Горение и взрыв

Содержание:

1. Пространственные неоднородности  как побудители вещественно-энергетического  переноса при горении. Перенос  энергии при горении. Перенос вещества при горении. Термодиффузия, бародиффузия, электродиффузия………………………………………………………………….2

2. Условия прерывания химического взаимодействия с участием кислорода воздуха и образованием продуктов сгорания в горючей системе и во внешней среде……………………………………………………………….....8

3.   Список используемой  литературы…………………………………...14

1. Пространственные неоднородности как побудители вещественно-энергетического переноса при горении. Перенос энергии при горении. Перенос вещества при горении. Термодиффузия, бародиффузия, электродиффузия.

       Основная и важнейшая особенность процесса горения- способность к распространению в пространстве. Вследствие процессов переноса (диффузии и теплопроводности) теплота или активные центры, накапливающиеся в горящем объёме, могут передаваться в соседние участки горючей смеси и инициировать там горение. В результате возникает движущийся в пространстве фронт горение, его скорость и называется линейной скоростью горения. Массовая скорость горение, где  - плотность исходной смеси. В отличие от детонации, где химическая реакция возникает в результате быстрого и сильного сжатия вещества ударной волной, скорость горения невелика (10-3-10 м/с), поскольку оно обусловлено сравнительно медленными процессами переноса. Если движение газовой среды турбулентно, то скорость горения увеличивается вследствие турбулентного перемешивания.

       Сущность явления термодиффузии, открытого К. Людвигом в 1856 г., состоит в том, что при наличии температурного градиента в смеси, состоящей из нескольких компонентов, возникает градиент концентраций. Заполнив U-образную трубку раствором сульфата натрия и поддерживая в одном ее колене температуру 0° С , а в другом 100° С, Людвиг обнаружил через некоторое время в холодном колене выпавшие в осадок кристаллы соли.

        После изобретения термодиффузионной колонки (1938 г.) термическую диффузию стали использовать для разделения смесей, трудноразделимых другими методами, в том числе нефтяных фракций. Термодиффузионные колонки состоят из двух коаксиальных цилиндров с зазором между ними 0,25—0,5 мм. Разделяемую смесь помещают в пространство между цилиндрами, один из которых нагревают, а другой охлаждают. При этом молекулы одного вещества перемещаются к холодной стенке или цилиндру и в результате конвекции опускаются вниз, а молекулы другого компонента направляются к горячему цилиндру и концентрируются в верхней части колонки. Основные закономерности процесса:

            1) к холодной стенке движется углеводород с наибольшим числом углеродных атомов и с наибольшей температурой кипения;

            2) при одинаковой температуре кипения к холодной стенке направляется компонент с наименьшим молярным объемом;

            3) при одинаковых молярных объемах и температурах кипения к холодной стенке движется компонент с наименьшей поверхностью молекул.       Как правило, термодиффузионному разделению подвергают сравнительно узкокипящие (25°—50° С) фракции, предварительно разделенные на алкан-циклоалкановую и ареновую части. При термической диффузии насыщенных углеводородов в верхней части колонки концентрируются алканы, в средних фракциях — моно- и бициклоалканы и в последних термодиффузионных фракциях (в нижней части колонки) — полициклоалканы. Таким образом, метод термодиффузии позволяет более или менее успешно решать следующие сложные задачи:

         - разделять смеси близкокипящих циклоалканов и алканов изостроения (например, можно разделять циклогексан и 2,4-ди-метилпентан, температуры кипения которых различаются всего на 0,24°С);

        -разделять смеси циклоалканов по числу циклов с получением концентратов моно-, би- и полициклоалканов;

         -разделять цис-, транс-изомеры, например цис- и транс-декалин, цис- и транс- 1,2-диметилциклогексан.

         Степень разделения компонентов повышается, если навить проволоку по винтовой линии на внутреннюю трубку колонки — при этом уменьшается влияние паразитной конвекции. К тому же эффекту приводит использование роторных диффузионных колонн, в которых внутренний цилиндр медленно вращается. Недостаток как роторных колонн, так и колонн со спиральной навивкой состоит в увеличении продолжительности достижения стационарного состояния, которое составляет, как правило, десятки часов.

       Невысокая производительность термодиффузиоиных колонн ограничивает возможности использования метода в промышленности. Тем не менее, предлагалось использовать термодиффузию для получения фракций масел с высоким индексом вязкости и низкой температурой застывания. Имеются зарубежные установки производительностью до 9 тонн в сутки смазочного масла с повышенным индексом вязкости. Разработаны автоматизированные аппараты непрерывного термодиффузионного разделении (АТР-3 и АТР-ЗМ), которые успешно используют для препаративного разделения нефтяных фракций и нефтехимических продуктов.

          Если в смеси имеет место градиент полного давления, то может возникнуть диффузия за счет неоднородности давления. Этот вид диффузии называют бародиффузией. При бародиффузии тяжелые молекулы стремятся перейти в область повышенного, а легкие — в область пониженного давления. Как и термодиффузия, бародиффузия сопровождается и обычным переносом массы, вызванным разностью концентрации. Диффузия от неоднородности давления происходит, например, в газе, вращающемся вокруг оси; в этом случае тяжелые молекулы стремятся перейти в области, наиболее удаленные от центра. С учетом концентрационной диффузии, термодиффузии и бародиффузии плотность потока массы компонента за счет молекулярного переноса описывается следующим уравнением:

 (1) ,

где Dт=kтD — коэффициент термодиффузии, (м2/с); Dб=kбD — коэффициент бародиффузии, (м2/с) ; р — давление смеси. Первый член суммы в уравнении (1) учитывает концентрационную диффузию, второй — термодиффузию и третий — бародиффузию. Составляющие потока массы нормальны к соответствующим им изопотенциальным поверхностям, т. е. поверхностям равных концентраций, изотермическим и изобарическим поверхностям. При grad p=0 и grad t=0 уравнение (1) переходит в закон Фика. Коэффициент kт=Dт/D называется термодиффузионным отношением, он безразмерен; kб=Dб/D — бародиффузионное отношение. Значение kт для смеси газов, как правило, меньше 0,1. Ввиду малости kт заметный поток массы будет иметь место только при больших градиентах температуры; особенно невелика термодиффузия, если концентрация одного из компонентов мала.

         Для бинарной смеси величина kб определяется следующим уравнением:

(2),

где M1, М2, М — молекулярные массы первого и второго компонентов и смеси. Бародиффузия должна проявляться при значительных перепадах давления, что в процессах теплообмена встречается редко. При равенстве молекулярных масс М1, и М2 бародиффузия отсутствует. Как следует из термодинамики необратимых процессов, бародиффузии должен сопутствовать и соответствующий термоэффект, представляющий собой возникновение разности температур. Таким образом, суммарный перенос массы какого-либо компонента путем молекулярной диффузии является следствием концентрационной диффузии, термической диффузии и бародиффузии (в общем случае в суммарный поток массы входит составляющая, возникающая в случае, если на компоненты смеси действуют различные внешние силы; примером является диффузия электрически заряженных частиц в частично ионизированном газе под действием электрического или магнитного поля; может также иметь место разделение смеси, вызванное процессом внутреннего трения: молекулы с большей массой перемещаются в направлении меньшей скорости).

       Электродиффузия – перенос вещества в расплавах с электронной или дырочной проводимостью (например, сплавов Na с К, Hg с Cd, Ga с As) при пропускании постоянного электрического тока. Наблюдается также в твердых телах, однако в этом случае происходит значительно медленнее. Известна электродиффузия изотопов в металлах; обычно более лёгкий изотоп мигрирует к аноду.

       Электродиффузия характеризуют электрическую подвижностью  ионов i-го компонента, равной скорости их направленного движения при напряжённости поля 1 В/см, и эффективным зарядом . Эти параметры связаны уравнением Эйнштейна:

                                              ui = zieDo/kT,

где Do – коэффициент молекулярной диффузии, е – элементарный электрический заряд.

        При достаточно длительном пропускании электрического тока электродиффузия уравновешивается обратной диффузией и конвекцией и достигается стационарное распределение концентрации с i-го компонента в образце, определяемое соотношением

                                           c2 = c1exp(uiΔφD),

где Δφ – разность электрических потенциалов между точками 2 и 1, D – эффективный коэффициент диффузии.

        При высоких значениях uiΔφD степень разделения компонентов при электродиффузии весьма велика. Одним из факторов, определяющих электродиффузию, является электронный ветер – увлечение ионов компонентов потоком электронов проводимости. В разбавленном бинарном растворе z2* = z2 - z1σ2/σ1, где z2 и z1 – истинные заряды ионов, σ2 и σ1 –сечения рассеяния ими электронов.

          В простейшем случае, когда перенос заряда и массы осуществляется одними и теми же частицами с зарядом q и концентрацией n, существует связь между электропроводностью σ и коэффициентом диффузии D, установленная Нернстом и Эйнштейном:

                                     σ/D = nq2/kT.

2. Условия прерывания химического взаимодействия с участием кислорода воздуха и образованием продуктов сгорания в горючей системе и во внешней среде.

        Горение углерода начинается при температуре около 8·108 K и плотности ~ 105 г/см3. Основные реакции горения углерода следующие:12C + 12C → 20Ne + α (Q = 4.62 МэВ)

23Na + p (Q = 2.24 МэВ)

24Mg + γ (Q = 13.93 МэВ)

23Mg + n (Q = -2.60 МэВ)

23Na + e+ + νe (Q = 8.51 МэВ).

(T1/2 = 12.1 c)

    Следующая стадия - горение кислорода - начинается  при температуре T = 2∙109 K. Основные  реакции:16O + 16O → 32S + γ (Q = 16.54 МэВ)

31P + p (Q = 7.68 МэВ)

31S + n (Q = 1.50 МэВ)

28Si + α (Q = 9.59 МэВ).

    Характерные особенности  реакций горения углерода и кислорода следующие:

     - большое число различных каналов реакции;

     - протоны, нейтроны, -кванты, образующиеся в конечном состоянии, быстро вступают в новые реакции, что значительно расширяет число возможных реакций и изотопов.

       Основным продуктом горения углерода и кислорода является ядро 28Si, соответствующее заполненной подоболочке 1d5/2. В этом случае удельная энергия связи имеет максимум.

        Резкое увеличение нейтринной светимости звезды при переходе от реакций горения углерода к реакциям горения кислорода. При изменении температуры в центре звезды от 0.5·109 K до 2.5·109 K нейтринная светимость Lν для массивной звезды возрастает на 6 порядков.

        При  адиабатическом горении, т.е. в отсутствие теплообмена между реагирующей системой и окружающей средой, могут быть рассчитаны:

   -количество выделившегося при горении тепла, температура ТГ, которая была бы достигнута при полном сгорании (точное название - адиабатическая температура горения), и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамический функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, ТГ м. б. рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы (при пост. объеме) или ее энтальпии (при постоянном давлении) в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: ТГ = Т0 + Qr/C, где Т0-начальная температура смеси, С-средняя в интервале температура от Т0 до ТГ уд. теплоемкость исходной смеси (с учетом ее изменения при возможных фазовых переходах), (QГ-УД- теплота сгорания смеси при температуре ТГ. При относительном содержании а0 в смеси компоненты, полностью расходуемой в реакции (напр., горючего), QГ = Q*а0 где Q-тепловой эффект реакции горения. Значение Тр при пост, объеме больше, чем при пост. давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатического горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакции объемом и окружающей средой, направленна в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.

Термодинамический расчет дает лишь частичную информацию о процессе - равновесный состав и температуру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло-и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетический подхода, рассматривающего хим. реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества . В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всем пространстве, занятом горючей смесью (объемное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде т. наз. волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону.

При полном расходе G через реактор условия баланса энтальпии смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны ур-ниями:

где w(а, Т)-скорость реакции горения, К-объем реактора. Используя выражение для термодинамич. ТГ, можно из (1) получить: а = а0(ТГ - Т)/(ТГ - Т0)и записать (2) в виде:

где q-(T) = GC(T- Т0)-скорость отвода тепла из реактора с продуктами сгорания, q+(T) = Qw(a, Т) V-скорость выделения тепла при реакции.

Для реакции и-го порядка с энергией активации:

(k0-предэкспоненц. множитель  в ур-нии Аррениуса). На диаграмме q — Т (рис. 1) зависимость q-(T)выражается  прямой линией, угол наклона к-рой  тем больше, чем больше расход  через реактор; q + (T)выражается кривой с резким максимумом вблизи ТГ. Восходящая ветвь этой кривой обусловлена быстрым ростом скорости реакции с т-рой (в выражении для w осн. вклад дает экспоненц. множитель); при значит. выгорании горючего смесь сильно разбавляется продуктами, преобладающее влияние на скорость реакции начинает давать множитель аn и реакция резко замедляется. Поскольку для реакций горения характерны большие значения Е, максимум на кривой q+(T)выражен очень резко и сильно смещен к ТГ, т.е. наиб. быстро реагирует смесь, сильно нагретая выделяющимся теплом, хотя и значительно разбавленная продуктами. При расходах G условия баланса (1) и (2), которым отвечают точки пересечения q+ (T)и q-(Т), могут выполняться при различных температурах. Соответственно и реакция может протекать по-разному: в низкотемпературном режиме без прогрессирующего самоускорения, с незначительна саморазогревом (Т Т0) и выгоранием горючего (аа0) (точка А на рис. 1 при расходе Gt) или в режиме горения при высоких т-рах (Т ТГ)и больших степенях выгорания (а0) (точка С на рис. 1 при расходе G3). Переходы между этими двумя режимами-воспламенение смеси и ее погасание-происходят скачкообразно при критических расходах GB и GП соотв., причем всегда GB < GП. При промежуточных расходах GB < G < GП возможен также неустойчивый режим протекания реакции при некоторой промежуточной температуре (точка В на рис. 1 при расходе G2), когда любое малое случайное возмущение расхода приводит реакцию в один из устойчивых режимов (А' или С). Гистерезисный эффект, свойственный горению, заключается в том, что при любом расходе G в интервале от GB до GП м. б. реализованы оба устойчивых режима - высокотемпературный (собственно горение) и низкотемпературный, в зависимости от того, достигнуто ли данное значение G увеличением расхода со стороны значений, меньших GB, или уменьшением его со стороны значений, больших GП.

Рис. 1. Зависимость скоростей тепловыделения q+ и теплоотвода q- от температуры Т реагирующей системы при различных значениях расхода через реактор С (пояснения в тексте); Т0-т-ра окружающей среды. ТГ - адиабатическая температура горения.

Продукты сгорания пламен, горящих при атмосферном давлении, за исключением реакционной зоны внутреннего конуса для ламинарных пламен, находятся в состоянии термического равновесия. Поэтому возможен расчет температуры пламени и состава продуктов сгорания на основании термохимических данных. Основная трудность расчета заключается в том, что температура и газовый состав пламени взаимосвязаны: рост температуры ведет к увеличению степени диссоциации продуктов сгорания, а затрата энергии на диссоциацию продуктов сгорания уменьшает температуру пламени.

 Тепло, выделившееся на  поверхности зоны горения, расходуется  на повышение температуры продуктов  сгорания от температуры окружающей  среды ( / в) до температуры зоны ( / г), на повышение температуры близлежащих слоев воздуха ( передачи тепла теплопроводностью) и на лучеиспускание. Строго говоря, тепло, выделившееся в зоне горения, идет также на нагрев капли, испарение, перегрев и разложение паров, а также на диссоциацию продуктов сгорания. Однако учитывая, что значительная доля тепла, пошедшая на испарение в том или ином виде, возвращается в зону горения, а степень диссоциации продуктов сгорания мала, ими можно пренебречь.

 Теоретически достижимая  температура пламени является весьма важной величиной для инженеров, поскольку она представляет максимальную возможную температуру или потенциал выделившейся при данном процессе сгорания тепловой энергии, и, таким образом, определяет возможную степень превращения последней в работу. Кроме того, она определяет выбор материала для построения аппаратуры, в которой производится сжигание. Полученные такими образом величины (при допущении адиабатичности процесса) отличаются от истинной температуры пламени не более чем на 100°С. Однако расчет усложняется тем обстоятельством, что температуры, достигаемые при горении в адиабатических условиях, достаточно высоки для того, чтобы СО3 и Н2О начали диссоциировать. По этой причине конечная равновесная система наряду с инертными газами, присутствовавшими в исходной газовой смеси, содержит Н2О, СО2, СО, О2, Н2 и ОН. Так как степень диссоциации зависит от конечной температуры, а последняя, в свою очередь, зависит от общего количества выделившегося тепла, которое уменьшается с возрастанием степени диссоциации продуктов сгорания, то ясно, что расчет очень усложняется.

Список используемой литературы:

1. Теплотехника – Баскаков  А.П. 1991г.

2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 3-е. В 2-х кн.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. М.: Химия, 2002. - 400с.: ил.

3. Разинов А.И. Явления переноса: Учеб. пособие / А.И. Разинов, Г.С. Дьяконов.: Казан. гос. технол. ун-т. - Казань, 2002. – 136 с.

4. Берд Р. Явления переноса: Пер. с англ. / Р. Берд, В. Стюарт Е. Лайфут. – М.: Химия, 1974. – 688 с.

Размещено