Кінетика реакцій горіння

Кінетика горіння - це вчення про швидкості і механізм хімічних реакцій при згорянні палива.

(ПРИМ: НА ШВИДКІСТЬ РЕАКЦІЇ ВПЛИВАЮТЬ конценраций І ТЕМПЕРАТУРА)

Під горінням розуміють бистропротекающее хімічне перетворення, що супроводжується виділенням значної кількості тепла і зазвичай яскравим свіченням (полум'ям).

У загальному випадку при горінні відбувається утворення нових молекул або перерозподіл хімічних зв'язків між молекулами, які беруть участь в реакції.

Хімічна реакція горіння в більшості випадків є складною, тобто складається з більшого числа елементарних хімічних процесів. Крім того, хімічні перетворення при горінні пов'язані з рядом фізичних процесів (перенесенням тепла і мас) і характеризуються відповідними гідро і газодинамічними закономірностями

Горінням називається швидка хімічна реакція сполуки горючих компонентів з киснем, що супроводжується інтенсивним виділенням тепла і різким підвищенням температури.

Реакції горіння описуються стехиометрическими рівняннями, що характеризують якісно і кількісно вступають в реакцію і утворюються в результаті неї речовини.

2СО + О2 = 2СО2 + 67,5 ккал / моль

З цього рівняння можна визначити кількість кисню, необхідне для згоряння будь-якого вуглеводневого газу, або так званий стехиометрический коефіцієнт.

На 1 м 3 кисню доводиться 4,76 м 3 повітря і 3,76 м 3 азоту.

За формулою визначають теоретичний витрата повітря Vт.

У практиці газопостачання для спалювання газу до газовими пальниками подають більшу кількість повітря, ніж потрібно за стехиометрическим рівнянням. Пояснюється це тим, що для повного згоряння газу необхідно подати потрібну кількість окислювача, крім цього забезпечити ретельне перемішування газу і повітря, тобто забезпечити максимальну кількість сприятливих зіткнень молекул газу і повітря. Це кількість повітря називають дійсним Vд.

Надлишок повітря характеризується коефіцієнтом надлишку повітря:

a залежить від способу спалювання газу і від конструкції газового пальника.

Характерна риса горіння - здібність до просторового поширення. Це пояснюється або дифузією активних частинок в паливній суміші, або утворенням нових активних центрів внаслідок підведення енергії в формі теплоти з зон хімічних реакцій. У першому випадку говорять про диффузионном, а в другому - про тепловому механізмі поширення полум'я.

Для будь-якого виду горіння характерні дві типові стадії-займання і подальше згоряння (Догорание) палива. Час, витрачений на обидві стадії, становить загальний час горіння. Забезпечення мінімального сумарного часу горіння при максимальному тепловиділенні є основним завданням техніки спалювання.

При кінетичному принципі попередньо, до початку процесу горіння, створюється однорідна горюча суміш, яка містить газ в кілька більшій кількості, ніж потрібно за стехиометрическим співвідношенням. Від згоряння такої суміші відбувається в короткому жорсткому прозорому факелі без видимих ​​піролітичних (піроліз - розпад під впливом спека) процесів, що призводять до утворення в полум'я сажістих частинок. При цьому горіння може протікати при необмежено великому об'ємному теплонапружених, без утворення продуктів неповного згоряння.

Зазвичай для спалювання по кінетичного принципом застосовують спеціальні змішувачі або інжекційні пальники, що готують однорідну (однорідну) газоповітряну суміш з коефіцієнтом надлишку первинного повітря α1 = 1.02 ÷ 1.05. При меншому вмісті первинного повітря по кінетичного принципом протікає тільки початкова стадія горіння, до використання кисню, що знаходиться в суміші з газом.

Залежно від кількості атомів або молекул, що вступають в з'єднання, реакції поділяють по порядку на мономолекулярні, бімолекулярні і тримолекулярного.

У мономолекулярних реакціях (реакція першого порядку) продукти утворюються в результаті хімічного перетворення окремої молекули.

У бімолекурярних реакціях (реакціях другого порядку) відбувається взаємодія між двома молекулами або атомами або атомом і молекулою.

У тримолекулярного реакціях (реакція третього порядку) взаємодіють три частки.

Чим вище порядок реакції, тим повільніше вона протікає. так як для її здійснення необхідно одночасне зіткнення декількох молекул або атомів. Реакції вище третього порядку не зустрічаються, бо одночасне зіткнення чотирьох і більше молекул, що володіють достатньою енергією для реакції, малоймовірно.

Розрізняють гомогенний і гетерогенний горіння. При гомогенному горінні пальне і окислювач подаються в однакових агрегатних станах, при гетерогенному - в різних. (Приклад гомогенного - спалювання газоповітряної суміші, приклад гетерогенното - спалювання твердого палива, напр. Дрова в печі)

У топкових пристроях відбувається постійна подача палива і окислювача в зону горіння, і, отже, в ядрі горіння зберігається практично постійна концентрація реагуючих речовин в часі. У цих умовах максимальна швидкість реакції може бути досягнута при співвідношенні концентрацій вихідних речовин, близькому до стехиометрическому С ° 0р, коли в результаті реакції не залишається надлишку будь-якого з них. При надлишку пального (багата суміш) або при малій його концентрації (бідна суміш) швидкість реакції знижується через уменьше-ня тепловиділення на одиницю об'єму. Існує нижня межа концентрацій пального (НП), нижче якого горіння стає неможливим, і верхня межа (ВП), коли подальше збільшення кон-центрації пального в суміші також припиняє горіння.

У всьому діапазоні концентрацій між цими межами горіння можливо. При згорянні го-рючей суміші в замкнутому об'ємі і від-присутність відведення теплоти у поза теп-ловиделеніе в процесі реакції пе-Реда продуктам згоряння і приво-дит до максимального підвищення їх температури.

У топкових пристроях завжди має місце відведення теплоти із зони ре-акції до поверхонь нагріву. З по-щення температури в зоні основ-ного горіння збільшується і відведення теплоти, далі по мірі вигоряння топ-лива тепловиділення знижується, а вме-сте з ним відбувається спад температури продуктів згоряння, так як тепловідвід зберігається досить високим.

Температура суміші, починаючи з якої система здатна до самоуско-ренію реакції до стійкого горіння, називається температурою воспламненія.

Горінню передує процес займання паливної суміші. Процес займання може бути або вимушеним. або автономним (самозаймання).

При вимушеному займанні для початку реакцій горіння використовується зовнішнє джерело енергії (іскра електричної свічки, розпечені продукти згоряння будь-якого палива і т.д.). У паливній суміші, що знаходиться в безпосередній близькості від джерела запалювання, створюється місцеве підвищення температури і накопичення активних частинок. Якщо цього активізує впливу буде досить для збільшення швидкості реакції в суміші, то суміш в цьому місці запалюється, і далі полум'я буде поширюватися від джерела запалення по всьому об'єму.

При автономному займанні необхідність стороннього джерелі енергії відпадає. Тут реакції горіння починаються за рахунок хімічної активності при з'єднанні компонентів навіть при низьких температурах. Це призводить до підвищення температури і накопичення активних частинок, і якщо суміш пального і окислювача буде однорідна, то займання станеться у всьому обсязі. В реальних випадках внаслідок неідеальності перемішування компонентів палива суміш за обсягом є неоднорідною: у одних областях відсутня окислювач, в інших - пальне. Є й області, в яких склад суміші виявляється найбільш сприятливим для самозаймання. Тут і з'являються перші осередки горіння. У міру збільшення температури і накопичення активних частинок навколо цих вогнищ полум'я поширюється на весь обсяг.

Сам процес займання в залежності від причини збільшення швидкості реакції може носити характер теплового або ланцюгового займання.

Якщо основною причиною різкого зростання швидкості реакції є розігрів суміші, то займання називається тепловим. Якщо ж помітного зростання температури не спостерігається, а основною причиною різкого збільшення швидкості реакції є накопичення активних радикалів і атомів, то займання називається ланцюговим.

У разі займання має пройти деякий час з моменту впуску суміші в посудину до різкого підвищення температури і тиску. За цей час відбувається підготовка суміші до згорання: підвищується температура, накопичуються активні проміжні продукти згоряння.

Проміжок часу, протягом якого суміш стає здатною до займання, називається періодом індукції, або затримкою займання.

Навігація по публікаціям

Схожі статті