Apakah proses yang dipanggil pembakaran heterogen. Jenis dan cara pembakaran
Fenomena fizikal yang disenaraikan dalam bahagian sebelumnya diperhatikan dalam pelbagai jenis proses yang berbeza dari segi sifat tindak balas kimia dan dalam keadaan pengagregatan bahan yang terlibat dalam pembakaran.
Terdapat pembakaran homogen, heterogen dan resapan.
Bab 1 konsep teori pembakaran
Pembakaran homogen termasuk gas pracampuran*. Banyak contoh pembakaran homogen ialah proses pembakaran gas atau wap di mana pengoksidanya adalah oksigen atmosfera: pembakaran campuran hidrogen, campuran karbon monoksida dan hidrokarbon dengan udara. Dalam kes praktikal yang penting, keadaan pencampuran awal yang lengkap tidak selalu dipenuhi. Oleh itu, kombinasi pembakaran homogen dengan jenis pembakaran lain sentiasa mungkin.
Pembakaran homogen boleh dilaksanakan dalam dua mod: laminar dan turbulen. Pergolakan mempercepatkan proses pembakaran disebabkan oleh pemecahan depan nyalaan kepada serpihan yang berasingan dan, oleh itu, peningkatan dalam kawasan sentuhan bahan tindak balas dengan pergolakan berskala besar atau pecutan proses pemindahan haba dan jisim di hadapan nyalaan dengan kecil. -pergolakan skala. Pembakaran gelora dicirikan oleh persamaan diri: pusaran gelora meningkatkan kadar pembakaran, yang membawa kepada peningkatan pergolakan.
Semua parameter pembakaran homogen juga ditunjukkan dalam proses di mana agen pengoksidaan bukan oksigen, tetapi gas lain. Contohnya, fluorin, klorin atau bromin.
Semasa kebakaran, proses pembakaran resapan adalah yang paling biasa. Di dalamnya, semua bahan tindak balas berada dalam fasa gas, tetapi tidak bercampur secara awal. Dalam kes pembakaran cecair dan pepejal, proses pengoksidaan bahan api dalam fasa gas berlaku serentak dengan proses penyejatan cecair (atau penguraian bahan pepejal) dan dengan proses pencampuran.
Contoh paling mudah bagi pembakaran resapan ialah pembakaran gas asli dalam penunu gas. Pada kebakaran, mod pembakaran resapan bergelora direalisasikan, apabila kadar pembakaran ditentukan oleh kadar percampuran bergelora.
Perbezaan dibuat antara pencampuran makro dan pencampuran mikro. Proses pencampuran bergelora termasuk penghancuran berturut-turut gas ke dalam jumlah yang lebih kecil dan lebih kecil dan mencampurkannya bersama-sama. Pada peringkat terakhir, percampuran molekul terakhir berlaku melalui resapan molekul, kadarnya meningkat apabila skala pemecahan berkurangan. Setelah selesai pengadunan makro
* Pembakaran sedemikian sering dipanggil kinetik.
Korolchenko DAN SAYA. proses pembakaran dan letupan
Kadar pembakaran ditentukan oleh proses pencampuran mikro dalam jumlah kecil bahan api dan udara.
Pembakaran heterogen berlaku pada antara muka. Dalam kes ini, salah satu bahan bertindak balas berada dalam keadaan terkondensasi, yang lain (biasanya oksigen atmosfera) masuk kerana resapan fasa gas. Prasyarat untuk pembakaran heterogen ialah takat didih (atau penguraian) yang sangat tinggi bagi fasa terkondensasi. Jika syarat ini tidak dipenuhi, pembakaran didahului oleh penyejatan atau penguraian. Dari permukaan, aliran wap atau produk penguraian gas memasuki zon pembakaran, dan pembakaran berlaku dalam fasa gas. Pembakaran sedemikian boleh dikaitkan dengan resapan kuasi-heterogen, tetapi tidak sepenuhnya heterogen, kerana proses pembakaran tidak lagi berlaku pada sempadan fasa. Pembangunan pembakaran sedemikian dilakukan kerana aliran haba dari nyalaan ke permukaan bahan, yang memastikan penyejatan atau penguraian selanjutnya dan aliran bahan api ke dalam zon pembakaran. Dalam situasi sedemikian, kes bercampur timbul apabila tindak balas pembakaran sebahagiannya diteruskan secara heterogen - pada permukaan fasa terkondensasi, sebahagiannya homogen - dalam isipadu campuran gas.
Contoh pembakaran heterogen ialah pembakaran arang batu dan arang. Semasa pembakaran bahan-bahan ini, dua jenis tindak balas berlaku. Sesetengah gred arang batu mengeluarkan komponen yang tidak menentu apabila dipanaskan. Pembakaran arang tersebut didahului oleh penguraian terma separa dengan pembebasan hidrokarbon gas dan hidrogen, yang terbakar dalam fasa gas. Di samping itu, apabila karbon tulen dibakar, karbon monoksida CO boleh terbentuk, yang terbakar secara pukal. Dengan lebihan udara yang mencukupi dan suhu tinggi permukaan arang batu, tindak balas pukal berjalan begitu hampir dengan permukaan sehingga, dalam anggaran tertentu, ia memberikan alasan untuk menganggap proses sedemikian sebagai heterogen.
Contoh pembakaran yang benar-benar heterogen ialah pembakaran logam tidak meruap refraktori. Proses-proses ini boleh menjadi rumit dengan pembentukan oksida yang menutupi permukaan yang terbakar dan menghalang sentuhan dengan oksigen. Dengan perbezaan yang besar dalam sifat fizikokimia antara logam dan oksidanya, filem oksida retak semasa pembakaran, dan akses oksigen ke zon pembakaran dipastikan.
Bab 1. Konsep asas teori pembakaran
Topik 4. JENIS-JENIS PEMBAKARAN.
Mengikut pelbagai tanda dan ciri, proses pembakaran boleh dibahagikan kepada jenis berikut:
Mengikut keadaan pengagregatan bahan mudah terbakar:
Gas terbakar;
Pembakaran cecair dan pepejal lebur;
Pembakaran bahan pepejal seperti habuk dan padat yang tidak boleh digunakan.
Mengikut komposisi fasa komponen:
pembakaran homogen;
pembakaran heterogen;
Membakar bahan letupan.
Mengikut kesediaan campuran mudah terbakar:
Pembakaran resapan (api);
Pembakaran kinetik (letupan).
Mengikut dinamik bahagian depan nyalaan:
Pegun;
Tidak pegun.
Mengikut sifat pergerakan gas:
laminar;
Bergelora.
Mengikut tahap pembakaran bahan mudah terbakar:
tak lengkap.
Mengikut kelajuan perambatan api:
Biasa;
deflagrasi;
Letupan.
Mari kita lihat lebih dekat jenis ini.
4.1. Pembakaran bahan gas, cecair dan pepejal.
Bergantung kepada keadaan pengagregatan bahan mudah terbakar, pembakaran gas, cecair, pepejal berdebu dan padat dibezakan.
Menurut GOST 12.1.044-89:
1. Gas ialah bahan yang suhu kritikalnya kurang daripada 50 ° C. T cr ialah suhu pemanasan minimum 1 mol bahan dalam bekas tertutup, di mana ia sepenuhnya bertukar menjadi wap (lihat § 2.3).
2. Cecair ialah bahan dengan takat lebur (titik jatuh) kurang daripada 50 ° C (lihat § 2.5).
3. Pepejal ialah bahan dengan takat lebur (drop-fall) lebih daripada 50 0 C.
4. Habuk ialah pepejal zarah dengan saiz zarah kurang daripada 0.85 mm.
Zon di mana tindak balas kimia berlaku dalam campuran mudah terbakar, i.e. pembakaran dipanggil depan nyalaan.
Pertimbangkan proses pembakaran di udara pada contoh.
Pembakaran gas dalam penunu gas. Terdapat 3 zon nyalaan (Rajah 12.):
nasi. 12. Skim pembakaran gas: 1 - kon lutsinar - ini ialah gas awal yang dipanaskan (kepada suhu penyalaan sendiri); 2 – zon bercahaya depan nyalaan; 3 - produk pembakaran (ia hampir tidak kelihatan semasa pembakaran lengkap gas dan, terutamanya semasa pembakaran hidrogen, apabila jelaga tidak terbentuk).
Lebar hadapan nyalaan dalam campuran gas ialah berpuluh-puluh pecahan milimeter.
Pembakaran cecair dalam bekas terbuka. Apabila membakar dalam bekas terbuka, terdapat 4 zon (Rajah 13):
nasi. 13. Pembakaran cecair: 1 - cecair; 2 - wap cecair (kawasan gelap); 3 - depan api; 4 - hasil pembakaran (asap).
Lebar depan nyalaan dalam kes ini lebih besar; tindak balas berjalan dengan lebih perlahan.
Pembakaran pepejal lebur. Pertimbangkan untuk membakar lilin. Dalam kes ini, 6 zon diperhatikan (Rajah 14):
nasi. 14. Pembakaran lilin: 1 - lilin keras; 2 - lilin cair (cecair); 3 - lapisan wap lutsinar gelap; 4 - depan api; 5 - produk pembakaran (asap); 6 - sumbu.
Sumbu yang terbakar berfungsi untuk menstabilkan pembakaran. Cecair diserap ke dalamnya, naik bersamanya, menguap dan terbakar. Lebar depan nyalaan meningkat, yang meningkatkan kawasan kecerahan, kerana hidrokarbon yang lebih kompleks digunakan, yang, menguap, mengurai, dan kemudian bertindak balas.
Pembakaran pepejal tidak boleh habis. Kami akan mempertimbangkan jenis pembakaran ini menggunakan contoh membakar mancis dan rokok (Rajah 15 dan 16).
Terdapat juga 5 plot di sini:
nasi. 15. Membakar mancis: 1 - kayu segar; 2 - kayu hangus; 3 - gas (bahan meruap bergas atau tersejat) - ini adalah zon lutsinar gelap; 4 - depan api; 5 - produk pembakaran (asap).
Dapat dilihat kawasan mancis yang terbakar jauh lebih nipis dan mempunyai warna hitam. Ini bermakna sebahagian daripada perlawanan itu hangus, i.e. bahagian yang tidak menentu kekal, dan bahagian yang tidak menentu tersejat dan terbakar. Kadar pembakaran arang batu jauh lebih perlahan daripada gas, jadi ia tidak mempunyai masa untuk terbakar sepenuhnya.
Rajah 16. Pembakaran rokok: 1 - campuran tembakau awal; 2 - kawasan yang membara tanpa bahagian depan nyalaan; 3 - asap, i.e. produk zarah terbakar; 4 - asap disedut ke dalam paru-paru, yang kebanyakannya adalah produk tergas; 5 - resin pekat pada penapis.
Penguraian haba-oksidatif tanpa api bagi sesuatu bahan dipanggil membara. Ia berlaku apabila terdapat resapan oksigen yang tidak mencukupi ke dalam zon pembakaran dan boleh berlaku walaupun dengan jumlah yang sangat kecil (1-2%). Asapnya berwarna biru, bukan hitam. Ini bermakna ia mengandungi lebih banyak bahan tergas, bukannya terbakar.
Permukaan abu hampir putih. Ini bermakna dengan bekalan oksigen yang mencukupi, pembakaran lengkap berlaku. Tetapi di dalam dan di sempadan lapisan terbakar dengan yang segar terdapat bahan hitam. Ini menunjukkan pembakaran tidak lengkap zarah hangus. Ngomong-ngomong, wap bahan resin meruap terpeluwap pada penapis.
Jenis pembakaran yang serupa diperhatikan semasa pembakaran kok, i.e. arang batu, yang daripadanya bahan meruap (gas, resin) telah dikeluarkan, atau grafit.
Oleh itu, proses pembakaran gas, cecair dan kebanyakan pepejal berlaku dalam bentuk gas dan disertai dengan nyalaan. Sesetengah pepejal, termasuk yang mempunyai kecenderungan untuk pembakaran spontan, terbakar dalam bentuk membara di permukaan dan di dalam bahan.
Pembakaran bahan berdebu. Pembakaran lapisan habuk berlaku dengan cara yang sama seperti dalam keadaan padat, hanya kadar pembakaran meningkat disebabkan oleh peningkatan permukaan sentuhan dengan udara.
Pembakaran bahan seperti habuk dalam bentuk ampaian aero (awan habuk) boleh diteruskan dalam bentuk percikan api, i.e. pembakaran zarah individu, dalam kes kandungan rendah bahan meruap yang tidak mampu membentuk jumlah gas yang mencukupi semasa penyejatan untuk satu bahagian depan nyalaan.
Jika jumlah bahan meruap bergas yang mencukupi terbentuk, maka pembakaran nyalaan berlaku.
Membakar bahan letupan. Jenis ini termasuk pembakaran bahan letupan dan serbuk mesiu, yang dipanggil bahan terkondensasi, di mana bahan api dan pengoksida sudah terikat secara kimia atau mekanikal. Contohnya: dalam trinitrotoluene (TNT) C 7 H 5 O 6 N 3 × C 7 H 5 × 3NO 2, O 2 dan NO 2 berfungsi sebagai agen pengoksidaan; dalam komposisi serbuk mesiu - sulfur, saltpeter, arang batu; sebagai sebahagian daripada bahan letupan buatan sendiri, serbuk aluminium dan ammonium nitrat, pengikat - minyak solar.
4.2. Pembakaran homogen dan heterogen.
Berdasarkan contoh yang dipertimbangkan, bergantung kepada keadaan pengagregatan campuran bahan api dan pengoksida, i.e. daripada bilangan fasa dalam campuran, mereka membezakan:
1. Pembakaran homogen gas dan wap bahan mudah terbakar dalam persekitaran pengoksida gas. Oleh itu, tindak balas pembakaran berlaku dalam sistem yang terdiri daripada satu fasa (keadaan agregat).
2. Pembakaran heterogen bahan pepejal mudah terbakar dalam persekitaran pengoksida gas. Dalam kes ini, tindak balas diteruskan pada antara muka, manakala tindak balas homogen diteruskan sepanjang isipadu.
Ini adalah pembakaran logam, grafit, i.e. bahan yang boleh dikatakan tidak meruap. Banyak tindak balas gas adalah bersifat homogen-heterogen, apabila kemungkinan tindak balas homogen berlaku adalah disebabkan oleh asal-usul tindak balas heterogen secara serentak.
Pembakaran semua cecair dan banyak bahan pepejal, dari mana wap atau gas (bahan meruap) dibebaskan, berlangsung dalam fasa gas. Fasa pepejal dan cecair memainkan peranan takungan untuk hasil tindak balas.
Sebagai contoh, tindak balas heterogen pembakaran arang batu secara spontan melalui fasa homogen pembakaran bahan meruap. Sisa kok terbakar secara heterogen.
4.3. Resapan dan pembakaran kinetik.
Mengikut tahap penyediaan campuran mudah terbakar, resapan dan pembakaran kinetik dibezakan.
Jenis pembakaran yang dipertimbangkan (kecuali bahan letupan) ialah pembakaran meresap. Api, i.e. zon pembakaran campuran bahan api dengan udara, untuk memastikan kestabilan, mesti sentiasa disuap dengan bahan api dan oksigen di udara. Aliran gas mudah terbakar hanya bergantung pada kadar bekalannya ke zon pembakaran. Kadar kemasukan cecair mudah terbakar bergantung kepada keamatan penyejatannya, i.e. pada tekanan wap di atas permukaan cecair, dan, akibatnya, pada suhu cecair. Suhu penyalaan dipanggil suhu terendah cecair di mana nyalaan di atas permukaannya tidak padam.
Pembakaran pepejal berbeza daripada pembakaran gas dengan kehadiran peringkat penguraian dan pengegasan, diikuti dengan penyalaan produk pirolisis yang meruap.
Pirolisis- ini adalah pemanasan bahan organik ke suhu tinggi tanpa akses udara. Dalam kes ini, penguraian, atau pemisahan, sebatian kompleks kepada yang lebih mudah berlaku (coking arang batu, keretakan minyak, penyulingan kering kayu). Oleh itu, pembakaran bahan mudah terbakar pepejal ke dalam produk pembakaran tidak tertumpu hanya di zon nyalaan, tetapi mempunyai ciri berbilang peringkat.
Pemanasan fasa pepejal menyebabkan penguraian dan evolusi gas yang menyala dan terbakar. Haba daripada obor memanaskan fasa pepejal, menyebabkan pengegasan dan proses itu berulang, sekali gus menyokong pembakaran.
Model pembakaran pepejal menganggap kehadiran fasa berikut (Rajah 17):
nasi. 17. Model pembakaran
padu.
Pemanasan fasa pepejal. Untuk bahan lebur, lebur berlaku di zon ini. Ketebalan zon bergantung pada suhu kekonduksian bahan;
Pirolisis, atau zon tindak balas dalam fasa pepejal, di mana bahan mudah terbakar gas terbentuk;
Pra-nyalaan dalam fasa gas, di mana campuran dengan agen pengoksida terbentuk;
Nyalaan, atau zon tindak balas dalam fasa gas, di mana penukaran produk pirolisis kepada produk pembakaran gas;
produk pembakaran.
Kadar bekalan oksigen ke zon pembakaran bergantung kepada resapannya melalui produk pembakaran.
Secara amnya, kerana kadar tindak balas kimia dalam zon pembakaran dalam jenis pembakaran yang dipertimbangkan bergantung pada kadar ketibaan komponen yang bertindak balas dan permukaan nyalaan oleh resapan molekul atau kinetik, jenis pembakaran ini dipanggil. penyebaran.
Struktur nyalaan pembakaran resapan terdiri daripada tiga zon (Rajah 18):
Zon 1 mengandungi gas atau wap. Tiada pembakaran di zon ini. Suhu tidak melebihi 500 0 C. Penguraian, pirolisis meruap dan pemanasan kepada suhu penyalaan sendiri berlaku.
nasi. 18. Struktur nyalaan.
Dalam zon 2, campuran wap (gas) dengan oksigen atmosfera terbentuk dan pembakaran tidak lengkap berlaku kepada CO dengan pengurangan separa kepada karbon (oksigen kecil):
C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;
Di zon luar ke-3, produk zon kedua dibakar sepenuhnya dan suhu nyalaan maksimum diperhatikan:
2CO+O 2 \u003d 2CO 2;
Ketinggian nyalaan adalah berkadar dengan pekali resapan dan kadar aliran gas dan berkadar songsang dengan ketumpatan gas.
Semua jenis pembakaran resapan adalah wujud dalam kebakaran.
Kinetik pembakaran ialah pembakaran pra-campuran gas mudah terbakar, wap atau habuk dengan agen pengoksida. Dalam kes ini, kadar pembakaran hanya bergantung pada sifat fizikokimia campuran mudah terbakar (konduksi terma, kapasiti haba, pergolakan, kepekatan bahan, tekanan, dll.). Oleh itu, kadar pembakaran meningkat secara mendadak. Pembakaran jenis ini wujud dalam letupan.
Dalam kes ini, apabila campuran mudah terbakar dinyalakan pada satu ketika, bahagian depan nyalaan bergerak dari hasil pembakaran ke dalam campuran segar. Oleh itu, nyalaan semasa pembakaran kinetik selalunya tidak stabil (Rajah 19).
nasi. 19. Skim penyebaran nyalaan dalam campuran mudah terbakar: - sumber pencucuhan; - arah pergerakan bahagian hadapan nyalaan.
Walaupun, jika gas mudah terbakar bercampur dengan udara dan dimasukkan ke dalam penunu, maka nyalaan pegun terbentuk semasa penyalaan, dengan syarat kadar bekalan campuran adalah sama dengan kelajuan perambatan nyalaan.
Jika kadar bekalan gas meningkat, nyalaan akan terputus dari penunu dan mungkin padam. Dan jika kelajuan dikurangkan, maka nyalaan akan ditarik ke bahagian dalam penunu dengan kemungkinan letupan.
Mengikut tahap pembakaran, iaitu kesempurnaan tindak balas pembakaran kepada produk akhir, pembakaran berlaku lengkap dan tidak lengkap.
Jadi dalam zon 2 (Rajah 18) pembakaran tidak lengkap, kerana oksigen tidak mencukupi dibekalkan, yang sebahagiannya digunakan dalam zon 3, dan produk perantaraan terbentuk. Yang terakhir terbakar di zon 3, di mana terdapat lebih banyak oksigen, sehingga pembakaran lengkap. Kehadiran jelaga dalam asap menunjukkan pembakaran yang tidak lengkap.
Contoh lain: apabila kekurangan oksigen, karbon terbakar menjadi karbon monoksida:
Jika anda menambah O, maka tindak balas akan berakhir:
2CO + O 2 \u003d 2CO 2.
Kadar pembakaran bergantung kepada sifat pergerakan gas. Oleh itu, pembakaran lamina dan turbulen dibezakan.
Jadi, contoh pembakaran lamina ialah nyalaan lilin di udara pegun. Pada pembakaran lamina lapisan gas mengalir selari, tetapi tanpa berpusar.
Pembakaran bergelora- gerakan pusaran gas, di mana gas yang terbakar bercampur secara intensif, dan bahagian depan nyalaan dihanyutkan. Sempadan antara jenis ini ialah kriteria Reynolds, yang mencirikan hubungan antara daya inersia dan daya geseran dalam aliran:
di mana: u- kadar aliran gas;
n- kelikatan kinetik;
l- saiz linear ciri.
Nombor Reynolds di mana peralihan lapisan sempadan laminar kepada lapisan bergelora berlaku dipanggil Re cr kritikal, Re cr ~ 2320.
Turbulensi meningkatkan kadar pembakaran disebabkan oleh pemindahan haba yang lebih sengit daripada hasil pembakaran kepada campuran segar.
4.4. Pembakaran biasa.
Bergantung pada kelajuan perambatan nyalaan semasa pembakaran kinetik, sama ada pembakaran biasa (dalam beberapa m / s), atau deflagrasi letupan (berpuluh-puluh m / s), atau letupan (beribu-ribu m / s) boleh direalisasikan. Jenis pembakaran ini boleh masuk ke dalam satu sama lain.
Pembakaran biasa- ini adalah pembakaran, di mana penyebaran nyalaan berlaku tanpa ketiadaan gangguan luaran (pergolakan atau perubahan dalam tekanan gas). Ia hanya bergantung pada sifat bahan mudah terbakar, i.e. kesan haba, pekali kekonduksian haba dan resapan. Oleh itu, ia adalah pemalar fizikal bagi campuran komposisi tertentu. Dalam kes ini, kelajuan pembakaran biasanya 0.3-3.0 m/s. Pembakaran biasa dinamakan kerana vektor halaju perambatannya berserenjang dengan hadapan nyalaan.
4.5. Deflagration (meletup) pembakaran.
Pembakaran biasa tidak stabil dan cenderung untuk memecut sendiri dalam ruang tertutup. Sebabnya ialah kelengkungan depan nyalaan akibat geseran gas terhadap dinding kapal dan perubahan tekanan dalam campuran.
Pertimbangkan proses perambatan nyalaan dalam paip (Rajah 20).
nasi. 20. Skim berlakunya pembakaran bahan letupan.
Pertama, pada hujung paip terbuka, nyalaan merambat pada kelajuan biasa, kerana produk pembakaran bebas mengembang dan keluar. Tekanan campuran tidak berubah. Tempoh penyebaran seragam nyalaan bergantung pada diameter paip, jenis bahan api dan kepekatannya.
Apabila bahagian depan nyalaan bergerak di dalam paip, produk tindak balas, yang mempunyai isipadu yang lebih besar berbanding dengan campuran awal, tidak mempunyai masa untuk keluar dan tekanannya meningkat. Tekanan ini mula menolak ke semua arah, dan oleh itu, di hadapan depan nyalaan, campuran awal mula bergerak ke arah perambatan nyalaan. Lapisan yang bersebelahan dengan dinding diperlahankan. Nyalaan mempunyai kelajuan tertinggi di tengah paip, dan kelajuan terendah adalah berhampiran dinding (disebabkan oleh penyingkiran haba di dalamnya). Oleh itu, hadapan nyalaan dilanjutkan ke arah perambatan nyalaan, dan permukaannya bertambah. Selaras dengan ini, jumlah campuran mudah terbakar meningkat setiap unit masa, yang memerlukan peningkatan tekanan, dan kemudian, seterusnya, meningkatkan kelajuan pergerakan gas, dsb. Oleh itu, terdapat peningkatan seperti runtuhan salji dalam kelajuan perambatan nyalaan sehingga ratusan meter sesaat.
Proses perambatan nyalaan melalui campuran gas mudah terbakar, di mana tindak balas pembakaran yang memecut sendiri merambat disebabkan oleh pemanasan melalui pengaliran haba daripada lapisan produk tindak balas yang bersebelahan, dipanggil deflagrasi. Biasanya, kadar pembakaran deflagrasi adalah subsonik, i.e. kurang daripada 333 m/s.
4.6. pembakaran letupan.
Jika kita menganggap pembakaran campuran mudah terbakar dalam lapisan, maka sebagai hasil daripada pengembangan terma isipadu produk pembakaran, setiap kali gelombang mampatan berlaku di hadapan depan nyalaan. Setiap gelombang berikutnya, bergerak melalui medium yang lebih tumpat, mengejar yang sebelumnya dan ditumpangkan di atasnya. Secara beransur-ansur, gelombang ini bergabung menjadi satu gelombang kejutan (Rajah 21).
nasi. 21. Skim pembentukan gelombang letupan: R o< Р 1 < Р 2 < Р 3 < Р 4 < Р 5 < Р 6 < Р 7 ; 1-7 – нарастание давления в слоях с 1-го по 7-ой.
Dalam gelombang kejutan, akibat pemampatan adiabatik, ketumpatan gas serta-merta meningkat dan suhu meningkat kepada T 0 penyalaan diri. Akibatnya, campuran mudah terbakar dinyalakan oleh gelombang kejutan dan letupan- perambatan pembakaran dengan penyalaan oleh gelombang kejutan. Gelombang letupan tidak padam, kerana dikuasakan oleh gelombang kejutan daripada api yang bergerak di belakangnya.
Satu ciri letupan ialah ia berlaku pada kelajuan supersonik 1000-9000 m/s, ditentukan untuk setiap komposisi campuran, oleh itu ia adalah pemalar fizikal bagi campuran. Ia bergantung hanya pada nilai kalori campuran mudah terbakar dan kapasiti haba produk pembakaran.
Pertemuan gelombang kejutan dengan halangan membawa kepada pembentukan gelombang kejutan yang dipantulkan dan tekanan yang lebih besar.
Letupan adalah bentuk perambatan api yang paling berbahaya, kerana. mempunyai kuasa letupan maksimum (N=A/t) dan kelajuan yang besar. Dalam amalan, letupan boleh "dineutralkan" hanya dalam bahagian pra-letupan, i.e. pada jarak dari titik penyalaan ke titik pembakaran letupan. Untuk gas, panjang bahagian ini adalah dari 1 hingga 10 m.
Fenomena fizikal yang disenaraikan dalam bahagian sebelumnya diperhatikan dalam pelbagai jenis proses yang berbeza dari segi sifat tindak balas kimia dan dalam keadaan pengagregatan bahan yang terlibat dalam pembakaran.
Terdapat pembakaran homogen, heterogen dan resapan.
Bab 1 konsep teori pembakaran
Pembakaran homogen termasuk gas pracampuran*. Banyak contoh pembakaran homogen ialah proses pembakaran gas atau wap di mana pengoksidanya adalah oksigen atmosfera: pembakaran campuran hidrogen, campuran karbon monoksida dan hidrokarbon dengan udara. Dalam kes praktikal yang penting, keadaan pencampuran awal yang lengkap tidak selalu dipenuhi. Oleh itu, kombinasi pembakaran homogen dengan jenis pembakaran lain sentiasa mungkin.
Pembakaran homogen boleh dilaksanakan dalam dua mod: laminar dan turbulen. Pergolakan mempercepatkan proses pembakaran disebabkan oleh pemecahan depan nyalaan kepada serpihan yang berasingan dan, oleh itu, peningkatan dalam kawasan sentuhan bahan tindak balas dengan pergolakan berskala besar atau pecutan proses pemindahan haba dan jisim di hadapan nyalaan dengan kecil. -pergolakan skala. Pembakaran gelora dicirikan oleh persamaan diri: pusaran gelora meningkatkan kadar pembakaran, yang membawa kepada peningkatan pergolakan.
Semua parameter pembakaran homogen juga ditunjukkan dalam proses di mana agen pengoksidaan bukan oksigen, tetapi gas lain. Contohnya, fluorin, klorin atau bromin.
Semasa kebakaran, proses pembakaran resapan adalah yang paling biasa. Di dalamnya, semua bahan tindak balas berada dalam fasa gas, tetapi tidak bercampur secara awal. Dalam kes pembakaran cecair dan pepejal, proses pengoksidaan bahan api dalam fasa gas berlaku serentak dengan proses penyejatan cecair (atau penguraian bahan pepejal) dan dengan proses pencampuran.
Contoh paling mudah bagi pembakaran resapan ialah pembakaran gas asli dalam penunu gas. Pada kebakaran, mod pembakaran resapan bergelora direalisasikan, apabila kadar pembakaran ditentukan oleh kadar percampuran bergelora.
Perbezaan dibuat antara pencampuran makro dan pencampuran mikro. Proses pencampuran bergelora termasuk penghancuran berturut-turut gas ke dalam jumlah yang lebih kecil dan lebih kecil dan mencampurkannya bersama-sama. Pada peringkat terakhir, percampuran molekul terakhir berlaku melalui resapan molekul, kadarnya meningkat apabila skala pemecahan berkurangan. Setelah selesai pengadunan makro
* Pembakaran sedemikian sering dipanggil kinetik.
Korolchenko DAN SAYA. proses pembakaran dan letupan
kadar pembakaran ditentukan oleh proses pencampuran mikro dalam jumlah kecil bahan api dan udara.
Pembakaran heterogen berlaku pada antara muka. Dalam kes ini, salah satu bahan bertindak balas berada dalam keadaan terkondensasi, yang lain (biasanya oksigen atmosfera) masuk kerana resapan fasa gas. Prasyarat untuk pembakaran heterogen ialah takat didih (atau penguraian) yang sangat tinggi bagi fasa terkondensasi. Jika syarat ini tidak dipenuhi, pembakaran didahului oleh penyejatan atau penguraian. Dari permukaan, aliran wap atau produk penguraian gas memasuki zon pembakaran, dan pembakaran berlaku dalam fasa gas. Pembakaran sedemikian boleh dikaitkan dengan resapan kuasi-heterogen, tetapi tidak sepenuhnya heterogen, kerana proses pembakaran tidak lagi berlaku pada sempadan fasa. Pembangunan pembakaran sedemikian dilakukan kerana aliran haba dari nyalaan ke permukaan bahan, yang memastikan penyejatan atau penguraian selanjutnya dan aliran bahan api ke dalam zon pembakaran. Dalam situasi sedemikian, kes bercampur timbul apabila tindak balas pembakaran sebahagiannya diteruskan secara heterogen - pada permukaan fasa terkondensasi, sebahagiannya homogen - dalam isipadu campuran gas.
Contoh pembakaran heterogen ialah pembakaran arang batu dan arang. Semasa pembakaran bahan-bahan ini, dua jenis tindak balas berlaku. Sesetengah gred arang batu mengeluarkan komponen yang tidak menentu apabila dipanaskan. Pembakaran arang tersebut didahului oleh penguraian terma separa dengan pembebasan hidrokarbon gas dan hidrogen, yang terbakar dalam fasa gas. Di samping itu, apabila karbon tulen dibakar, karbon monoksida CO boleh terbentuk, yang terbakar secara pukal. Dengan lebihan udara yang mencukupi dan suhu tinggi permukaan arang batu, tindak balas pukal berjalan begitu hampir dengan permukaan sehingga, dalam anggaran tertentu, ia memberikan alasan untuk menganggap proses sedemikian sebagai heterogen.
Contoh pembakaran yang benar-benar heterogen ialah pembakaran logam tidak meruap refraktori. Proses-proses ini boleh menjadi rumit dengan pembentukan oksida yang menutupi permukaan yang terbakar dan menghalang sentuhan dengan oksigen. Dengan perbezaan yang besar dalam sifat fizikokimia antara logam dan oksidanya, filem oksida retak semasa pembakaran, dan akses oksigen ke zon pembakaran dipastikan.
1.3. Pembakaran dalam gas yang bergerak
Istilah "kelajuan nyalaan biasa"* digunakan untuk menerangkan proses pembakaran. Ia mencirikan kelajuan depan nyalaan dalam campuran gas pegun. Keadaan ideal seperti itu hanya boleh dibuat dalam eksperimen makmal. Dalam keadaan pembakaran sebenar, nyalaan sentiasa wujud dalam aliran yang bergerak.
Kelakuan nyalaan di bawah keadaan sedemikian tertakluk kepada dua undang-undang yang ditetapkan oleh saintis Rusia V. A. Mikhelson.
Yang pertama daripada mereka menetapkan bahawa komponen halaju aliran gas v sepanjang normal ke hadapan nyalaan yang merambat melalui campuran pegun adalah sama dengan kelajuan normal perambatan nyalaan dan dibahagikan dengan cos
di manakah sudut antara normal dengan permukaan nyalaan dan arah aliran gas.
Nilai v mencirikan jumlah gas yang terbakar setiap unit masa dalam nyalaan serong. Ia adalah kebiasaan untuk memanggilnya kadar pembakaran sebenar dalam aliran. Kelajuan sebenar dalam semua kes adalah sama atau melebihi kelajuan biasa.
Undang-undang ini hanya terpakai untuk api rata. Mengitlaknya kepada nyalaan sebenar dengan kelengkungan hadapan nyalaan memberikan perumusan undang-undang kedua - undang-undang kawasan.
Mari kita andaikan bahawa dalam aliran gas dengan halaju v dan keratan rentas hadapan nyalaan melengkung pegun dengan permukaan sepunya S. Pada setiap titik hadapan nyalaan, nyalaan merambat sepanjang normal ke permukaannya dengan kelajuan Dan. Kemudian isipadu pembakaran campuran mudah terbakar per unit masa ialah:
Selaras dengan keseimbangan gas sumber, isipadu yang sama adalah sama dengan:
* Istilah ini memadai dengan istilah "kadar pembakaran biasa".
Menyamakan bahagian kiri (1.2) dan (1.3) kita dapat:
Dalam rangka rujukan di mana bahagian hadapan nyalaan bergerak melalui campuran gas pegun, hubungan (1.4) bermakna nyalaan merambat secara relatif kepada gas pada kelajuan. v. Formula (1.4) ialah ungkapan matematik bagi undang-undang kawasan, dari mana kesimpulan penting berikut: apabila hadapan nyalaan melengkung, kadar pembakaran meningkat mengikut perkadaran dengan peningkatan permukaannya. Oleh itu, pergerakan gas yang tidak homogen sentiasa meningkatkan pembakaran.
1.4. Pembakaran bergelora
Daripada undang-undang kawasan ia mengikuti bahawa pergolakan meningkatkan kadar pembakaran. Dalam kebakaran, ini dinyatakan dengan intensifikasi kuat proses penyebaran nyalaan.
Membezakan (Gamb. 1.2) dua jenis pembakaran bergelora: pembakaran campuran gas homogen dan pembakaran bergelora mikrodifusi.
nasi. 1.2. Klasifikasi pembakaran bergelora
Apabila campuran homogen terbakar dalam mod pembakaran bergelora, dua kes adalah mungkin: penampilan berskala kecil dan berskala besar
Bab 1. Konsep asas teori pembakaran
pergolakan ibu pejabat. Pembahagian sedemikian dibuat bergantung pada nisbah skala pergolakan dan ketebalan bahagian depan nyalaan. Pada skala pergolakan kurang daripada ketebalan depan nyalaan, ia dirujuk sebagai skala kecil, dan pada skala yang lebih besar - kepada skala besar. Mekanisme tindakan pergolakan berskala kecil adalah disebabkan oleh peningkatan proses pembakaran akibat pecutan proses pemindahan haba dan jisim dalam zon nyalaan. Apabila menerangkan pergolakan berskala kecil dalam formula untuk halaju perambatan nyalaan, pekali resapan dan resapan haba digantikan dengan pekali pertukaran gelora.
Kadar pembakaran tertinggi diperhatikan semasa pergolakan berskala besar. Dalam kes ini, dua mekanisme pecutan pembakaran adalah mungkin: permukaan dan isipadu.
Mekanisme permukaan terdiri daripada kelengkungan hadapan nyalaan oleh denyutan gelora. Dalam kes ini, kadar pembakaran meningkat mengikut perkadaran dengan peningkatan di permukaan hadapan. Walau bagaimanapun, ini adalah benar hanya untuk keadaan di mana transformasi kimia dalam nyalaan selesai lebih cepat daripada masa untuk mencampurkan gelora. Dalam kes ini, apabila percampuran bergelora mengatasi tindak balas kimia, zon tindak balas dibasuh oleh denyutan bergelora. Proses sedemikian diterangkan oleh undang-undang pembakaran turbulen isipadu.
Masa pencampuran bergelora adalah sama dengan nisbah skala
pergolakan kepada kelajuan turun naik Oleh itu, pecutan
nyalaan akibat denyutan gelora berlaku mengikut mekanisme permukaan, jika keadaan berikut dipenuhi:
Korolchenko A.Ya. proses pembakaran dan letupan
di manakah masa tindak balas kimia pada suhu penunu
Jika keadaan (1.5) tidak dipenuhi, maka mekanisme pembakaran turbulen pukal berlaku.
Masa tindak balas kimia boleh dinyatakan dari segi kuantiti makroskopik: kelajuan nyalaan biasa dan ketebalan bahagian hadapan nyalaan.
Kemudian kriteria pecutan permukaan mengambil bentuk:
| (1.8) |
Untuk menganggarkan halaju perambatan nyalaan gelora di bawah pecutan permukaan, K. I. Shchelkin mencadangkan formula berikut:
di mana DALAM - nombor yang berbeza-beza lemah tidak melebihi satu. Dalam had dengan gelora kuat, halaju nyalaan gelora cenderung kepada halaju berdenyut, i.e. DALAM- kepada unit.
1.5. Ciri-ciri bahan letupan yang terbakar
Bahan letupan ialah bahan individu atau campuran daripadanya yang mampu, di bawah pengaruh beberapa pengaruh luar (pemanasan, hentaman, geseran, letupan bahan letupan lain) kepada perubahan kimia yang merambat sendiri dengan cepat dengan pembebasan sejumlah besar haba dan pembentukan daripada gas.
Daripada bahan mudah terbakar biasa, pembakaran yang berlaku apabila berinteraksi dengan oksigen atau pengoksida luaran lain, bahan letupan, berada dalam fasa pekat (pepejal atau cecair), mengandungi semua komponen yang terlibat dalam pembakaran. Bahan letupan boleh menjadi sebatian kimia individu dan campuran mekanikal.
Kebanyakan bahan letupan individu adalah sebatian nitro: trinitrotoluene, tetryl, hexogen, octogen, nitroglycerin.
Bab 1. Konsep asas teori pembakaran
cerine, selulosa nitrat, dsb. Klorat, perklorat, azida, peroksida organik juga mempunyai sifat meletup.
Molekul sebatian nitro organik mengandungi oksigen terikat lemah dalam bentuk kumpulan nitro - Oleh itu, satu molekul mengandungi kedua-dua bahan api dan pengoksida. Pembakaran mereka akibat pengoksidaan intramolekul boleh bermula dengan pengaruh luaran yang kecil.
Sekumpulan besar bahan letupan ialah sebatian endotermik, yang molekulnya tidak mengandungi oksigen. Dalam kes ini, sumber tenaga bukanlah pengoksidaan, tetapi pereputan langsung. Sebatian ini termasuk azida plumbum, perak dan logam lain. Campuran mekanikal termasuk campuran bahan api pepejal dan agen pengoksida pepejal. Contoh campuran tersebut ialah serbuk hitam.
1.6. Termodinamik pembakaran
campuran hidrokarbon-udara
Undang-undang termodinamik memungkinkan untuk mengira parameter yang diperlukan untuk menerangkan proses pembakaran: pekali pengembangan produk pembakaran di bawah keadaan awal untuk nisbah kapasiti haba pada tekanan malar dan isipadu malar, baik untuk campuran segar dan untuk produk pembakaran; tekanan letupan maksimum p e; suhu adiabatik produk pembakaran di bawah keadaan isobaric dan isochoric, komposisi produk pembakaran
Bahagian ini menerangkan algoritma untuk mengira keadaan keseimbangan produk pembakaran C-H-0-N- yang mengandungi bahan mudah terbakar dalam udara dalam julat luas suhu awal, tekanan dan kepekatan, yang dibangunkan oleh prof. V.V. Molkov. Algoritma adalah berdasarkan generalisasi dan sistematisasi kaedah termodinamik dan matematik menggunakan data paling tepat mengenai sifat termodinamik bahan individu.
Untuk meningkatkan kebolehpercayaan keputusan dalam pengiraan, perlu mengambil kira bukan sahaja oksigen dan nitrogen udara, tetapi juga gas lain yang termasuk dalam komposisinya - , H 2 0, C0 2. Peningkatan bilangan komponen hasil pembakaran kepada 19 (H 2, H 2 0, CO 2, N 2, Ag, C-gas, H, O, N, CO, CH 4, HCN, 0 2,
Dan menjalankan pengiraan dengan mengambil kira komposisi
Korolchenko A.Ya. proses pembakaran dan letupan
semangat kelembapan sederhana
Mereka tidak merumitkan pengiraan pada komputer, penggunaannya boleh mengurangkan masa pengiraan dengan ketara sambil meningkatkan ketepatannya berbanding dengan pendekatan anggaran tanpa menggunakan komputer.
Tindak balas keseluruhan untuk pembakaran bahan api dalam udara kelembapan sederhana per mol campuran segar boleh ditulis sebagai
di manakah kepekatan isipadu bahan api dalam campuran segar: -
bilangan karbon, hidrogen, oksigen dan atom nitrogen, masing-masing, dalam molekul bahan api; ialah bilangan tahi lalat komponen ke-i hasil pembakaran;
- ke komponen produk pembakaran.
Jumlah bilangan atom dalam sistem, dikira daripada komposisi campuran segar, ialah
Nisbah bilangan atom karbon, hidrogen, nitrogen, dan argon, masing-masing, kepada bilangan atom oksigen adalah pemalar untuk campuran tertentu dan tidak bergantung pada keadaan termodinamik sistem tertutup:
Bilangan atom oksigen dalam sistem.
Bab 1. Konsep asas teori pembakaran
Untuk proses pembakaran adiabatik di bawah keadaan isobarik, undang-undang pemuliharaan tenaga adalah bersamaan dengan undang-undang pemuliharaan entalpi sistem tertutup.
Hai = Hj,(1.15)
di mana H ialah entalpi, dan indeks dan j nyatakan parameter campuran segar dan hasil pembakaran, masing-masing. Entalpi tahi lalat campuran segar
di mana dan ialah entalpi bahan api dan udara, masing-masing, bila
suhu awal Kebergantungan entalpi bahan api dan udara pada suhu awal dalam julat dari 250 hingga 500 K diberikan oleh polinomial darjah keempat.
di mana(298) ialah entalpi pembentukan bahan pada suhu 298 K;
Entalpi pada suhu T;- pekali berangka,
ditentukan dengan menyelesaikan sistem persamaan linear, contohnya, dengan kaedah penghapusan Gauss-Jordan; T 0 - beberapa nilai suhu malar sewenang-wenangnya.
Entalpi produk pembakaran yang diperoleh dengan membakar tahi lalat campuran segar
di mana jumlah dalam kurungan adalah sama dengan bilangan mol produk semasa pembakaran satu mol campuran segar; - pecahan molar komponen ke-produk pembakaran; - entalpi hasil pembakaran ke-pada suhu
lawatan T.
Nilai entalpi
ditentukan daripada pergantungan tenaga Gibbs yang dikurangkan pada suhu Ф(Т) dalam julat suhu dari 500 hingga 6000 K. Adalah diketahui bahawa
Korolchenko A.Ya. proses pembakaran dan letupan
di mana T e - suhu keseimbangan produk pembakaran dalam bom.
Tekanan letupan campuran gas dalam bom tertutup ditentukan oleh nisbah persamaan keadaan gas ideal untuk hasil pembakaran dan campuran segar.
Untuk mencari komposisi keseimbangan produk pembakaran, adalah perlu untuk menyelesaikan sistem yang merangkumi 5 persamaan algebra linear (persamaan pemuliharaan jisim) dan 14 bukan linear (persamaan keseimbangan kimia).
Untuk proses isobarik, adalah dinasihatkan untuk menulis persamaan pemuliharaan jisim dari segi pecahan mol hasil pembakaran.
Bab 1. Konsep asas teori pembakaran
Korolchenko A.Ya. proses pembakaran dan letupan
(1.34) (1.35) (1.36) (1.37) (1.38) (1.39) (1.40) (1.41) (1.42) (1.43)
di mana R ialah tekanan di mana tindak balas berlaku, atm. Kebergantungan pemalar keseimbangan kimia pada suhu diambil daripada data rujukan untuk tindak balas penceraian
yang manakah pemalar keseimbangan bagi tindak balas penceraian (1.43 a)
pada suhu - tenaga Gibbs yang dikurangkan sepadan dengan
daripada bahan tindak balas - kesan haba tindak balas (1.44)
pada suhu sifar mutlak.
Parameter adiabatik untuk campuran segar dan hasil pembakaran ditentukan menggunakan persamaan Mayer dengan formula
Untuk campuran segar, nilai ditentukan dengan membezakan ungkapan (1.17) untuk entalpi gas campuran awal (bahan api dan udara) berkenaan dengan suhu; untuk hasil pembakaran, dengan ungkapan yang diperoleh hasil daripada persamaan pembezaan. (1.19) berkenaan dengan suhu T.
Apabila mengira proses pembakaran dalam isipadu malar, pemalar keseimbangan, yang untuk gas ideal hanya bergantung pada suhu,
di mana keseimbangan dikira, dan tidak bergantung pada tekanan, adalah dinasihatkan untuk menulisnya bukan dari segi pecahan mol, seperti yang dilakukan semasa mengira pembakaran di bawah keadaan isobarik dalam persamaan (1.30) - (1.43), tetapi dari segi bilangan tahi lalat P,. Kemudian, sebagai contoh, untuk tindak balas (1.31) kita ada
di mana Г ialah suhu di mana pemalar keseimbangan dikira; R, dan Г, ialah nilai awal tekanan dan suhu campuran segar. Apabila pe-
Korolchenko A.Ya. proses pembakaran dan letupan
dalam peralihan daripada pecahan mol kepada bilangan mol dalam proses isochorik dalam persamaan pemuliharaan jisim (15)-(18), adalah perlu untuk menggantikan nilai dengan nilai yang sepadan. Persamaan (19) kemudiannya akan ditulis dalam bentuk
Selepas mendarab kedua-dua bahagian persamaan (1.28) dengan satu boleh mengira jumlah yang diperlukan untuk mengira tekanan letupan campuran gas dalam bom isipadu tetap mengikut persamaan (1.22).
Mari kita huraikan kaedah untuk menyelesaikan sistem persamaan (1.15), (1.23)-(1.43), yang mengandungi 21 kuantiti yang tidak diketahui: 19 pecahan mol hasil pembakaran, jumlah bilangan mol produk semasa pembakaran mol segar campuran dan entalpi hasil pembakaran. Pecahan mol hidrogen, air, karbon dioksida, nitrogen, dan argon dipilih sebagai pembolehubah bebas.
bahagian baki 14 hasil pembakaran dinyatakan dalam sebutan pemalar keseimbangan dan pembolehubah bebas terpilih daripada persamaan (1.29)-(1.43). Seterusnya, kami menulis semula persamaan (1.23)-(1.26) dan (1.28), masing-masing, dalam bentuk
F(A, B, C, D, E) = 0,
G (A, B, C, D, E) = 0,
H(A,B,C,D,.E) = 0, (1.49)
J (A, B, C, D, E) = 0,
I (A, B, C, D, E) = 0.
Setelah membuat linear sistem persamaan (1.49) dengan mengembangkan dalam siri Taylor sehingga sebutan yang mengandungi terbitan pertama, kami memperoleh
di mana, dsb. (indeks 0 menandakan penggunaan
nilai input). Sistem persamaan (1.50) mengandungi lima yang tidak diketahui - yang merupakan penambahan kepada yang asal
Bab 1. Konsep asas teori pembakaran
diketahui - yang merupakan kenaikan kepada yang asal
pecahan mol A, B, C, D, E. Sistem ini boleh diselesaikan dengan pelbagai kaedah, contohnya, dengan mengira dan membahagikan penentu bagi matriks sepadan sistem persamaan (1.50) atau dengan menggunakan kaedah penghapusan Gauss-Jordan.
Pada nilai yang diandaikan suhu keseimbangan produk pembakaran T hitung nilai pemalar keseimbangan.. Kemudian tentukan
adalah berdasarkan nilai awal pembolehubah bebas A, B, C, D, E nilai pecahan mol sisa hasil pembakaran, dan oleh itu pekali sistem persamaan (1.50). Kemudian, dengan menyelesaikan sistem persamaan ini, nilai baru ditemui
Proses lelaran diulang sehingga nilai mutlak nisbah menjadi kurang daripada nilai tertentu, sama, sebagai contoh, kepada (pada , keputusan pengiraan secara praktikal tidak berubah). Oleh itu, komposisi keseimbangan produk pembakaran ditentukan pada suhu yang dijangkakan T. Mengikut komposisi keseimbangan produk, mengikut persamaan (1.27), nilai £u, - didapati, yang memungkinkan untuk mengira nilai entalpi hj hasil pembakaran mengikut formula (1.18).
Untuk pembakaran dalam keadaan isokhorik, susunan pengiraan adalah serupa dengan yang diterangkan di atas. Perbezaannya, seperti yang telah dinyatakan, adalah bahawa pengiraan dilakukan bukan untuk pecahan tahi lalat, tetapi untuk bilangan tahi lalat, dan bukannya entalpi, tenaga dalaman campuran segar dan produk pembakaran dikira.
Dalam jadual. Jadual 1.1 menunjukkan parameter termodinamik yang dikira untuk campuran stoikiometrik metana, propana, heksana, heptana, aseton, isopropil alkohol dan benzena dengan udara.
Jadual 1.1. Tekanan letupan adiabatik maksimum dalam bekas tertutup, suhu produk pembakaran, indeks adiabatik campuran segar dan produk pembakaran Ei untuk campuran hidrokarbon stoikiometrik di
suhu awal = 298.15 K
Korolchenko A.Ya. proses pembakaran dan letupan
| 0,06 0,04 | 5,188 3,439 | 2539,6 2521,9 | 1,247 1,248 | 2192,7 2183,2 | 7,412 7.385 | |||
| 3,964 | 0,10 0,08 0,06 0,04 | 9,228 7,358 5,494 3,640 | 2604,4 2594,1 2580,5 2561,2 | 1,365 | 1,247 1,248 1,248 1,249 | 2245,2 2239,4 2231,7 2220,7 | 7,897 7,880 7,857 7,825 | |
| 2,126 | 0,10 0,08 0,06 0,04 | 9,378 7,478 5,583 3,699 | 2611,6 2601,2 2587,3 2567,8 | 1,360 | 1,248 1,248 1,249 1,249 | 2251,7 2245,8 2237,9 2226,7 | 8,025 8,008 7,984 7,951 | |
| 1,842 | 0,10 0,08 0,06 0,04 | 9,403 7,498 5,598 3,708 | 2613,0 2602,6 2588,7 2569,1 | 1,359 | 1,248 1,248 1,249 1,249 | 2253,0 2247,1 2239,1 2227,9 | 8,047 8,029 8,005 7,972 | |
| 4,907 | 0,10 0,08 0,06 0,04 | 9,282 7,401 5,527 3,661 | 2594,2 2583,7 2570,4 2550,9 | 1,357 | 1,245 1,245 1,246 1,246 | 2242,1 2236,2 2228,2 2216,9 | 7,962 7,944 7,921 7,888 | |
| 4,386 | 0,10 0,08 0,06 0,04 | 9,344 7,451 5,565 3,688 | 2574 3 2564,4 2551,8 2533,2 | 1,361 | 1,244 1,245 1,245 1,246 | 2219,7 2214,3 2206,9 2196,5 | 7,999 7,983 7,961 7,929 | |
| 2,679 | 0,10 0,08 0,06 0,04 | 9,299 7,411 5,532 3,662 | 2678,2 2666,0 2650,6 2628,2 | 1,377 | 1,251 1,251 1,252 1,252 | 2321,1 2313,7 2304,2 2290,4 | 7,990 7,969 7,942 7,902 |
Kepekatan stoikiometri bahan api semasa pembakaran dalam udara dengan kelembapan sederhana dan dalam udara kering ditentukan, masing-masing, oleh formula:
di manakah pekali stoikiometri oksigen, sama dengan bilangan mol oksigen setiap 1 mol bahan mudah terbakar semasa pembakaran lengkapnya.
Bab 1. Konsep asas teori pembakaran
Pada nasi. 1.3 sebagai contoh, perubahan yang dikira dalam suhu pembakaran dan pecahan mol komponen utama produk pembakaran bergantung kepada kepekatan isipadu bahan api untuk campuran heksana-udara ditunjukkan.
nasi. 1.3. Kebergantungan komposisi dan suhu produk pembakaran
campuran heksana-udara pada tekanan 0.101 MPa dan suhu awal
298.15 K daripada kepekatan heksana
Pembakaran homogen dan heterogen.
Berdasarkan contoh yang dipertimbangkan, bergantung kepada keadaan pengagregatan campuran bahan api dan pengoksida, i.e. daripada bilangan fasa dalam campuran, mereka membezakan:
1. Pembakaran homogen gas dan wap bahan mudah terbakar dalam persekitaran pengoksida gas. Oleh itu, tindak balas pembakaran berlaku dalam sistem yang terdiri daripada satu fasa (keadaan agregat).
2. Pembakaran heterogen bahan pepejal mudah terbakar dalam persekitaran pengoksida gas. Dalam kes ini, tindak balas diteruskan pada antara muka, manakala tindak balas homogen diteruskan sepanjang isipadu.
Ini adalah pembakaran logam, grafit, i.e. bahan yang boleh dikatakan tidak meruap. Banyak tindak balas gas adalah bersifat homogen-heterogen, apabila kemungkinan tindak balas homogen berlaku adalah disebabkan oleh asal-usul tindak balas heterogen secara serentak.
Pembakaran semua cecair dan banyak bahan pepejal, dari mana wap atau gas (bahan meruap) dibebaskan, berlangsung dalam fasa gas. Fasa pepejal dan cecair memainkan peranan takungan untuk hasil tindak balas.
Sebagai contoh, tindak balas heterogen pembakaran arang batu secara spontan melalui fasa homogen pembakaran bahan meruap. Sisa kok terbakar secara heterogen.
Mengikut tahap penyediaan campuran mudah terbakar, resapan dan pembakaran kinetik dibezakan.
Jenis pembakaran yang dipertimbangkan (kecuali bahan letupan) ialah pembakaran meresap. Api, i.e. zon pembakaran campuran bahan api dengan udara, untuk memastikan kestabilan, mesti sentiasa disuap dengan bahan api dan oksigen di udara. Aliran gas mudah terbakar hanya bergantung pada kadar bekalannya ke zon pembakaran. Kadar kemasukan cecair mudah terbakar bergantung kepada keamatan penyejatannya, i.e. pada tekanan wap di atas permukaan cecair, dan, akibatnya, pada suhu cecair. Suhu penyalaan dipanggil suhu terendah cecair di mana nyalaan di atas permukaannya tidak padam.
Pembakaran pepejal berbeza daripada pembakaran gas dengan kehadiran peringkat penguraian dan pengegasan, diikuti dengan penyalaan produk pirolisis yang meruap.
Pirolisis- ini adalah pemanasan bahan organik ke suhu tinggi tanpa akses udara. Dalam kes ini, penguraian, atau pemisahan, sebatian kompleks kepada yang lebih mudah berlaku (coking arang batu, keretakan minyak, penyulingan kering kayu). Oleh itu, pembakaran bahan mudah terbakar pepejal ke dalam produk pembakaran tidak tertumpu hanya di zon nyalaan, tetapi mempunyai ciri berbilang peringkat.
Pemanasan fasa pepejal menyebabkan penguraian dan evolusi gas yang menyala dan terbakar. Haba daripada obor memanaskan fasa pepejal, menyebabkan pengegasan dan proses itu berulang, sekali gus menyokong pembakaran.
Model pembakaran pepejal menganggap kehadiran fasa berikut (Rajah 17):
nasi. 17. Model pembakaran
padu.
Pemanasan fasa pepejal. Untuk bahan lebur, lebur berlaku di zon ini. Ketebalan zon bergantung pada suhu kekonduksian bahan;
Pirolisis, atau zon tindak balas dalam fasa pepejal, di mana bahan mudah terbakar gas terbentuk;
Pra-nyalaan dalam fasa gas, di mana campuran dengan agen pengoksida terbentuk;
Nyalaan, atau zon tindak balas dalam fasa gas, di mana penukaran produk pirolisis kepada produk pembakaran gas;
produk pembakaran.
Kadar bekalan oksigen ke zon pembakaran bergantung kepada resapannya melalui produk pembakaran.
Secara amnya, kerana kadar tindak balas kimia dalam zon pembakaran dalam jenis pembakaran yang dipertimbangkan bergantung pada kadar ketibaan komponen yang bertindak balas dan permukaan nyalaan oleh resapan molekul atau kinetik, jenis pembakaran ini dipanggil. penyebaran.
Struktur nyalaan pembakaran resapan terdiri daripada tiga zon (Rajah 18):
Zon 1 mengandungi gas atau wap. Tiada pembakaran di zon ini. Suhu tidak melebihi 500 0 C. Penguraian, pirolisis meruap dan pemanasan kepada suhu penyalaan sendiri berlaku.
nasi. 18. Struktur nyalaan.
Dalam zon 2, campuran wap (gas) dengan oksigen atmosfera terbentuk dan pembakaran tidak lengkap berlaku kepada CO dengan pengurangan separa kepada karbon (oksigen kecil):
C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;
Di zon luar ke-3, produk zon kedua dibakar sepenuhnya dan suhu nyalaan maksimum diperhatikan:
2CO+O 2 \u003d 2CO 2;
Ketinggian nyalaan adalah berkadar dengan pekali resapan dan kadar aliran gas dan berkadar songsang dengan ketumpatan gas.
Semua jenis pembakaran resapan adalah wujud dalam kebakaran.
Kinetik pembakaran dipanggil pembakaran terlebih dahulu
campuran gas mudah terbakar, wap atau habuk dengan agen pengoksida. Dalam kes ini, kadar pembakaran hanya bergantung pada sifat fizikokimia campuran mudah terbakar (konduksi terma, kapasiti haba, pergolakan, kepekatan bahan, tekanan, dll.). Oleh itu, kadar pembakaran meningkat secara mendadak. Pembakaran jenis ini wujud dalam letupan.
Dalam kes ini, apabila campuran mudah terbakar dinyalakan pada satu ketika, bahagian depan nyalaan bergerak dari hasil pembakaran ke dalam campuran segar. Oleh itu, nyalaan semasa pembakaran kinetik selalunya tidak stabil (Rajah 19).
nasi. 19. Skim penyebaran nyalaan dalam campuran mudah terbakar: - sumber pencucuhan; - arah pergerakan bahagian hadapan nyalaan.
Walaupun, jika gas mudah terbakar bercampur dengan udara dan dimasukkan ke dalam penunu, maka nyalaan pegun terbentuk semasa penyalaan, dengan syarat kadar bekalan campuran adalah sama dengan kelajuan perambatan nyalaan.
Jika kadar bekalan gas meningkat, nyalaan akan terputus dari penunu dan mungkin padam. Dan jika kelajuan dikurangkan, maka nyalaan akan ditarik ke bahagian dalam penunu dengan kemungkinan letupan.
Mengikut tahap pembakaran, iaitu kesempurnaan tindak balas pembakaran kepada produk akhir, pembakaran berlaku lengkap dan tidak lengkap.
Jadi dalam zon 2 (Rajah 18) pembakaran tidak lengkap, kerana oksigen tidak mencukupi dibekalkan, yang sebahagiannya digunakan dalam zon 3, dan produk perantaraan terbentuk. Yang terakhir terbakar di zon 3, di mana terdapat lebih banyak oksigen, sehingga pembakaran lengkap. Kehadiran jelaga dalam asap menunjukkan pembakaran yang tidak lengkap.
Contoh lain: apabila kekurangan oksigen, karbon terbakar menjadi karbon monoksida:
Jika anda menambah O, maka tindak balas akan berakhir:
2CO + O 2 \u003d 2CO 2.
Kadar pembakaran bergantung kepada sifat pergerakan gas. Oleh itu, pembakaran lamina dan turbulen dibezakan.
Jadi, contoh pembakaran lamina ialah nyalaan lilin di udara pegun. Pada pembakaran lamina lapisan gas mengalir selari, tetapi tanpa berpusar.
Pembakaran bergelora- gerakan pusaran gas, di mana gas yang terbakar bercampur secara intensif, dan bahagian depan nyalaan dihanyutkan. Sempadan antara jenis ini ialah kriteria Reynolds, yang mencirikan hubungan antara daya inersia dan daya geseran dalam aliran:
di mana: u- kadar aliran gas;
n- kelikatan kinetik;
l- saiz linear ciri.
Nombor Reynolds di mana peralihan lapisan sempadan laminar kepada lapisan bergelora berlaku dipanggil Re cr kritikal, Re cr ~ 2320.
Turbulensi meningkatkan kadar pembakaran disebabkan oleh pemindahan haba yang lebih sengit daripada hasil pembakaran kepada campuran segar.
Apabila membakar bahan api pepejal, tindak balas kimia itu sendiri didahului oleh proses membekalkan pengoksida ke permukaan bertindak balas. Akibatnya, proses pembakaran bahan api pepejal adalah proses fizikal dan kimia heterogen kompleks yang terdiri daripada dua peringkat: bekalan oksigen ke permukaan bahan api melalui resapan bergelora dan molekul dan tindak balas kimia di atasnya.
Mari kita pertimbangkan teori umum pembakaran heterogen menggunakan pembakaran zarah karbon sfera sebagai contoh, dengan mengandaikan keadaan berikut. Kepekatan oksigen di seluruh permukaan zarah adalah sama; kadar tindak balas oksigen dengan karbon adalah berkadar dengan kepekatan oksigen berhampiran permukaan, iaitu, tindak balas urutan pertama berlaku, yang kemungkinan besar untuk proses heterogen; tindak balas berlaku pada permukaan zarah dengan pembentukan produk pembakaran akhir, dan tiada tindak balas sekunder dalam isipadu, serta pada permukaan zarah.
Dalam tetapan yang dipermudahkan sedemikian, kadar pembakaran karbon boleh diwakili sebagai bergantung kepada kadar dua peringkat utamanya, iaitu, pada kadar bekalan oksigen ke permukaan antara muka dan pada kadar tindak balas kimia itu sendiri yang berlaku pada permukaan zarah itu. Hasil daripada interaksi proses ini, keadaan keseimbangan yang dinamik berlaku antara jumlah oksigen yang dibekalkan oleh resapan dan digunakan untuk tindak balas kimia oksigen pada nilai tertentu kepekatannya pada permukaan karbon.
Kadar tindak balas kimia /(°2 g oksigen/(cm2-s) ditentukan oleh
Oleh kerana jumlah oksigen yang digunakan oleh unit permukaan tindak balas per unit masa, ia boleh dinyatakan dalam bentuk berikut:
Dalam persamaan:
K ialah pemalar kadar bagi tindak balas kimia;
Cv ialah kepekatan oksigen pada permukaan zarah.
C. sebaliknya, kadar pembakaran adalah sama dengan fluks ki tertentu
Oksigen ke permukaan bertindak balas, dihantar melalui resapan:
K °" \u003d iklan (C, - C5). (15-2)
Dalam persamaan:
Iklan - pekali pertukaran resapan;
Co ialah kepekatan oksigen dalam aliran di mana zarah karbon terbakar.
Menggantikan nilai Cv yang ditemui daripada persamaan (15-1) kepada persamaan (15-2), kita memperoleh ungkapan berikut untuk kadar pembakaran heterogen dari segi jumlah oksigen yang digunakan oleh unit permukaan zarah per unit masa :
". С°, ■' (15-3)
Menandakan melalui
Kkazh - - C -, (15-4)
Ungkapan (15-3) boleh diwakili sebagai
/<°’ = /СкажС„. (15-5)
Dalam strukturnya, ungkapan (15-5) adalah serupa dengan persamaan kinetik (15-1) bagi tindak balas tertib pertama. Di dalamnya, pemalar kadar tindak balas "£" digantikan dengan pekali Kkazh, yang bergantung pada kedua-dua sifat tindak balas bahan api dan pada undang-undang pemindahan dan oleh itu dipanggil pemalar kadar ketara pembakaran karbon pepejal.
Kadar tindak balas kimia pembakaran bergantung pada sifat bahan api dan keadaan fizikal: kepekatan gas bertindak balas pada permukaan, suhu dan tekanan. Kebergantungan suhu bagi kadar tindak balas kimia adalah yang paling kuat. Pada suhu rendah, kadar tindak balas kimia adalah rendah dan, dari segi penggunaan oksigen, berkali-kali lebih rendah daripada kadar oksigen boleh dihantar melalui resapan. Proses pembakaran adalah terhad dengan kadar tindak balas kimia itu sendiri dan tidak bergantung pada keadaan bekalan oksigen, iaitu, halaju aliran udara, saiz zarah, dll. Oleh itu, kawasan pembakaran heterogen ini dipanggil kinetik.
Dalam kawasan kinetik pembakaran, ad>-£, oleh itu, dalam formula (15-3), nilai 1 / iklan boleh diabaikan berbanding dengan 1 / & dan kemudian kita mendapat:
K°32 = kC0. (15-6)
Keseimbangan antara jumlah oksigen yang dihantar melalui resapan dan digunakan dalam tindak balas ditubuhkan pada kecerunan kecil kepekatannya, kerana nilai kepekatan oksigen pada permukaan tindak balas berbeza sedikit daripada nilainya dalam aliran. Pada suhu tinggi, pembakaran kinetik boleh berlaku pada kadar aliran udara yang tinggi dan saiz zarah kecil bahan api, iaitu, dengan peningkatan dalam keadaan untuk membekalkan oksigen, apabila yang terakhir boleh dihantar dalam jumlah yang lebih besar "berbanding dengan keperluan. untuk tindak balas kimia.
Pelbagai kawasan pembakaran heterogen ditunjukkan secara grafik dalam Rajah. 15-1. Rantau kinetik I dicirikan oleh lengkung 1, yang menunjukkan bahawa dengan peningkatan suhu, kadar pembakaran meningkat secara mendadak mengikut hukum Arrhenius.
Pada suhu tertentu, kadar tindak balas kimia menjadi sepadan dengan kadar penghantaran oksigen ke permukaan tindak balas, dan kemudian kadar pembakaran menjadi bergantung bukan sahaja pada kadar tindak balas kimia, tetapi juga pada kadar penghantaran oksigen. Di rantau ini, dipanggil rantau perantaraan (Rajah 15-1, rantau II, lengkung 1-2), kadar kedua-dua peringkat ini adalah setanding, tiada satu pun daripada mereka boleh diabaikan, dan oleh itu kadar proses pembakaran ditentukan mengikut formula (15-3). Dengan peningkatan suhu, kadar pembakaran meningkat, tetapi pada tahap yang lebih rendah daripada di rantau kinetik, dan pertumbuhannya beransur-ansur perlahan dan, akhirnya, mencapai maksimum apabila peralihan ke kawasan meresap (Rajah 15-1, wilayah III). , lengkung 2-3), kekal bebas daripada suhu. Pada suhu yang lebih tinggi di rantau ini, kadar tindak balas kimia meningkat dengan begitu banyak sehingga oksigen yang dihantar melalui resapan serta-merta memasuki tindak balas kimia, akibatnya kepekatan oksigen pada permukaan menjadi hampir sifar. Dalam formula (15-3), kita boleh mengabaikan nilai 1/& berbanding 1/ad, maka kita mendapat bahawa kadar pembakaran ditentukan oleh kadar resapan oksigen ke permukaan tindak balas, i.e.
Dan oleh itu kawasan pembakaran ini dipanggil penyebaran. Di kawasan resapan, kadar pembakaran boleh dikatakan bebas daripada sifat bahan api dan suhu. Pengaruh suhu hanya mempengaruhi perubahan dalam pemalar fizikal. Di rantau ini, kadar pembakaran sangat dipengaruhi oleh keadaan penghantaran oksigen, iaitu, faktor hidrodinamik: halaju relatif aliran gas dan saiz zarah bahan api. Dengan peningkatan dalam kadar aliran gas dan penurunan dalam saiz zarah, iaitu, dengan pecutan dalam penghantaran oksigen, kadar pembakaran resapan meningkat.
Semasa pembakaran, keseimbangan dinamik diwujudkan antara proses kimia penggunaan oksigen dan proses resapan penghantarannya pada nilai tertentu kepekatan oksigen pada permukaan tindak balas. Kepekatan oksigen pada permukaan zarah bergantung kepada nisbah kadar kedua-dua proses ini; jika kadar resapan berlaku, ia akan menghampiri kepekatan dalam aliran, manakala peningkatan dalam kadar tindak balas kimia menyebabkan ia berkurangan.
Proses pembakaran yang berjalan di kawasan resapan boleh masuk ke kawasan perantaraan (lengkung 1"-2") atau bahkan ke kawasan kinetik dengan peningkatan resapan, contohnya, dengan peningkatan dalam kadar aliran atau pengurangan saiz zarah.
Oleh itu, dengan peningkatan dalam kadar aliran gas dan dengan peralihan kepada zarah kecil, proses beralih ke arah pembakaran kinetik. Peningkatan suhu mengalihkan proses ke arah pembakaran resapan (Rajah 15-1, lengkung 2"-3").
Perjalanan pembakaran heterogen di satu kawasan atau yang lain untuk mana-mana kes tertentu bergantung pada keadaan khusus ini. Tugas utama untuk mengkaji proses pembakaran heterogen adalah untuk mewujudkan kawasan pembakaran dan untuk mengenal pasti corak kuantitatif bagi setiap kawasan.