Какие составляющие у процесса горения

Какие составляющие у процесса горения

сложный физико-химический процесс, в основе которого лежат быстро текущие реакции окисления, сопровождаемые выделением тепла и, как правило, световым излучением. Горение возникает и протекает при наличии горючего вещества, окислителя (обычно кислорода) и источника зажигания.

Гомогенное горение происходит в случае нахождения горючего вещества в газообразном состоянии. Если же реакция идет между твердым горючим веществом и газообразным окислителем, то говорят о гетерогенном горении.

Внешним признаком гомогенного горения является пламя, гетерогенного – накал. Пламя представляет собой область, где происходит реакция соединения паров (газов) горящего вещества с кислородом. Температура пламени – это и температура горения. При пожарах в жилых и административных зданиях она составляет в среднем 850-900°, в лесу – 500-900°.

Продолжительность и интенсивность горения зависят от многих факторов и в первую очередь от обеспеченности процесса кислородом, от количества и состояния материала. Скорость горения твердых горючих веществ в значительной степени зависит от их удельной поверхности и степени влажности. Особенно опасно горение торфа. Торф имеет низкую температуру самовоспламенения (225 — 280°С) и высокую раздробленность, что обусловливает его устойчивое горение. При безветрии или слабом ветре торф горит очень медленно. На местах торфодобычи горение торфа начинается на поверхности торфа, добытого из залежей, и постепенно распространяется в глубь добытого слоя. Возгорание торфа может происходить в процессе его сушки. В жаркое летнее время на высоких местах торф высыхает на столько, что может воспламениться от малейшей искры. Горение торфа сопровождается обильным выделением густого белого дыма. При затяжном горении торфа на больших площадях во время усиления ветра с мест добытого торфа могут подыматься огромные массы сухого торфа и торфяной пыли, которые сгорают пламенем, образуя так называемые смерчи. Огненные смерчи могут привести к гибели людей, а также к уничтожению расположенных в близи населенных пунктов.

Горение пыли (мучной, угольной, сахарной и т.п.) происходит со скоростью взрыва, массивные куски этих веществ загораются с трудом. Увеличение количества влаги в горючих материалах снижает скорость горения.

Особую опасность при горении представляют легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) и горючие жидкости (ГЖ), к которым относятся нефть и нефтепродукты Скорость горения ЛВЖ и ГЖ определяется их способностью испаряться. Это связано с тем, что горит не сама жидкость, а ее пары. Нефть и нефтепродукты как правило хранятся вертикально в цилиндрических резервуарах, а также в мелкой таре (бочки,бидоны). Горение в резервуаре с ЛВЖ и ГЖ начинается, как правило, со взрыва паровоздушной смеси, сопровождающегося частично или полным отрывом крыши резервуара и воспламенения жидкости по всей свободной поверхности. Горение нефти и нефтепродуктов на свободной поверхности после взрыва происходит сравнительно спокойно. Температура светящей части пламени в зависимости от вида горючей жидкости колеблется в пределах 1000-1300°С. Бензин и другие светлые нефтепродукты горят относительно спокойно. Скорость горения темных нефтепродуктов весьма неравномерна. Еще более резко может изменяться скорость горения газообразных веществ. При выходе горючих газов под давлением они горят в виде факела, если же газ накапливается постепенно с образованием горючей смеси с воздухом, то происходит взрыв.

Нефть и мазуты при длительном горении в резервуарах прогреваются вглубь по этому горение сопровождается вскипанием и выбросом горящей жидкости. Бензин ти другие светлые нефтепродукты при горении в крупных резервуарах не прогреваются.

При горении нефтепродуктов дым черный, от горения древесины — серовато-черный, фосфорные и магниевые дымы имеют белый цвет.

В том случае, когда процесс горения находится под наблюдением человека – это не опасно. Однако, вырвавшись из под его контроля, огонь превращается в страшное бедствие, имя которому – пожар.

1.2. Общие понятия о пожаре и его развитии.

Пожар – это неконтролируемое горение, вне специального очага, сопровождающиеся уничтожением материальных ценностей и создающий опасность для жизни людей.

Основными параметрами, характеризующими пожар, являются:

1. площадь очага пожара, интенсивность горения,
2. скорость распространения
3. продолжительность пожара.

Под очагом пожара понимают место (участок) наиболее интенсивного горения при трех основных условиях:

непрерывное поступление окислителя (воздуха);

непрерывная подача топлива (горючих материалов);

непрерывное выделение теплоты, необходимой для поддержания процесса горения.

В очаге пожара выделяют три зоны:

1. зона горения,
2. зона теплового воздействия
3. зона задымления.

Зона горения – часть пространства в котором происходит подготовка горючих веществ к горению.

Зона теплового воздействия – часть пространства, примыкающего к зоне горения, в котором тепловое воздействие делает невозможным пребывание в нем людей без специальной тепловой защиты.

Зона задымления – часть пространства, примыкающая к зоне горения и задымления дымовыми газами в концентрациях, создающих угрозу жизни и здоровья людей или затрудняющих действия подразделения спасателей.

Интенсивность пожаров во многом зависит от огнестойкости объектов и их составных частей.

Все пожары можно квалифицировать по внешним признакам горения, месту возникновения пожара и времени прибытия первых пожарных подразделений.

По внешним признакам горения пожары делятся

1. наружные,
2. внутренние,
3. одновременно наружные и внутренние,
4. открытые и скрытые.

К наружным относятся пожары, у которых признаки горения (пламя, дым) можно установить визуально. Такие пожары бывают при горении зданий и их конструкций, штабелей лесопило материалов, угля, торфа и других материальных ценностей, размещенных на открытых складских площадках; при горении нефти и нефтепродуктов в резервуарах и т.д. Наружные пожары всегда бывают открытыми.

К внутренним относятся пожары, которые возникают и развиваются внутри зданий. Они могут быть открытыми и скрытыми.

Признаки горения при открытых пожарах можно установить осмотрами помещений (например, горение имущества в зданиях различного назначения; горение оборудования и материалов в производственных цехах и т.д.).

У скрытых пожарах горение протекает в пустотах строительных конструкций, вентиляционных каналах и шахтах, внутри торфяной залежи или штабелей торфа и т.д. Признаки горения обнаруживают с по выходу дыма через щели, изменению цвета штукатурки и т.д.

Наиболее сложными являются пожары одновременно наружные и внутренние, открытые и скрытые. С изменением обстановки изменяется вид пожара. Так, при развитии пожара в здании скрытое внутреннее горение может перейти в открытое внутреннее, а внутреннее – в наружное и наоборот.

Б) По месту возникновения пожары бывают в зданиях, сооружениях, на открытых площадках складов и на сгораемых массивах (лесные, степные, торфяные и хлебные поля).

В) По времени прибытия первых пожарных подразделений пожары подразделяются на запущенные и незапущенные.

К запущенным относятся пожары, которые ко времени прибытия первых пожарных подразделений получили значительное развитие по различным причинам (например, в связи с поздним обнаружением пожара или сообщением в пожарную охрану). Для тушения запущенных пожаров, как правило, оказывается недостаточно сил и средств первых подразделений.

Незапущенные пожары в большинстве случаев ликвидируются силами и средствами первого прибывшего подразделения, населением или рабочими объекта.

Процесс развития пожара можно разделить на три фазы. В первой фазе происходит распространение горения, когда огонь охватывает основную часть горючих материалов (не менее 80%). Во второй фазе после достижения максимальной скорости выгорания материалов пожар характеризуется активным пламенным горением с постоянной скоростью потери горючих материалов. В третьей фазе скорость выгорания резко падает и происходит догорание тлеющих материалов и конструкций.

Процессы горения

Пожарная безопасность – это такое состояние объекта, при котором исключалось бы возникновение пожара, а в случае его возникновения предотвращалось бы воздействие на людей опасных факторов пожара и обеспечивалась защита материальных ценностей.

Пожарная безопасность обеспечивается системами предотвращения пожара и пожарной защиты, включающими комплекс организационных мероприятий и технических средств.

На машиностроительных предприятиях имеются, вновь разрабатываются и внедряются различные виды производственного оборудования, новые технологические процессы. При недостаточном внимании к их особенностям они могут стать источником пожара или взрыва. Предотвратить это можно, зная пожаро- и взрывоопасные особенности оборудования, свойства материалов и их изменение в технологическом процессе.

Процессы горения

Правильная организация противопожарных мероприятий и тушения пожаров невозможна без понимания сущности химических и физических процессов, которые происходят при горении. Знание этих процессов дает возможность успешно бороться с огнем.

Горение — это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и обычно свечением.

В большинстве случаев при пожаре окисление горючих веществ происходит кислородом воздуха, но окислителями могут выступить также хлор, бром и другие вещества. В дальнейшем в качестве окислителя будем подразумевать О₂.

Горение возможно при наличии:

1. вещества, способного гореть,

2. кислорода (воздуха),

3. источника зажигания.

При этом необходимо, чтобы горючее вещество и кислород находились в определенных количественных соотношениях, а источник зажигания имел необходимый запас тепловой энергии.

Известно, что в воздухе содержится около 21% кислорода. Горени е большинства веществ становится невозможным, когда содержание кислорода в воздухе понижается до 14-18%, и только некоторые горючие вещества (водород, этилен, ацетилен и др.) могут гореть при содержании кислорода в воздухе до 10% и менее. При дальнейшем уменьшении содержания кислорода горение большинства веществ прекращается.

Горючее вещество и кислород являются реагирующими веществами и составляют горючую систему, а источник зажигания вызывает в ней реакциюгорения.

Источником зажигания может быть горящее и накаленное тело, в также электрический разряд, обладающий запасом энергии, достаточным для возникновения горения и др.

Горючие системы подразделяются на:

1. однородные. Однородными являются системы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны друг с другом (смеси горючих газов, паров с воздухом). Горение таких систем называют кинетическим. Скоростьего определяется скоростью химической реакции, значительной при высокой температуре. При определенных условиях такое горение может носить характер взрыва или детонации.

2. неоднородные. Неоднородными являются системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны друг с другом и имеют поверхности раздела (твердые горючие материалы и нераспыленные жидкости). В процессе горения неоднородных горючих систем кислород воздуха проникает (диффундирует) сквозь продукты горения к горючему веществу и вступает с ним в реакцию. Такое горение называют диффузионным, так как его скорость определяется главным образом сравнительно медленно протекающим процессом — диффузией.

Для возгорания тепло источника зажигания должно быть достаточным для превращения горючих веществ в пары и газы и для нагрева их до температуры самовоспламенения.

По соотношению горючего и окислителя различают процессы горения бедных и богатых горючих смесей. Бедные смеси содержат в избытке окислитель и имеют недостаток горючего компонента. Богатые смеси, наоборот, имеют в избытке горючий компонент и в недостатке окислитель.

Возникновение горения связано с обязательным самоускорением реакции в системе.

Самоускорение химической реакции при горении подразделяется на три основных вида:

а) тепловой. По тепловой теории процесс самовоспламенения объясняется активизацией процесса окисления с возрастанием скорости химической реакции.

б) цепной. По цепной теории процесс самовоспламенения объясняется разветвлением цепей химической реакции.

Рис. 1. Один первичный центр может вызвать целую лавину химического превращения. Изображены два типа таких лавин, где каждая черточка изображает один элементарный акт реакции.

в) комбинированный — цепочечно-тепловой. Практически процессы горения осуществляются преимущественно по комбинированному цепочечно-тепловому механизму.

Русский учёный Николай Семёнов удостоен Нобелевская премии по химии в 1956 году за исследования в области механизма химических реакций. Доказал, что многие химические реакции, включая реакцию полимеризации, осуществляются с помощью механизма цепной или разветвленной цепной реакции.

Сгорание различают:

— полное — образуются продукты, которые неспособны больше гореть: углекислый газ, сернистый газ, пары воды.

— неполное сгорание происходит, когда к зоне горения затруднен доступ кислорода воздуха, в результате чего образуются продукты неполного сгорания: окись углерода, спирты, альдегиды и др.

Ориентировочно количество воздуха V, м 3 необходимое для сгорания 1 кг вещества (или 1 м 3 газа) определяется по формуле:

где Q — теплота сгорания, кДж/кг, или кДж/м 3 .

Теплота сгорания некоторых веществ: бензина—47 000 кДж/кг; древесины воздушно-сухой —14 600 кДж/кг; ацетилена—54 400 кДж/м 3 ; метана — 39 400 кДж/м 3 ; окиси углерода 12 600 кДж/м 3 .

По теплоте сгорания горючего вещества можно определять:

а) какое количество тепла выделяется при его сгорании,

б) температуру горения,

в) давление при взрыве в замкнутом объеме и другие данные.

Температура горения вещества определяется как теоретическая, так и действительная. Теоретической называется температура горения, до которой нагреваются продукты сгорания, в предположении, что все тепло, выделяющееся при горении, идет на их нагревание.

Теоретическая температура горения

где m— количество продуктов горения, образующихся при сгорании 1кг вещества; с — теплоемкость продуктов горения, кДж/ (кг∙К); Т — температура воздуха, К; Q — теплота сгорания, кДж/кг.

Действительная температура горения на 30—50% ниже теоретической, так как значительная часть тепла, выделяющегося при горении, рассеивается в окружающую среду.

Высокая температура горения способствует распространению пожара, при ней большое количество тепла излучается в окружающую среду, и идет интенсивная подготовка горючих веществ к горению. Тушение пожара при высокой температуре горения затрудняется.

Виды процессов горения:

Вспышка — это быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов.

Возгорание — возникновение горения под воздействием источника зажигания.

Самовозгорание — это явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения веществ (материала, смеси) при отсутствии источника зажигания.

Воспламенение — возгорание сопровождающееся появлением пламени.

Самовоспламенение — это самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.

Взрывом называется чрезвычайно быстрое химическое (взрывчатое) превращение вещества, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.

Необходимо понимать различие между процессами возгорания (воспламенения) и самовозгорания (самовоспламенения). Для того чтобы возникло воспламенение, необходимо внести в горючую систему тепловой импульс, имеющий температуру, превышающую температуру самовоспламенения вещества. Возникновение же горения при температурах ниже температуры самовоспламенения относят к процессу самовозгорания (самовоспламенения).

Горение при этом возникает без внесения источника зажигания – за счет теплового или микробиологического самовозгорания.

Тепловое самовозгорание вещества возникает в результате самонагревания под воздействием скрытого или внешнего источника нагрева. Самовоспламенение возможно только в том случае, если количество тепла, выделяемого в процессе самоокисления, будет превышать отдачу тепла в окружающую среду.

Микробиологическое самовозгорание возникает в результате самовозгорания под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов в массе вещества (материала, смеси).

Горючие вещества характеризуются:

1. Температура самовоспламенения — это самая низкая температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся возникновением пламенного горения. Температуры самовоспламенения некоторых жидкостей, газов и твердых приведены в табл. 1.

2. Периодом индукции (временем запаздывания самовоспламенения) называют промежуток времени, в течение которого происходит саморазогревание до воспламенения. Период индукции дляодного и того же горючего вещества неодинаков и находится в зависимости от состава смеси, начальных температур и давления.

Период индукции имеет практическое значение при действии на горючее вещество маломощных источников воспламенения (искры). Искра, попадая в горючую смесь паров или газов с воздухом, нагревает некоторый объем смеси, и в то же время происходит охлаждение искры. Воспламенение смеси зависит от соотношения периода индукции смеси и времени охлаждения искры. При этом если период индукции больше времени охлаждения искры, то воспламенения смеси не произойдет.

Период индукции принят в основу классификации газовых смесей по степени их опасности в отношении воспламенения. Период индукции пылевых смесей зависит от размера пылинок, количества летучих веществ, влажности и других факторов.

Некоторые вещества могут самовозгораться, находясь при обычной температуре. Это в основном твердые пористые вещества большей частью органического происхождения (опилки, торф, ископаемый уголь и др.). Склонны к самовозгоранию и масла, распределенные тонким слоем по большой поверхности. Этим обусловлена возможность самовозгорания промасленной ветоши. Причиной самовозгорания промасленных волокнистых материалов является распределение жировых веществ тонким слоем на их поверхности и поглощение кислорода из воздуха. Окисление масла кислородом воздуха сопровождается выделением тепла. В случае, когда количество образующегося тепла превышает теплопотери в окружающую среду, возможно возникновение пожара.

Пожарная опасность веществ, склонных к самовозгоранию, очень велика, поскольку они могут загораться без всякого подвода тепла при температуре окружающей среды ниже температуры самовоспламенения веществ, а период индукции самовозгорающихся веществ может составлять несколько часов, дней и даже месяцев. Начавшийся процесс ускорения окисления (разогревания вещества) можно остановить лишь при обнаружении опасного нарастания температуры, что указывает на большое значение пожарно-профилактических мероприятий.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Химия пламени

Первые попытки понять механизм горения связаны с именами англичанина Роберта Бойля, француза Антуана Лорана Лавуазье и русского Михаила Васильевича Ломоносова. Оказалось, что при горении вещество никуда не «исчезает», как наивно полагали когда-то, а превращается в другие вещества, в основном газообразные и потому невидимые. Лавуазье в 1774 году впервые показал, что при горении из воздуха уходит примерно пятая его часть. В течение XIX века ученые подробно исследовали физические и химические процессы, сопровождающие горение. Необходимость таких работ была вызвана прежде всего пожарами и взрывами в шахтах.

Но только в последней четверти ХХ века были выявлены основные химические реакции, сопровождающие горение, и по сей день в химии пламени осталось немало темных пятен. Их исследуют самыми современными методами во многих лабораториях. У этих исследований несколько целей. С одной стороны, надо оптимизировать процессы горения в топках ТЭЦ и в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, предотвратить взрывное горение (детонацию) при сжатии в цилиндре автомобиля воздушно-бензиновой смеси. С другой стороны, необходимо уменьшить количество вредных веществ, образующихся в процессе горения, и одновременно — искать более эффективные средства тушения огня.

Существуют два вида пламени. Топливо и окислитель (чаще всего кислород) могут принудительно или самопроизвольно подводиться к зоне горения порознь и смешиваться уже в пламени. А могут смешиваться заранее — такие смеси способны гореть или даже взрываться в отсутствие воздуха, как, например, пороха, пиротехнические смеси для фейерверков, ракетные топлива. Горение может происходить как с участием кислорода, поступающего в зону горения с воздухом, так и при помощи кислорода, заключенного в веществе-окислителе. Одно из таких веществ — бертолетова соль (хлорат калия KClO₃); это вещество легко отдает кислород. Сильный окислитель — азотная кислота HNO₃: в чистом виде она воспламеняет многие органические вещества. Нитраты, соли азотной кислоты (например, в виде удобрения — калийной или аммиачной селитры), легко воспламеняются, если смешаны с горючими веществами. Еще один мощный окислитель, тетраоксид азота N₂O₄ — компонент ракетных топлив. Кислород могут заменить и такие сильные окислители, как, например, хлор, в котором горят многие вещества, или фтор. Чистый фтор — один из самых сильных окислителей, в его струе горит вода.

Цепные реакции

Основы теории горения и распространения пламени были заложены в конце 20-х годов прошлого столетия. В результате этих исследований были открыты разветвленные цепные реакции. За это открытие отечественный физикохимик Николай Николаевич Семенов и английский исследователь Сирил Хиншельвуд были в 1956 году удостоены Нобелевской премии по химии. Более простые неразветвленные цепные реакции открыл еще в 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн на примере реакции водорода с хлором. Суммарно реакция выражается простым уравнением H₂ + Cl₂ = 2HCl. На самом деле она идет с участием очень активных осколков молекул — так называемых свободных радикалов. Под действием света в ультрафиолетовой и синей областях спектра или при высокой температуре молекулы хлора распадаются на атомы, которые и начинают длинную (иногда до миллиона звеньев) цепочку превращений; каждое из этих превращений называется элементарной реакцией:

Cl + H₂ → HCl + H,
H + Cl₂ → HCl + Cl и т. д.

На каждой стадии (звене реакции) происходит исчезновение одного активного центра (атома водорода или хлора) и одновременно появляется новый активный центр, продолжающий цепь. Цепи обрываются, когда встречаются две активные частицы, например Cl + Cl → Cl₂. Каждая цепь распространяется очень быстро, поэтому, если генерировать «первоначальные» активные частицы с высокой скоростью, реакция пойдет так быстро, что может привести к взрыву.

Н. Н. Семенов и Хиншельвуд обнаружили, что реакции горения паров фосфора и водорода идут иначе: малейшая искра или открытое пламя могут вызвать взрыв даже при комнатной температуре. Эти реакции — разветвленно-цепные: активные частицы в ходе реакции «размножаются», то есть при исчезновении одной активной частицы появляются две или три. Например, в смеси водорода и кислорода, которая может спокойно храниться сотни лет, если нет внешних воздействий, появление по той или иной причине активных атомов водорода запускает такой процесс:

Таким образом, за ничтожный промежуток времени одна активная частица (атом H) превращается в три (атом водорода и два гидроксильных радикала OH), которые запускают уже три цепи вместо одной. В результате число цепей лавинообразно растет, что моментально приводит к взрыву смеси водорода и кислорода, поскольку в этой реакции выделяется много тепловой энергии. Атомы кислорода присутствуют в пламени и при горении других веществ. Их можно обнаружить, если направить струю сжатого воздуха поперек верхней части пламени горелки. При этом в воздухе обнаружится характерный запах озона — это атомы кислорода «прилипли» к молекулам кислорода с образованием молекул озона: О + О₂ = О₃, которые и были вынесены из пламени холодным воздухом.

Возможность взрыва смеси кислорода (или воздуха) со многими горючими газами — водородом, угарным газом, метаном, ацетиленом — зависит от условий, в основном от температуры, состава и давления смеси. Так, если в результате утечки бытового газа на кухне (он состоит в основном из метана) его содержание в воздухе превысит 5%, то смесь взорвется от пламени спички или зажигалки и даже от маленькой искры, проскочившей в выключателе при зажигании света. Взрыва не будет, если цепи обрываются быстрее, чем успевают разветвляться. Именно поэтому была безопасной лампа для шахтеров, которую английский химик Хэмфри Дэви разработал в 1816 году, ничего не зная о химии пламени. В этой лампе открытый огонь был отгорожен от внешней атмосферы (которая могла оказаться взрывоопасной) частой металлической сеткой. На поверхности металла активные частицы эффективно исчезают, превращаясь в стабильные молекулы, и потому не могут проникнуть во внешнюю среду.

Полный механизм разветвленно-цепных реакций очень сложен и может включать более сотни элементарных реакций. К разветвленно-цепным относятся многие реакции окисления и горения неорганических и органических соединений. Таковой же будет и реакция деления ядер тяжелых элементов, например плутония или урана, под воздействием нейтронов, которые выступают аналогами активных частиц в химических реакциях. Проникая в ядро тяжелого элемента, нейтроны вызывают его деление, что сопровождается выделением очень большой энергии; одновременно из ядра вылетают новые нейтроны, которые вызывают деление соседних ядер. Химические и ядерные разветвленно-цепные процессы описываются сходными математическими моделями.

Что надо для начала

Чтобы началось горение, нужно выполнить ряд условий. Прежде всего, температура горючего вещества должна превышать некое предельное значение, которое называется температурой воспламенения. Знаменитый роман Рэя Брэдбери «451 градус по Фаренгейту» назван так потому, что примерно при этой температуре (233°C) загорается бумага. Это «температура воспламенения», выше которой твердое топливо выделяет горючие пары или газообразные продукты разложения в количестве, достаточном для их устойчивого горения. Примерно такая же температура воспламенения и у сухой сосновой древесины.

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и от условий горения. Так, температура в пламени метана на воздухе достигает 1900°C, а при горении в кислороде — 2700°C. Еще более горячее пламя дают при сгорании в чистом кислороде водород (2800°C) и ацетилен (3000°C). Недаром пламя ацетиленовой горелки легко режет почти любой металл. Самую же высокую температуру, около 5000°C (она зафиксирована в Книге рекордов Гиннесса), дает при сгорании в кислороде легкокипящая жидкость — субнитрид углерода С₄N₂ (это вещество имеет строение дицианоацетилена NC–C=C–CN). А по некоторым сведениям, при горении его в атмосфере озона температура может доходить до 5700°C. Если же эту жидкость поджечь на воздухе, она сгорит красным коптящим пламенем с зелено-фиолетовой каймой. С другой стороны, известны и холодные пламена. Так, например, горят при низких давлениях пары фосфора. Сравнительно холодное пламя получается и при окислении в определенных условиях сероуглерода и легких углеводородов; например, пропан дает холодное пламя при пониженном давлении и температуре от 260–320°C.

Только в последней четверти ХХ века стал проясняться механизм процессов, происходящих в пламени многих горючих веществ. Механизм этот очень сложен. Исходные молекулы обычно слишком велики, чтобы, реагируя с кислородом, непосредственно превратиться в продукты реакции. Так, например, горение октана, одного из компонентов бензина, выражается уравнением 2С₈Н₁₈ + 25О₂ = 16СО₂ + 18Н₂О. Однако все 8 атомов углерода и 18 атомов водорода в молекуле октана никак не могут одновременно соединиться с 50 атомами кислорода: для этого должно разорваться множество химических связей и образоваться множество новых. Реакция горения происходит многостадийно — так, чтобы на каждой стадии разрывалось и образовывалось лишь небольшое число химических связей, и процесс состоит из множества последовательно протекающих элементарных реакций, совокупность которых и представляется наблюдателю как пламя. Изучать элементарные реакции сложно прежде всего потому, что концентрации реакционно-способных промежуточных частиц в пламени крайне малы.

Внутри пламени

Оптическое зондирование разных участков пламени с помощью лазеров позволило установить качественный и количественный состав присутствующих там активных частиц — осколков молекул горючего вещества. Оказалось, что даже в простой с виду реакции горения водорода в кислороде 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О происходит более 20 элементарных реакций с участием молекул О₂, Н₂, О₃, Н₂О₂, Н₂О, активных частиц Н, О, ОН, НО₂. Вот, например, что написал об этой реакции английский химик Кеннет Бэйли в 1937 году: «Уравнение реакции соединения водорода с кислородом — первое уравнение, с которым знакомится большинство начинающих изучать химию. Реакция эта кажется им очень простой. Но даже профессиональные химики бывают несколько поражены, увидев книгу в сотню страниц под названием «Реакция кислорода с водородом», опубликованную Хиншельвудом и Уильямсоном в 1934 году». К этому можно добавить, что в 1948 году была опубликована значительно большая по объему монография А. Б. Налбандяна и В. В. Воеводского под названием «Механизм окисления и горения водорода».

Современные методы исследования позволили изучить отдельные стадии подобных процессов, измерить скорость, с которой различные активные частицы реагируют друг с другом и со стабильными молекулами при разных температурах. Зная механизм отдельных стадий процесса, можно «собрать» и весь процесс, то есть смоделировать пламя. Сложность такого моделирования заключается не только в изучении всего комплекса элементарных химических реакций, но и в необходимости учитывать процессы диффузии частиц, теплопереноса и конвекционных потоков в пламени (именно последние устраивают завораживающую игру языков горящего костра).

Откуда все берется

Основное топливо современной промышленности — углеводороды, начиная от простейшего, метана, и кончая тяжелыми углеводородами, которые содержатся в мазуте. Пламя даже простейшего углеводорода — метана может включать до ста элементарных реакций. При этом далеко не все из них изучены достаточно подробно. Когда горят тяжелые углеводороды, например те, что содержатся в парафине, их молекулы не могут достичь зоны горения, оставаясь целыми. Еще на подходе к пламени они из-за высокой температуры расщепляются на осколки. При этом от молекул обычно отщепляются группы, содержащие два атома углерода, например С₈Н₁₈ → С₂Н₅ + С₆Н₁₃. Активные частицы с нечетным числом атомов углерода могут отщеплять атомы водорода, образуя соединения с двойными С=С и тройными С≡С связями. Было обнаружено, что в пламени такие соединения могут вступать в реакции, которые не были ранее известны химикам, поскольку вне пламени они не идут, например С₂Н₂ + О → СН₂ + СО, СН₂ + О₂ → СО₂ + Н + Н.

Постепенная потеря водорода исходными молекулами приводит к увеличению в них доли углерода, пока не образуются частицы С₂Н₂, С₂Н, С₂. Зона сине-голубого пламени обусловлена свечением в этой зоне возбужденных частиц С₂ и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не окисляются, а собираются в агрегаты — полимеризуются по схеме С₂Н + С₂Н₂ → С₄Н₂ + Н, С₂Н + С₄Н₂ → С₆Н₂ + Н и т. д.

В результате образуются частицы сажи, состоящие почти исключительно из атомов углерода. Они имеют форму крошечных шариков диаметром до 0,1 микрометра, которые содержат примерно миллион атомов углерода. Такие частицы при высокой температуре дают хорошо светящееся пламя желтого цвета. В верхней части пламени свечи эти частицы сгорают, поэтому свеча не дымит. Если же происходит дальнейшее слипание этих аэрозольных частиц, то образуются более крупные частицы сажи. В результате пламя (например, горящей резины) дает черный дым. Такой дым появляется, если в исходном топливе повышена доля углерода относительно водорода. Примером могут служить скипидар — смесь углеводородов состава С₁₀Н₁₆ (C_nH_2n–4), бензол С₆Н₆ (C_nH_2n–6), другие горючие жидкости с недостатком водорода — все они при горении коптят. Коптящее и ярко светящее пламя дает горящий на воздухе ацетилен С₂Н₂ (C_nH_2n–2); когда-то такое пламя использовали в ацетиленовых фонарях, установленных на велосипедах и автомобилях, в шахтерских лампах. И наоборот: углеводороды с высоким содержанием водорода — метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀ (общая формула C_nH_2n+2) — горят при достаточном доступе воздуха почти бесцветным пламенем. Смесь пропана и бутана в виде жидкости под небольшим давлением находится в зажигалках, а также в баллонах, которые используют дачники и туристы; такие же баллоны установлены в автомобилях, работающих на газе. Сравнительно недавно было обнаружено, что в копоти часто присутствуют шарообразные молекулы, состоящие из 60 атомов углерода; их назвали фуллеренами, а открытие этой новой формы углерода было ознаменовано присуждением в 1996 году Нобелевской премии по химии.

Горение

Горе́ние — сложный физико-химический процесс превращения компонентов горючей смеси в продукты сгорания с выделением теплового излучения, света и лучистой энергии. Описать природу горения можно как бурно идущее окисление.

Дозвуковое горение (дефлаграция) в отличие от взрыва и детонации протекает с низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. К дозвуковому горению относят нормальное ламинарное и турбулентное распространения пламени, к сверхзвуковому — детонацию.

Горение подразделяется на тепловое и цепное. В основе теплового горения лежит химическая реакция, способная протекать с прогрессирующим самоускорением вследствие накопления выделяющегося тепла. Цепное горение встречается в случаях некоторых газофазных реакций при низких давлениях.

Условия термического самоускорения могут быть обеспечены для всех реакций с достаточно большими тепловыми эффектами и энергиями активации.
Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения либо быть инициированным зажиганием. При фиксированных внешних условиях непрерывное горение может протекать в стационарном режиме, когда основные характеристики процесса — скорость реакции, мощность тепловыделения, температура и состав продуктов — не изменяются во времени, либо в периодическом режиме, когда эти характеристики колеблются около своих средних значений. Вследствие сильной нелинейной зависимости скорости реакции от температуры, горение отличается высокой чувствительностью к внешним условиям. Это же свойство горения обусловливает существование нескольких стационарных режимов при одних и тех же условиях (гистерезисный эффект).

Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов: вспышка, возгорание, воспламенение, самовозгорание, самовоспламенение, взрыв и детонация. Кроме того, существуют и особые виды горения: тление и холоднопламенное горение. Вспышка — процесс мгновенного сгорания паров легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, вызванный непосредственным воздействием источника воспламенения. Возгорание — явление возникновения горения под действием источника зажигания. Воспламенение — возгорание, сопровождающееся появлением пламени. При этом вся остальная масса горючего вещества остается относительно холодной. Самовозгорание — явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций в веществе, приводящее к возникновению горения при отсутствии источника зажигания. Самовоспламенение — это самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени. В производственных условиях могут самовозгораться древесные опилки, промасленная ветошь. Самовоспламеняться может бензин, керосин. Взрыв — быстрое химическое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.

Содержание

Теория горения

При адиабатическом сжигании горючей смеси могут быть рассчитаны количество выделившегося при горении тепла, температура Т_Г, которая была бы достигнута при полном сгорании (адиабатическая температура горения) и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамические функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, Т_Г может быть рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы при постоянном объёме или её энтальпии при постоянном давлении в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: Т_Г = Т0 + Q_r/C, где Т₀ — начальная температура смеси, С — средняя в интервале температур от Т₀ до Т_Г удельная теплоёмкость исходной смеси (с учетом её изменения при возможных фазовых переходах), Q_r — удельная теплота сгорания смеси при температуре Т_Г. При относительном содержании а₀ в смеси компонентов, полностью расходуемых в реакции, Q_Г = Q*а₀ где Q — тепловой эффект реакции горения. Значение Т_Г при постоянном объёме больше, чем при постоянном давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатичекого горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакционным объёмом и окружающей средой, например в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.
Термодинамический расчёт даёт 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 макрокинетического подхода, рассматривающего химическую реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества.
В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всём пространстве, занятом горючей смесью (объёмное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде так называемой 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.

Описание процессов горения

Важность процесса горения в технических устройствах способствовала созданию различных моделей, позволяющих с необходимой точностью его описывать. Так называемое нулевое приближение включает описание химических реакций, изменение температуры, давления и состава реагентов во времени без изменения их массы. Оно соответствует процессам происходящим в закрытом объёме, в который была помещена горючая смесь и нагрета выше температуры воспламенения. Одно-, двух- и трёхмерные модели уже включает в себя перемещение реагентов в пространстве. Количество измерений соответствует количеству пространственных координат в модели. Режим горения бывает как и газодинамическое течение: ламинарным или турбулентным. Одномерное описанное ламинарного горения позволяет получить аналитически важные выводы о фронте горения, которые затем используются в более сложных турбулентных моделях.

Объёмное горение

Объемное горение происходит, например, в теплоизолированном реакторе идеального перемешивания, в который поступает при температуре Т₀ исходная смесь с относительным содержанием горючего а₀; при другой температуре горения реактор покидает смесь с иным относительным содержанием горючего а. При полном расходе G через реактор условия баланса энтальпии смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны уравнениями:

1. G(Qa₀ + CT₀) = G(Qa + CT)
2. Ga₀ — Ga = w(a, T)V

где w(а, Т) — скорость реакции горения, V — объём реактора. Используя выражение для термодинамической температуры Т_Г, можно из (1) получить:

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 n-ного порядка с энергией активации:

Диффузионное горение

Характеризуется раздельным подачей в зону горения горючего и окислителя. Перемешивание компонентов происходит в зоне горения. Пример: горение водорода и кислорода в ракетном двигателе, горение газа в бытовой газовой плите.

Горение предварительно смешанной среды

Как следует из названия, горение происходит в смеси, в которой одновременно присутствуют горючее и окислитель. Пример: горение в цилиндре двигателя внутреннего сгорания бензиново-воздушной смеси после инициализации процесса свечой зажигания.

Особенности горения в различных средах

Беспламенное горение

В отличие от обычного горения, когда наблюдаются зоны окислительного пламени и восстановительного пламени, возможно создание условий для беспламенного горения. Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора, например, окисление этанола на платиновой черни.

Твердофазное горение

Это автоволновые экзотермические процессы в смесях неорганических и органических порошков, не сопровождающиеся заметным газовыделением, и приводящие к получению исключительно конденсированных продуктов. В качестве промежуточных веществ, обеспечивающих массо-перенос, образуются газовые и жидкие фазы, не покидающие, однако, горящую систему. Известны примеры реагирующих порошков, в которых образование таких фаз не доказано (тантал-углерод).

Как синонимы используются тривиальные термины «безгазовое горение» и «твердопламенное горение».

Примером таких процессов служит СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) в неорганических и органических смесях.

Тление

Вид горения, при котором пламя не образуется, а зона горения медленно распространяется по материалу. Тление обычно наблюдается у пористых или волокнистых материалов с высоким содержанием воздуха или пропитанных окислителями.

Автогенное горение

Самоподдерживающиеся горение. Термин используется в технологиях сжигания отходов. Возможность автогенного (самоподдерживающегося) горения отходов определяется предельным содержанием балластирующих компонентов: влаги и золы. На основе многолетних исследований шведский учёный Таннер предложил для определения границ автогенного горения использовать треугольник-схему с предельными значениями: горючих более 25 %, влаги менее 50 %, золы менее 60 %.