Вопрос 1. Определение процесса горения, необходимые и достаточные условия для горения. Виды горения.

ЛЕКЦИЯ 1

РАЗДЕЛ 1. Основные представления о горении

Явления, наблюдающиеся при горении свечи, таковы, что нет ни одного закона природы, который при этом не был бы так или иначе затронут.

М. Фарадей

ТЕМА 1. ОСНОВЫ ПРОЦЕСОВ ГОРЕНИЯ

Вопросы:

1. Определение процесса горения, необходимые и достаточные условия для горения. Виды горения.

2. Основные характеристики пламени. Температура пламени.

3. Классификация горючих веществ, окислителей и источников зажигания. Химические реакции, протекающие при горении.

В середине XVIII века М.В.Ломоносов впервые высказал предположение о том, что процесс горения - это процесс взаимодействия горючего вещества с кислородом воздуха, т.е. окисление. Французский ученый А. Лавуазье в 1772-76 г. г. экспериментально подтвердил это. В 1883 году французские химики Маляр и Ле-Шателье измерили нормальную скорость распространения пламени. Выдающийся вклад в создание и развитие теории горения внесли представители русской и советской школы. Наш соотечественник, физик и метеоролог В.А. Михельсон в начале 1900-х годов установил зависимость скорости распространения фронта пламени от состава горючей смеси, заложил основы тепловой теории взрывного горения, развил теорию горения газа в горелке Бунзена.

Основоположник советской школы горения, лауреат Нобелевской премии, академик Н.Н. Семенов разработал теорию разветвленных цепных реакций и теплового самовоспламенения (взрыва). Академик Я.Б. Зельдович и профессор Д.А. Франк-Каменецкий создали теорию распространения пламени. Основополагающие исследования наших ученых получили всемирное признание.

Горение - это быстропротекающий (секунды или доли секунд), окислительно-восстановительный, экзотермический,

самоподдерживающийся процесс, часто сопровождающийся свечением и образованием пламени.

Отсутствие какого-либо из указанных признаков будет свидетельствовать о том, что рассматриваемый процесс к горению не относится, например, коррозия металлов, свечение электролампочки, фосфоресценция и т.п.

В понятие горения не входят медленные реакции (низкотемпературное окисление, биохимическое окисление) и очень быстрые (взрывчатые превращения). Горение происходит не только за счет образования оксидов, но также за счет образования фторидов, хлоридов и нитридов. Установлено, что в качестве окислителя в реакциях горения могут выступать кислородсодержащие ангидриды, соли и кислоты элементов переменной валентности (серы, азота, хрома, марганца, хлора и др.).

Реакции окисления экзотермичны, следовательно, при горении выделяется большое количество теплоты. Этим обусловлена высокая температура процессов горения, например, древесины - 700-800°С, нефтепродуктов - 1300-1500°С. Согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 10°С скорость реакции увеличивается в 2-4 раза, то есть скорость реакции окисления должна быть высокой. Отсюда следует, что в основе процессов горения лежат высокоскоростные и высокотемпературные реакции окисления. При горении образуются нагретые до высокой температуры летучие продукты: С0₂, Н₂0, СО и др. Плотность раскаленных продуктов горения в 3-5 раз меньше плотности окружающего воздуха. Поэтому они вытесняются свежим воздухом вверх, т.е. над очагом горения существует непрерывно поднимающийся вверх конвективный поток горячей определения Т_с. Начиная с некоторых предельных значений, смеси, как бедные, так и богатые, не способны воспламеняться. Это подтверждается экспериментально. Например, кривая зависимости Т_с = f(C) для оксида

Рис. 6. Зависимость температуры самовоспламенения

от состава смеси

4. Скорость реакции горения зависит от давления и катализаторов, поэтому температура самовоспламенения зависит также и от этих факторов (табл.1). Таблица 1 Изменение температуры самовоспламенения в зависимости от давления

Вещество	Т_с, К при давлении р-10"⁵ Па:
1,013	5,065	10,13	15,18	20,26	25,23
Бензин
Бензол

Катализаторы, как известно, делятся на положительные (ускоряющие) и отрицательные (замедляющие реакцию). Положительные катализаторы снижают температуру самовоспламенения, а отрицательные - повышают.

Каталитическими свойствами могут обладать стенки сосуда, в котором находится горючая смесь. С увеличением каталитической активности материала стенки сосуда Т_с снижается.

Температура самовоспламенения смеси горючих веществ обычно не подчиняется правилу аддитивности. Так, например, температура самовоспламенения смеси метанола и диэтилового эфира разного состава всегда ниже рассчитанной по правилу аддитивности.

Таким образом, приведенные данные показывают, что температура

самовоспламенения действительно не является константой, а зависит от

множества факторов. Истинное ее значение в точке С на рис^2 экспериментально можно определить только путем прямого измерения температуры. Однако современные средства измерений не позволяют пока это сделать с достаточной степенью точности, поскольку неизвестно, в какой именно точке объема горючей смеси возникает первоначальный очаг горения. Тепловая теория самовоспламенения подсказывает выход из данной ситуации. В точке касания С, с одной стороны, существует равенство тепловыделения и теплоотвода. С другой стороны, в точке С каждая функция является касательной к другой, т.е. производные по температуре от q+ и q_ также должны быть равны между собой В математической форме это будет иметь следующий вид:

Qrop^-V-k₀-C_r0p-C₀K-exp(-E/RT_c) = a (T-To)-S (27)

и для производных:

Q_r0p-V-k_o-C_r0p-C_0K-exp(-E/RTc)-E/RT_c² = a-S (28)

Разделив (27) на (28), получим:

RT_c²/E = Т_с - Т₀. (29)

Путем несложных математических преобразований из этого квадратного уравнения можно найти выражение для Тс, которое будет иметь вид: T_c = To + RT_c²/E. (30)

Из рис.2 видно, что при самовоспламенении смесь в сосуде нагревается от температуры Т₀ до Т_с. Расчеты показывают, что разница между ними невелика. Например, для углеводородов она равна всего 30 °С.

Это обстоятельство используется на практике: за температуру самовоспламенения принимается наименьшая температура стенки сосуда, при которой происходит самовоспламенение.

Так как температура самовоспламенения зависит от условий ее определения (от материала сосуда, его формы, размеров и т.д.), то чтобы исключить этот момент, в нашей стране и за рубежом законодательным путем установлены одинаковые для всех лабораторий условия испытаний, зафиксированные в ГОСТе 12.1.044. Следует отметить, что методика эта универсальна и применяется для определения температуры самовоспламенения газов, жидкостей и твердых горючих веществ. В настоящее время температура самовоспламенения определена для многих веществ, и ее можно найти в справочной литературе. Для алканов, ароматических углеводородов и алифатических спиртов она может быть приближенно рассчитана по условной средней длине молекулы соединения.