Диффузионное горение
Диффузионное горение – это горение неперемешанных газо-, паровоздушных смесей с воздухом. Другими словами это режим горения, при котором газо-, паровоздушные смеси (газов, жидкостей) предварительно не перемешаны с воздухом (окислителем).
Оно свойственно конденсированным горючим веществам – жидкостям и твердым материалам.
Для диффузионного горения характерно наличие светящегося пламени. В зависимости от диаметра трубопровода, а также давления, при котором происходит истечение газов, диффузионное горение может быть ламинарным и турбулентным .
Для возникновения диффузионного горение необходимо, чтобы горючее вещество (материал) было нагрето источником зажигания до температуры воспламенения.
Диффузионное горение сопровождается, как правило, сажеобразованием, что характерно для турбулентных факелов, образуемых при горении нефтепродуктов в резервуарах.
К диффузионному горению относятся различные очаги пожаров.
Диффузионное горение характеризуется постоянным притоком горючего вещества в зону горения и смешением его с окислителем.
Большинство горючих веществ горит в газовой фазе (горючие жидкости, пластмассы и др.), т.е. при нагревании эти вещества создают над своей поверхностью паровое пространство, из которого частицы горючего вещества поступают в зону смешения с кислородом воздуха.
В случае диффузионного горения пламя, образующееся над горючим веществом, имеет три зоны (рис. 1), каждая из которых характеризуется различными составом и температурой.
Рис. 1. Схема диффузии кислорода в зоне горения газа
В 1 зоне – газы или пары. Горение не происходит. Температура не превышает 500 °С. Происходит разложение, пиролиз летучих и нагрев до температуры самовоспламенения.
Во 2 зоне – смесь паров (газов) с кислородом воздуха и происходит неполное сгорание до СО с частичным восстановлением до углерода (мало кислорода):
В 3 внешней зоне – полное сгорание продуктов второй зоны и наблюдается максимальная температура пламени:
Высота пламени пропорциональна коэффициенту диффузии и скорости потока газов и обратно пропорциональна плотности газа.
Диффузионное горение имеет место в условиях, когда горючее и окислитель диффундируют в зону реакции с противоположных сторон; таково, например, горение свечи, фитиля. Если при этом константа скорости k реакции горения много меньше константы скорости диффузии β, реагенты успевают перемещаться, и реакция протекает в обычном кинетическом режиме (относительно низкотемпературном). При k >> β реагенты взаимодействуют тотчас же после их поступления в зону реакции, прежде чем они полностью перемешаются, и реакция протекает в режиме горения, т.е. при высоких температурах.
Отношение диффузионных потоков реагентов определяется стехиометрией реакции; концентрации горючего и окислителя в зоне реакции малы, основной компонент смеси – продукты сгорания, которые диффундируют в области, занятые горючим и окислителем (рис. 2). Выделяющееся при реакции тепло передается горючему и окислителю, которые поступают в зону реакции нагретыми до высокой температуры. В отличие от горения перемешанных смесей, температура диффузионного горения зависит от отношения D/х. При D = х она совпадает с температурой горения перемешанной стехиометрической смеси горючего и окислителя, с уменьшением D/x – падает. По этой причине диффузионное горение не реализуется в конденсированных средах, для которых значения D/х очень малы; помимо газофазных систем, диффузионное горение характерно для гетерогенных реакций на поверхности (горение твердых веществ, гетерогенно-каталитическое горение).
Рис. 2. Распределение концентрации окислителя (1), горючего (2), продуктов реакции (3) и температуры смеси (4) во фронте диффузионного горения
х – пространственная координата;
ТГ – адиабатическая температура горения.
Массовая скорость m диффузионного горения определяется скоростью диффузии реагентов в зону реакции. Рост m с увеличением скорости диффузии возможен лишь до определенного предела. Это предельное значение m близко по величине к массовой скорости горения в пламени, распространяющемся по стехиометрической смеси горючего и окислителя. По достижении предельного значения m реакция переходит в низкотемпературный кинетический режим (происходит срыв горения). От начальной температуры реагентов Т0 m практически не зависит, однако при некотором минимальном для данного набора остальных параметров значении Т0 диффузионное горение невозможно.
Дополнительно о кинетическом горении, его видах и характеристике
Источники: Диффузионное горение жидкостей. Блинов В.И., Худяков Г.Н. –М., 1961; Химическая энциклопедия в 5 томах. Том 1. Кнунянц И.Л., Зефиров Н.С., Кулов Н.Н.
Диффузионное пламя
Пространство, в котором сгорают пары и газы, называется пламенем или факелом. Пламя может быть кинетическим или диффузионным в зависимости от того, горит ли заранее подготовленная смесь паров или газов с воздухом или такая смесь образуется в пламени в процессе горения. В условиях пожара газы, жидкости и твердые вещества горят диффузионным пламенем.
Структура диффузионного пламени существенно зависит от сечения потока горючих паров и газов и его скорости. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя. Ламинарное пламя возникает при малых сечениях потока паров или газов, движущихся с небольшой скоростью (пламя свечи, спички, газа в горелке небольшого диаметра и т.д.). При пожарах образуется турбулентное пламя. Оно меньше изучено, и для объяснения этого явления используют положения теории ламинарного пламени.
Пламя состоит из зоны горения и зоны паров, последняя
занимает почти весь объем пламени. Подобное по строению пламя образуется также при горении газов и твердых веществ, если скорость движения газов и паров соответствует ламинарному режиму.
Зона горения в диффузионном пламени представляет собой очень тонкий слой, в котором протекает реакция горения. Превращение веществ и выделение тепла в этом слое вызывают возникновение молекулярной диффузии в прилегающих к нему слоях воздуха и горючего. Причиной молекулярной диффузии является разность парциальных давлений и температур газов, участвующих в горении.
Распределение концентраций газов и паров в ламинарном диффузионном пламени и окружающей его среде отражает процессы диффузии, происходящие в пламени. Образующиеся
в зоне горения продукты сгорания диффундируют как в воздух, так и в горючие пары и газы. В пламени малого размера продукты сгорания находятся во всем объеме зоны паров и газов, а в пламени большого размера только в слое, прилегающем к зоне горения. Концентрация кислорода в зоне горения равна нулю, так как он полностью вступает в реакцию. Вследствие
этого кислород в зону паров диффундировать не может, и горение в ней отсутствует.
Турбулентное пламя отличается от ламинарного тем, что не имеет четких очертаний и постоянного положения фронта пламени. Температура его при горении нефтепродуктов составляет: 1200 °С для бензина, 1100 °С для керосина тракторного, дизельного топлива, сырой нефти и 1000 °С для мазута. При горении древесины в штабелях температура турбулентного пламени составляет 1200—1300 °С.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Пламя
Пламя – газообразная среда, в которой происходит взаимодействие горючего и окислителя, выделяется тепло и развиваются высокие температуры.
Пламя классифицируют по:
агрегатному состоянию горючих веществ – пламя газообразных, жидких, твёрдых и аэродисперсных реагентов;
излучению – светящиеся, окрашенные, бесцветные;
состоянию среды горючее – окислитель – диффузионные, предварительно перемешанных сред;
характеру перемещения реакционной среды – ламинарные, турбулентные, пульсирующие;
температуре – холодные, низкотемпературные, высокотемпературные;
скорости распространения – медленные, быстрые;
высоте – короткие, длинные;
визуальному восприятию – коптящие, прозрачные, цветные.
В ламинарном диффузионном пламени можно выделить 3 зоны (оболочки).
Внутри конуса пламени имеются:
тёмная зона (300-350°С), где горение не происходит из-за недостатка окислителя;
светящаяся зона, где происходит термическое разложение горючего и частичное его сгорание (500-800°С);
едва светящаяся зона, которая характеризуется окончательным сгоранием продуктов разложения горючего и максимальной температурой (900-1500°С).
Температура пламени зависит от природы горючего вещества и интенсивности подвода окислителя.
Распространение пламени по предварительно перемешанной среде (невозмущённой), происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к поверхности пламени. Величина такой НСРП является основной характеристикой горючей среды. Она представляет собой минимально возможную скорость пламени. Значения НСРП отличаются у различных горючих смесей – от 0,03 до 15 м/с.
Распространение пламени по реально существующим газовоздушным смесям всегда осложнено внешними возмущающими воздействиями, обусловленными силами тяжести, конвективными потоками, трением и т.д. Поэтому реальные скорости распространения пламени всегда отличаются от нормальных. В зависимости от характера горения скорости распространения пламени имеют следующие диапазоны величин: при дефлаграционном горении – до 100 м/с; при взрывном горении – от 300 до 1000 м/с; при детонационном горении – св. 1000 м/с.
Диффузионное пламя
Пространство, в котором сгорают пары и газы, называется пламенем или факелом. Пламя может быть кинетическим или диффузионным в зависимости от того, горит ли заранее подготовленная смесь паров или газов с воздухом или такая смесь образуется в пламени в процессе горения. В условиях пожара газы, жидкости и твердые вещества горят диффузионным пламенем.
Рис. 4. Строение ламинарного диффузионного пламени
Структура диффузионного пламени существенно зависит от сечения потока горючих паров и газов и его скорости. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя. Ламинарное пламя возникает при малых сечениях потока паров или газов, движущихся с небольшой скоростью (пламя свечи, спички газа в горелке небольшого диаметра и т. д.). При пожарах образуется турбулентное пламя. Оно меньше изучено, и для объяснения этого явления используют положения теории ламинарного пламени. На рис. 4 показано строений ламинарного диффузионного пламени жидкости горящей в сосуде небольшого диаметра. Пламя состоит из зоны горения и зоны паров, последняя занимает почти весь объем пламени.
Подобное по строению пламя образуется также при горении газов и твердых веществ, если скорость движения газов и паров соответствует ламинарному режиму. Зона горения в диффузионном пламени представляет собой очень тонкий слой в котором протекает реакция горения. Превращение веществ и выделение тепла в этом слое вызывают возникновение молекулярной диффузии в прилегающих к нему слоях воздуха и горючего. Причиной молекулярной диффузии является разность парциальных давлении и температур газов, участвующих в горении.
Рис. 7. Температура зон пламени горения керосина.
На рис 5 показана схема распределения концентраций газов и паров в ламинарном диффузионном пламени и окружающей его среде. Эта схема отражает процессы диффузии, происходящие в пламени. Образующиеся в зоне горения продукты сгорания диффундируют как в воздух, так и в горючие пары и газы (см. рис. 4). В пламени малого размера (на рис. 5 диаметр горелки равен 6,53 мм) продукты сгорания находятся во всем объеме зоны паров и газов, а в пламени большого размера только в слое, прилегающем к зоне горения (см. рис. 4). Концентрация кислорода в зоне горения равна нулю, так как он полностью вступает в реакцию. Вследствие этого кислород в зону паров диффундировать не может, и горение в ней отсутствует. Отсутствие горения в зоне паров и газов можно продемонстрировать на следующем опыте.
В плоский сосуд диаметром 5—6 см (рис. 6) наливают горячую жидкость и зажигают ее. Когда жидкость разгорится, снизу к краю сосуда подносят горящую лучину. Продукты сгорания от лучины огибают край сосуда и движутся вверх, прекращая доступ кислорода к пламени. В месте соприкосновения продуктов сгорания лучины с пламенем горения не наблюдается. В образовавшееся отверстие («окно») можно видеть, что горение в зоне паров и газов отсутствует, и зона горения, видимая по ее свечению, представляет собой тонкий газовый слой.
Отсутствие кислорода в зоне горения вызывает диффузию в нее воздуха из окружающей среды. Воздух диффундирует через слой продуктов сгорания, поэтому концентрации кислорода и азота по мере приближения к зоне горения понижаются (см. рис. 5). Поступающий в зону горения кислород реагирует с диффундирующим в нее горючим, а азот диффундирует в зону паров и газов. В результате этого состав горючей смеси по фронту пламени стремится к стехиометрическому.
Температура в зоне паров значительно ниже, чем в зоне горения. Так, в пламени керосина (рис. 7) температура потока паров около поверхности жидкости равна температуре кипения ее. По мере движения потока к зоне горения температура паров (на рис. 7 — точки на вертикальной линии) повышается: сначала за счет излучения зоны горения, а затем в результате диффузии из нее нагретых продуктов сгорания. Нагрев обусловливает термическую диссоциацию паров около зоны горения; при этом образующиеся свободные атомы и радикалы совместно с продуктами сгорания поступают в зону горения. Атомы углерода, поступая в зону горения, возбуждаются и, будучи некоторое время в свободном состоянии, светятся. Если вместо углерода вводить в пламя частицы других твердых веществ, пламя приобретает иной, чем при горении углерода, цвет. Так, если в несветящее пламя метилового спирта ввести соль стронция, то пламя окрасится в красный цвет, при введении соли меди — в синий или зеленый.
Температура зоны горения пламени меняется по высоте его. Объясняется это изменением состава стехиометрической смеси в зоне горения и затратой тепла на нагрев поступающего в нее воздуха. В нижней части пламени, хотя и образуется стехиометрическая смесь с наибольшей теплотой горения, однако температура горения не является здесь максимальной, так как значительное количество тепла затрачивается на нагрев холодного воздуха. В средней части пламени теплота горения стехиометрической смеси меньше, чем в нижней, что обусловлено диффузией в нее продуктов сгорания, однако поступающий в зону горения нагретый воздух компенсирует потери тепла, и температура горения в этой части пламени является максимальной. В верхней части диффузионного пламени стехиометрическая смесь имеет еще меньшую теплоту горения, и нагретый воздух, поступающий для ее образования, не может компенсировать всех потерь тепла, поэтому температура горения здесь минимальная. Поэтому в верхней части пламени часто образуется сажа.
Турбулентное пламя отличается от ламинарного тем, что не имеет четких очертаний и постоянного положения фронта пламени. Температура его при горении нефтепродуктов составляет: 1200 °С для бензина, 1100 °С для керосина тракторного, дизельного топлива, сырой нефти и 1000 °С для мазута. При горении древесины в штабелях температура турбулентного пламени составляет 1200—1300 °С.