси и температурой при постоянном - давлении, а также между критическим давлением и составом смеси при постоянном значении Т1   (практически ~ТО ).

 

 

 

Вопрос 5. Тепловой взрыв в динамических условиях

Рассмотренные случаи соответствуют постоянству температуры стенки, равной начальной температуре смеси Тс = То=const. В работах А.Г. Мержанова с сотрудниками развита теория теплового взрыва в условиях линейного изменения To (нагрев и охлаждение), основанная на решении системы уравнений дополненных законом изменения температуры окружающей среды.  При нагреве (при To<<T*, где  Т* - критическая температура теплового взрыва в статических условиях) система ведет себя сначала как инертное вещество, и температура в ней стационарно запаздывает по сравнению с Тс. В дальнейшем начинает проявляться тепловыделение от реакции, и запаздывание исчезает, а температура в системе обгоняет температуру в окружающей среде. Для реакции нулевого порядка тепловой взрыв неизбежен, В реальных системах из-за выгорания вещества существует критическое значение скорости нагрева (при ) реакция протекает спокойно с небольшим перегревом, при  реакция завершается тепловым взрывом). Вблизи существует область квазистационарного протекания химической реакции, характеризующиеся большими глубинами предвзрывного превращения вещества к вырождением самого теплового взрыва. В динамических режимах вместо То    удобно использовать критическую температуру Т*. Основным параметром динамической задачи является отношение характерных времен изменения температуры и химической реакции U , представляет собой по существу динамический аналог критериев Н.Н. Семенова и Д.А. Франк - Каменецкого.

 

 

 

 Вопрос 6. Вынужденное воспламенение

Вынужденные  воспламенение (зажигание) - это случаи воспламенения, когда основная  масса горючей среды остается холодной, а нагревание производится только в одном небольшом по объему участке среды, газа в частности. Это может быть осуществлено разнообразными способами: введением в среду накаленного тела, небольшим пламенем, электрической искрой того или иного тала и так далее. С точки зрения физической сущности процесса вынужденного зажигания, нет принципиальных отличий от процесса самовоспламенения, поскольку условия самоускорения реакций в данном случае также существенны, но их действие пространственно ограничивается лишь частью объема горючей смеси. С точки зрения расчета, явление это более сложно, чем самовоспламенение. Критерием зажигания является факт распространения пламени от местного источника воспламенения на весь объем среды. Факторы, определяющие критические условия в случае зажигания, должны быть связаны, с одной стороны, со свойствами источника зажигания и, с другой- с условиями распространения горения, распространения пламени.

ТЕМПЕРАТУРА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

наименьшая темп-pa, при к-рой происходит воспламенение топлива

 

 

 

 

Вопрос 7.  Тепловая теория зажигания

Первая постановка задачи о зажигании принадлежит Я.Б. Зельдовичу, который обобщил в 1939 г. стационарную теорию {валового взрыва на случай плоскопараллельного сосуда с различными температурами стенок и нашел критическое условие воспламенения в такой системе. Переход к зажиганию определяется моментом, когда градиент (а соответственно, dQ/dz ) около стенки становится >  0. При больших значениях , когда выделившееся тепло успевает отводиться в холодные слои газа, существует два решения: одно устойчивое с отрицательной производной и одно неустойчивое с положительной производной. При малых  решения нет. Следовательно, должно быть критическое значение теплоотвода, при котором решение задачи существует. Это наименьшее значение дается условием касания интегральной кривой с огибающей на бесконечности (при ). Решение стационарного уравнения не позволяет непосредственно рассчитать основную характеристику процесса - время задержки зажигания. Полученные Я.Б. Зельдовичем результаты имели большое значение для дальнейшего развития теории. В ней, в частности, были обоснованы важнейшие отличительные особенности процесса зажигания:

• рассмотрение модели полубесконечного  пространства;
• пренебрежение скоростью тепловыделения за счет химической реакции при начальной температуре вещества   То   (по сравнению со скоростью тепловыделения при температура зажигания Тс    ).

 

 

 

 

Вопрос 8. Процесс горения.

Горение- физико-химический процесс, для которого характерны три признака: химическое превращение, выделение тепла, излучение света. По этим признакам горение можно отличить от других явлений.

 Горючая система – горючее + окислитель => продукты сгорания + тепло.

Горение процесс сложный и состоит из нескольких стадий. Первой стадией горения является воспламенение. Горение  сложный химический процесс. Он состоит из элементарных химических реакций окислительно-восстановительного типа, приводящих к перераспределению валентных электронов между атомами взаимодействующих молекул. Окислителями могут быть самые различные вещества: хлор, бром, сера, кислород, кислородсодержащие вещества и т. п.  Чаще всего приходится иметь дело с горением в атмосфере воздуха, при этом окислителем является кислород. Воздух представляет собой смесь газов, основными компонентами которой являются азот (78%), кислород (21%) и аргон (0,9%). Аргон, содержащийся в воздухе, является инертным газом и в процессе горения участия не принимает. Азот в процессе горения органических веществ    также практически участия не принимает. Для многих расчетов необходимо составлять уравнения реакций горения веществ в воздухе. При составлении этих уравнений: горючее вещество и участвующий в горении воздух пишут в левой части, после знака равенства пишут образующиеся продукты реакции. Для простоты расчетов принимают, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79% азота, т. е. на один объем кислорода в воздухе приходится 79/21 = 3,76 объема азота, или на каждую молекулу кислорода приходится 3,76 молекулы азота. Таким образом, состав воздуха может быть представлен так: О2+З,76 N2. Углерод горючего всегда при полном сгорании превращается в диоксид углерода

(СО2), водород — в воду (Н2О). Так как в данном горючем веществе нет других

элементов, то в продуктах сгорания будет диоксид углерода и вода. Азот воздуха (3,76 N2) в процессе горения участия не принимает, он целиком перейдет в продукты сгорания.

Написав левую и правую части, необходимо найти коэффициенты перед формулами. Известно, что суммарная масса веществ, вступивших в реакцию, должна быть равна массе всех веществ, получившихся в результате реакции.. Сначала уравнивают число атомов углерода, затем водорода, потом кислорода. Множитель перед коэффициентом (3,76), поставленный у молекулы азота, всегда будет равен коэффициенту перед кислородом.

Учитывая, что расчет ведут обычно на 1 моль или 1 м3 горючего вещества, в уравнении реакции коэффициент перед горючим веществом не ставят

Если в состав горючего вещества, кроме углерода и водорода, входит азот, то он выделяется при горении в свободном виде N2.Если в состав горючего вещества входит хлор, то он при горении обычно выделяется в виде хлористого водорода.

Сера, входящая в состав горючего вещества, выделяется в виде SO2.

Содержащийся в горючем веществе кислород выделяется в виде соединений с другими элементами горючего, например СО2 или Н2О, в свободном виде он не выделяется. При горении веществ, богатых кислородом, как правило, требуется меньше воздуха. Сгорание веществ может происходить также за счет кислорода, находящегося в составе других веществ, способных его легко отдавать. Такими веществами являются азотная кислота HNO3, бертолетова соль КСЮ3, селитра KNO3, NaNO3, NH4NO3, перманганат калия КМпО4, пероксид бария ВаО2 и др. Смеси перечисленных выше окислителей с горючими веществами взаимодействуют с большой скоростью, часто со взрывом.

Условия возникновения горения: наличие горючего вещества, окислителя (кислорода) и источника зажигания. Горючее вещество и окислитель должны быть нагреты до определенной температуры источником тепла (источником зажигания): пламенем, искрой, накаленным телом или теплом, выделяемым при какой-либо химической реакции или механической работе. В установившемся процессе горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т. е. область, где происходит реакция, выделяется тепло и свет. Для возникновения и протекания процесса горения горючее вещество и окислитель должны находиться в определенном количественном соотношении.

Сгорание веществ может быть полным и неполным. При полном сгорании образуются продукты, не способные к дальнейшему горению (СО2, Н2О, НС1); при неполном — получающиеся продукты способны к дальнейшему горению (СО, H2S, HCN, NH3, альдегиды и т. д.). В условиях пожара при горении органических веществ на воздухе чаще всего полного сгорания не происходит. Признаком неполного сгорания является наличие дыма, содержащего несгоревшие частицы углерода. В основе горения лежит химическое взаимодействие между горючим веществом и окислителем.

Современная теория окисления — восстановления основана на следующих положениях. Сущность окисления состоит в отдаче окисляющимся веществом (восстановителем) валентных электронов окислителю, который, принимая электроны, восстанавливается. Сущность восстановления состоит в присоединении восстанавливающимся веществом (окислителем) электронов восстановителя, который, отдавая электроны, окисляется. В результате передачи электронов изменяется структура внешнего (валентного) электронного уровня атома. Каждый атом при этом переходит в наиболее устойчивое в данных условиях состояние.

В химических процессах электроны могут полностью переходить из электронной оболочки атомов одного вида в оболочку атомов другого вида.  Во всех случаях атомы стремятся приобрести устойчивые внешние электронные структуры.