شیمی فرایندهای احتراق انرژی انفجاری

انرژی انفجاری

مزایای اصلی مواد منفجره بر سایر منابع انرژی عبارتند از جمعیت، حمل و نقل و این واقعیت که انتشار انرژی در کوتاه مدت می تواند صورت گیرد و امکان توسعه قدرت عظیم فراهم شود. بنابراین، با انفجار یک کروی شارژ با جرم 1 کیلوگرم و تراکم 1.65 g / cm3، ساخته شده از مواد منفجره قوی - هگز زنگ، در مرکز تحریک شده (آغاز شده)، سرعت انتشار دگرگونی مواد منفجره از طریق ماده (انفجار) 8300 متر بر ثانیه است. راه ر  (شعاع شارژ)، که انفجار را منتقل می کند، از برابری تعیین می شود

کجا گپ -  تراکم توده و شارژ به ترتیب.

زمان اجرای فرآیند - τ = r / D (د  - سرعت انفجار).

قدرت N  (kJ / e) که در طی انفجار ایجاد شده است، می تواند برآورد شود، با دانستن میزان گرما آزاد شده است q  با تبدیل انفجاری 1 کیلوگرم RDX:

برای RDX q  = 5420 کیلوگرم در کیلوگرم قدرت محاسبه شده بیش از حد برآورد شده است، زیرا زمانیکه گازهای در حال گسترش انجام کار را در نظر نگیرند. لازم به ذکر است که بیش از ظرفیت بزرگترین نیروگاه های جهان است. انفجارهایی که قادر به چنین تغییری سریع هستند نامیده می شوند انفجار

انفجار مواد منفجره شروع به مواد منفجره ای می کند که عمدتا هیچ استفاده مستقل و فقط برای تهیه مواد منفجره استفاده می شود. ابزار انفجار (کلاهبرداری انفجاری، کارتریج انفجاری، فیوز، کابل انفجاری، و غیره) به یک زیرگروه ویژه متصل می شوند. انفجار مواد منفجره، باروت و مواد منفجره یک گروه مواد منفجره را تشکیل می دهند. هر دو در هنگام انفجار و احتراق در هنگام شلیک، شرایط اضافی برای تبدیل مواد منفجره به گاز تحمیل می شود: برای نیروگاه های تفنگ - احتراق حالت پایدار در فشار های مختلف، برای انفجار مواد منفجره - نرخ بسیار بالای پخش از طریق مواد.

با این حال، مواد منفجره قادر هستند نه تنها به تحولات سریع تبدیل شوند. اگر مقدار کمی مواد منفجره را به وسیله ابزارهای معمول بسوزانید و اجازه دهید آن را در شرایط جوی بدون مانع از تخلیه گازها بسوزانید، احتراق به آرامی و آرام انجام می شود. روش تخریب مواد منفجره غیر قابل استفاده توسط سوزاندن بر اساس این، بر اساس اعدام واجد شرایط، نسبتا امن و راحت است. در صورت احتراق نادرست، ممکن است شرایطی بوجود آید که در آن احتراق به طور خود به خود منفجر شود و تبدیل سریع مواد منفجره به گازها بوجود آید.

انفجار چیست؟ انفجار به انتقال فیزیکی یا شیمیایی یک ماده اشاره دارد که در آن انرژی آن به سرعت به انرژی فشرده سازی و حرکت ماده یا محصول و یا تغییرات آن و محیط تبدیل می شود.  انرژی انفجار ممکن است متفاوت باشد. انتشار مواد شیمیایی، انرژی الکتریکی، هسته ای، انرژی هسته ای، حرارتی، انرژی جنبشی، انرژی فشرده سازی الاستیک می تواند همراه با فرایندهای انفجاری باشد. به عنوان مثال، در روش الکتریکی جرقه تخریب مواد، از میکروسپالسونی ها استفاده می شود که منبع انرژی آن تخلیه الکتریکی است و حامل انرژی محصول تبخیر و تجزیه است و یا به سادگی گرمایش رسانه ای که در آن تخلیه انجام می شود. انفجار ناشی از نابودی سیلندرهای گاز فشرده، دیگ بخار و مخازن با فشار بالا می تواند با سرعت بالا ادامه یابد و باعث آسیب جدی به فضای اطراف شود.

با این حال، مهمترین اهمیت استفاده از انرژی پتانسیل شیمیایی است که در بسیاری از مواد در شرایط خاص (به عنوان یک نتیجه از واکنش شیمیایی) می تواند به سرعت به انرژی گازهای فشرده انتقال یابد. موادی که قادر به چنین تغییراتی هستند، انفجاری نامیده می شوند و انفجار شیمیایی است. در آینده، تحت انفجار، بدون رزرو ویژه، ما فقط به انفجار شیمیایی می فهمیم، و همه فرایندهای مورد مطالعه به فرآیندهای ناشی از انفجار شیمیایی مربوط می شود.

انفجار می تواند با مقدار انرژی آزاد شده مشخص شود. از آنجا که این فرآیند گاهی با پارامترهای تجهیزات (به عنوان مثال برای رادیاتورهای پنوماتیک - توسط حجم محفظه و فشار هوای فشرده) تنظیم می شود، باید بتواند انرژی آن را تعیین کند. برای یک رادیاتور پنوماتیک، آن برابر است PV /(ک  - 1)، جایی که ر  - فشار گاز فشرده؛ V -  محفظه حجم؛ k -  عامل اصلاح (برای هوا ک  = 1.4)، برای رادیاتور برقی الکتریکی - UC2/2,   کجا با  - ظرفیت U - تنش انرژی مواد شیمیایی مواد منفجره اغلب توسط حرارت انفجار در کیلووجول ها در هر کیلوگرم تنظیم می شود. به طور طبیعی، مقایسه منابع، انتقال انرژی از یک واحد به دیگری (کالری به ژول و غیره) است.

در ارتباط با توجه به انفجار، ما اجازه می دهیم که این فرایند، تا حدی که در مقابل آن قرار دارد، تحریک، که شروع به استفاده از تکنولوژی می کند. با انفجار بار انفجاری، سطح انرژی به دلیل گسترش به گازها اجازه می دهد تا کار بر روی محیط خارجی انجام دهند. در اثر تحریک ماده محیط اطراف منبع فشار بیشتری نسبت به منبع خود دارد و هنگامی که از بین بردن مانع جداسازی می شود، درون منبع سرشار از عصبانیت است. چنین فرایندی می تواند باعث اختلالات موج شود. ساده ترین مثال یک تحریک یک لامپ از یک لامپ الکتریکی (تخلیه شده)، در هوا شکسته است. فشار بالاتر از محفظه، انرژی بیشتر می تواند آزاد شود وقتی حفره سقوط می کند. در چاه های عمیق، حتی در حفره های کوچک نیز قابل توجه است. یک پدیده مشابه در انفجار زیر آب دیده می شود، زمانی که محصولات انفجاری بیش از حد گسترش می یابند تحت فشار هیدرواستاتیک. در لرزه نگاری، این به عنوان اثر دوم انفجار تولید شده در یک مخزن با عمق شارژ کافی در آن ثبت شده است.

انفجار شیمیایی  - تبدیل شیمیایی خود به خود از یک ماده که با سرعت بالا، تولید گرما و تشکیل گازهای فشرده شده به فشار بالا ادامه می یابد. انفجار یک مورد خاص از انفجار است که با یک ثابت و حداکثر سرعت برای یک ماده مشخص انجام می شود.

اول از همه، لازم است که انرژی (مقدار گرما) که در جریان انفجار آزاد شده است برآورد شود. واکنش های دو نوع - با انتشار گرما (اگزوترمی) و با جذب (اندرتمیک). گرما تشکیل مولکول ها - ترکیبات از اتم ها (گرمای تشکیل آن صفر است) می تواند منفی باشد (لازم است انرژی بیشتری در شکل گیری آنها از عناصر صرف شود) و همچنین مثبت باشد. انتشار گرما از مواد منفجره معمولا توسط واکنش بین اجزای قابل احتراق و عامل اکسید کننده (اکسیژن) ایجاد می شود که بخشی از آن است. اگر مواد منفجره یک ترکیب شیمیایی فردی باشند، در صورت وجود مخلوط، گروه های مختلفی در مولکول قرار می گیرند، آنها مواد مختلفی هستند که مخلوط را تشکیل می دهند. نسبت آنها تعادل اکسیژن ماده را تعیین می کند. وقتی که اکسیژن به اندازه کافی اجزای قابل احتراق مواد منفجره را اکسید نکنند، تعادل منفی است. در مواد با تعادل مثبت اکسیژن، بخشی از اکسیژن در انفجار باقی می ماند استفاده نشده و از کار افتاده است. خواص مواد منفجره کامپوزیت را می توان با انتخاب اکسیدان های مناسب و قابل اشتعال تغییر داد.

تعادل اکسیژن به عنوان کمبود یا بیش از حد (در گرم) اکسیژن مورد نیاز برای اکسیداسیون یا 100 گرم مواد منفجره باقی مانده در طول اکسیداسیون تعریف می شود. برای tetranitrometa C (NO2) 4 آن برابر با 49، نیترات آمونیوم NH4NO3 - +20، ترتیلیک C7H5N3O6 - 74، هگزوژن (س22N2) 3 - - 21.6 است. تعادل اکسیژن منفی اکسیژن، به صورت تعریف، برای هیدروژن (-794) است، حداکثر مثبت برای اکسیژن (+100) است.

نمونه ای از مواد منفجره با تعادل اکسیژن منفی، تورتیل، یک انفجار معمولی است. نام شیمیایی آن trinitrotoluene نامهای TNT است. همانطور که از فرمول ساختاری دیده می شود، اجزای قابل احتراق - اتم های هیدروژن و کربن و عامل اکسید کننده - اکسیژن هستند که بخشی از گروه نیتروژن (NO2) هستند در مولکول TNT هنوز هم در ارتباط نیستند:

بر مبنای فرمول ماده، شما می توانید مشخص کنید که در آن جهت واکنش در آن ادامه خواهد یافت، چه محصولاتی می تواند در این مورد شکل بگیرد. برای TNT، واکنش تجزیه مواد منفجره به شرح زیر است:

ترکیب محصولات بستگی به شرایط انفجار و وضعیت نهایی آنها (درجه گسترش) دارد. بسیاری از سیستم های انفجاری برای اولین بار متوجه واکنش هایی هستند که با حداکثر انتشار انرژی مشخص می شوند. بنابراین، در یک ماده با فرمول فرم CaH4McOd، با کمی کم اکسیژن [ د< (2a + b / 2)] اول از همه، هیدروژن به عنوان اکثر مزایا با اکسیژن واکنش نشان می دهد، از آنجا که 255 کیلو جی آزاد شده در هر واحد اکسیژن در طول تشکیل H2O و 187 kJ / در جریان تشکیل CO2 (گرما تشکیل CO 2 379 kJ / mol) است.

رویکرد به محاسبه گرمای تبدیل مواد منفجره که در آن محصولات واکنش احتمالی ضبط می شود، شکل گیری آن تأمین حداکثر اثر حرارتی آن، اصل حداکثر عملیات نامیده می شود. محاسبه تا حدودی این فرایند را ایده آل می کند و بیشترین دقت را برای سیستم های دارای مثبت یا با تعادل اکسیژن کمی منفی می دهد. در واقع، ترکیب محصولات انفجاری (PT) معمولا با این محاسبات مطابقت ندارد. دومی با توجه به این واقعیت است که تعامل به مدت طولانی پس از انفجار ادامه می یابد و تعادل بین محصولات واکنش با اثرات گرمایی مثبت و منفی ایجاد می شود. نمونه هایی از این واکنش ها هستند

برای محاسبه تقریبی سیستم هایی با تعادل اکسیژن منفی، می توانید از روش Le Chatelier بر اساس اصل حداکثر حجم استفاده کنید و در صورتی که حجم یکسان باشد، واکنش با انتشار گرما زیاد، اولویت دارد. این روش بیشتر برای تعیین وضعیت نهایی محصولات انفجاری معتبر است. واکنش غالب اکسیداسیون کربن به CO است. اگر اکسیژن در زیر کمر قرار گیرد، به همان اندازه برای اکسیداسیون اضافی CO و H2 صرف می شود. واکنش تجزیه RDX در این مورد به شرح زیر است:

محاسبه دقیق تر ترکیب مواد انفجاری با توجه به سینتیک و شرایط واکنش انجام می شود. دقت این محاسبات همیشه به دلیل کمبود اطلاعات قابل اطمینان در مورد وضعیت ماده در دماهای بالا و فشارها کافی نیست. داده های مربوط به گرما و ترکیب مواد انفجاری نیز به صورت تجربی به دست آمده است که روش های خاصی برای بررسی انفجار توسعه داده شده و با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است.

همانطور که قبلا ذکر شد، انرژی انفجاری با حرارت انتقال مواد منفجره مواد منفجره مشخص شده است. دانستن گرما تشکیل پیش سازها و محصولات انفجار و استفاده از قانون هس (اثر حرارتی این روند به مسیر تحول بستگی ندارد، بلکه در حالت اولیه و نهایی مواد)، ما می توانیم گرما و تعدادی از پارامترهای دیگر انفجار را محاسبه کنیم. چنین محاسباتی همچنین می تواند در عمل یک مهندس ژئوفیزیک رخ دهد، از آنجا که مواد منفجره مخلوط و باروت استفاده می شود و در مقادیر زیاد استفاده می شود.

محاسبه یک مخلوط انفجاری ارزان از نوع Idanit از نیترات آمونیوم گرانول با سوخت مایع را انجام دهید. برای سهولت محاسبه، به جای استفاده از فرآورده های نفتی - نفت خورشیدی یا نفت سفید که مخلوطی از مواد هستند - بنزن (C6H6) را می گیرد. در مورد زمانی که مخلوط مواد منفجره با نشان دادن اجزای و تعادل اکسیژن مشخص شده است، در نظر بگیرید. اجازه دهید داده شود که مخلوطی از بنزن و نیترات آمونیوم باید دارای تعادل اکسیژن -10 باشد، در غیر این صورت 10 گرم اکسیژن به طور کامل اکسیداسیون 100 گرم مخلوط خواهد شد. برای شروع، ما تعیین می کنیم که ترکیب مخلوط باید برای برآوردن این کار باشد.

به منظور ساده كردن راه حل، تصور كنيم كه مواد منفجره ما به دو صورت شامل دو بخش است: يكي از مولفه ها (در اين حالت سوخت، به علت تعادل منفي)، در مقداري كه تعادل مطلوبي را فراهم مي كند و مخلوطي از مواد مشخص شده تعادل صفر اكسيژن stoichiometric) اگر این نوع مخلوط را به میزان محاسبه شده سوخت اضافه کنیم، کل وزن را به 100 گرم اضافه می کنیم، ما یک ترکیب با یک تعادل اکسیژن داده می کنیم.

به طور مداوم انجام محاسبات انجام دهید.

بر روی اکسیداسیون مولکول بنزن (وزن مولکولی آن 78)

15 اتم اکسیژن نیاز دارد. بر این اساس، مقدار بنزن x1، که اکسیداسیون آن نیاز به 10 گرم اکسیژن دارد، از نسبت "بنزن - اکسیژن مورد نیاز" به دست می آید:

اضافه کردن به این مقدار (100 - x1) مخلوط g از صفر اکسیژن صفر، ما یک مخلوط از یک ترکیب داده می شود.

اجازه دهید ما به محاسبه محتوای اجزای 96.75 گرم از یک مخلوط استویکیومتر تبدیل شویم. اکسیژن اضافی را در اکسید کننده تعیین کنید. Saltpeter تجزیه و آزاد سازی اکسیژن:

علاوه بر این، 80 گرم عامل اکسید کننده (وزن مولکولی نیترات آمونیوم 80) 16 گرم اکسیژن را آزاد می کند. واکنش بین بنزن و نیترات آمونیوم در مخلوطی از تعادل صفر اکسیژن به عنوان نوشته شده است

سپس ما نسبت می دهیم:

بنابراین، در 96.75 گرم از مخلوط 5.85 گرم بنزن و 90.85 گرم نیترات آمونیوم خواهد بود. بنابراین، ترکیب نهایی مخلوط با تعادل اکسیژن داده شده و ترکیب محصولات انفجاری، محاسبه شده با توجه به اصل حداکثر عملیات، خواهد بود:

بدون استفاده از محاسبات، امکان فوری محتوای کربن آزاد در محصولات انفجاری ثبت شد، زیرا دقیقا حضور آن است که تعادل اکسیژن منفی مخلوط را تعیین می کند. از آنجایی که اکسیداسیون کامل 12 گرم کربن به 32 گرم اکسیژن نیاز دارد، 10 گرم اکسیژن می تواند گاز کربن یا یک کربن از کربن را اکسید کند. این ملاحظات برای بررسی صحت محاسبات انجام شده مفید است.

برای آماده سازی چنین مخلوط بسیار ساده است: مقدار مناسب نیترات باید با بنزن مخلوط شود. داشتن اجزای اولیه و دانستن ترکیب مواد انفجاری، گرمای انفجار سیستم را آسان می کند. گرما تشکیل اجزای اولیه و محصولات انفجاری در فهرست های مربوطه یافت می شود. بنابراین، برای 1 مول بنزن (در kJ / mol) -39.1، نیترات آمونیوم - +410.8، CO2 - +444.2، H2O - +727.7.

اثر حرارتی انفجار سئوالشارژ x در مشکل می تواند از معادله تعیین شود

(4.29)

این مخلوط 374 کیلوگرم / 100 گرم یا 3740 کیلوگرم در کیلوگرم خواهد بود.

حجم محصولات گازی تولید شده (در لیتر) را می توان از معادله واکنش با افزایش تعداد مول های گاز به میزان 22.4 (حجم یک مولکول گرم) محاسبه کرد. به طور طبیعی این باید وضعیت ماده را در نظر بگیرد. بدین ترتیب، کربن (درجه حرارت ذوب بالاتر از 3700 درجه سانتیگراد در فشار اتمسفر طبیعی) فاز گازی را نمی دهد، البته آب به بخار تبدیل خواهد شد. حجم محصولات انفجاری، که به شرایط طبیعی جو اطلاق می شود، نامیده می شود حجم داده شده  در مسئله مورد بحث در بالا، حدود 800 لیتر / کیلوگرم خواهد بود.

اگر حرارت و ترکیب محصولات انفجاری شناخته شده است، سپس درجه حرارت آنها Tخورشید می تواند از رابطه تعیین شود Tبالا = = Q / Cvcr کجاست باv cp ظرفیت متوسط ​​تولید انفجار (در حجم ثابت) برای بازه زمانی است Τ 0–Τ شارژ مهم است که توجه داشته باشیم که ظرفیت حرارتی عملکرد دما است.

اخیرا برخی از عوارض (صرفا فنی) را به محاسبه می رساند، زیرا نوع وابستگی شناخته شده است. با این وجود، استفاده از داده های آماده شده در محدوده گرمائی گازها در دماهای مختلف آسان تر است (جدول 4.1).

جدول 4.1

تغییر در مقدار گرما (انرژی داخلی) برخی گازها (kJ / mol)

با توجه به دما و دانستن ترکیب محصول انفجار، می توانید محتوای گرمایش را پیدا کنید و آن را با گرمای انفجار مقایسه کنید. مقایسه می شود ماهیت خطا در هنگام انتخاب درجه حرارت را تعیین می کند. تکرار عملیات، اما با دمای متفاوت (اصلاح شده)، می توانید از روش تقریبی برای پیدا کردن دمای انفجار استفاده کنید.

لازم به ذکر است که انرژی آزاد شده در انفجار نسبتا کوچک است: قوی ترین مواد منفجره دارای انفجار حرارت 6500-6700 کیلوگرم در کیلوگرم است. با انفجار 1 کیلوگرم TNT، حدود 4000 کیلوگرم گرما در هوا آزاد می شود و هنگام سوختن 1 کیلوگرم سوخت دیزلی - حدود 44000 کیلوگرم است. اما گرما احتراق 1 کیلوگرم مخلوط روغن دیزلی با اکسیژن تنها 10،000 کیلووات ساعت خواهد بود و 1 کیلوگرم مخلوط روغن دیزلی و هوا - 2670 کیلووات ساعت. بارها تأکید شده است که علاوه بر انتشار انرژی، انفجار با تشکیل محصولاتی که در یک حالت گاز طبیعی در آن دمایی که در طی انفجار دیده می شود، مشخص می شود.

گرچه گرما واکنش موریانه است

حدود 2.3 برابر بیشتر از حرارت تجزیه انفجاری TNT، احتراق آن آرام است؛ محصولات تولیدی، حتی در آن درجه حرارت که آنها گرم می شود، مایع باقی می ماند. اما به نظر می رسد که ترمیت فقط به ترتیب مورچه ها تغییر می کند: گرما تبدیل آب به بخار می شود و سوختن با فرایندهای انفجاری همراه است. انفجار در حجم اشغال شده توسط بار، انفجار بلافاصله فشرده شده به گازهای عظیم فشار - محصولات واکنش، اطمینان از تحقق انرژی منتشر شده به عنوان کار انجام شده توسط گسترش گازها.

هنگام ایجاد مواد منفجره، ما به طور طبیعی علاقه مند به این واقعیت است که با صد انفجار، انرژی بیشتری آزاد می شود و گازهای فشرده تشکیل می شوند که قادرند انرژی را به درستی درک کنند. گاهی اوقات این الزامات متناقض هستند بنابراين انرژي انفجار مواد منفجره را مي توان با انتخاب گيره مناسب، به ويژه معرفي فلزات به ترکيب مواد منفجره، به عنوان مثال، آلومينيوم (حرارت تشکيل A12O3 1599 kJ / mol) افزايش يابد. محصولات اکسیداسیون آلومینیوم جامد هستند. علاوه بر این (تا حد مشخصی) آلومینیوم به برخی ترکیبات انفجاری میتواند کارایی آن را افزایش دهد. مواد منفجره با افزایش گرما انفجاری وجود دارد که حاوی ترکیبات فلزات است. همانطور که قبلا اشاره شد، ترکیب محصولات انفجار نه تنها به انفجار بستگی دارد، بلکه همچنین به شرایط انفجار: روش شروع، اندازه و طراحی بار و پوسته، شرایط محیطی که انفجار رخ می دهد. اگر محصولات اولیه ثابت باقی بمانند و ترکیب محصولات انفجاری تغییر کند، اثر حرارتی انفجار نیز تغییر خواهد کرد، بنابراین برای برخی از مواد منفجره، مقادیر مختلف گرمای انفجار بسته به شرایطی که انجام می شود، داده می شود. به عنوان مثال، در جدول. 4.2 نشان می دهد (با توجه به R. Schmidt) ترکیب محصولات انفجار TNT (تراکم 1.52) هنگامی که یک انفجار شارژ توسط آغازگر ضعیف و قوی هیجان زده است.

به منظور تبدیل مواد منفجره به دلیل شروع یک واکنش شیمیایی سریع برای گذراندن کل بار، این فرایند باید خودپروپایی باشد. برای انجام این کار، واکنش شیمیایی باید ویژگی های جنبشی مناسب داشته باشد و انتشار انرژی باید زیان های اجتناب ناپذیر را جبران کند. سرعت واکنش، توانایی خودکفایی، بی نظمی، تشکیل گاز، از یکدیگر متصل هستند و بر یکدیگر و مرزهای فرایند انفجاری تاثیر می گذارد.

جدول 4.2

ترکیب محصولات انفجار TNT

در برگه 4.3 ویژگی های تعدادی مواد منفجره و پودر مورد استفاده در صنعت را نشان می دهد.

جدول 4.3

ویژگی های انفجاری برخی مواد منفجره

یک انفجار در یک انفجار انرژی را به دلیل این واقعیت که مقدار کمی از مواد منفجره جامد یا مایع تبدیل به مقدار زیادی گازهایی که به دمای هزاران درجه گرم می شوند، آزاد می کند. برای انواع مختلف مواد منفجره، حجم گازهای آزاد شده در هر کیلوگرم مواد منفجره، داشتن حجم اولیه نه بیشتر از 0.8-1 لیتر، مقدار 300 تا 1000 لیتر و بیشتر است. شکل گرفته در انفجار محصولات تجزیه گازهای گرم مواد منفجره شروع به گسترش، تولید کار مکانیکی. بنابراين مواد منفجره ذخيره انرژي ناپيوسته شيميايي که در اثر انفجار آزاد شده است، ذخيره مي شود با این حال، نه تنها مواد منفجره دارای انرژی پنهان هستند، بلکه، برای مثال، بنزین، زغالسنگ، چوب و سایر مواد قابل احتراق. این انرژی مواد قابل اشتعال را می توان در حین احتراق آزاد کرد. چرا، به منظور تخریب و پرتاب، مواد منفجره و باروت به جای، به عنوان مثال، بنزین استفاده می شود؟ شناخته شده است که 1 کیلوگرم انرژی بنزین 10 بار بیش از 1 کیلوگرم TNT و 12 برابر بیشتر از پودر پیروکسیلین دودی است. اما بار انفجاری و بار باران با سرعت بسیار زیاد به گاز تبدیل می شود و بنزین و یا هر سوخت نمی توانند بدون هوا و اکسیژن آزاد کافی بسوزانند. احتراق 1 کیلوگرم بنزین نیاز اکسیژن به همان اندازه که در 15.5 کیلوگرم هوا قرار دارد. بنابراین، گرمای احتراق (انرژی) سوخت باید برای 1 کیلوگرم مخلوط آن با اکسیژن لازم برای احتراق کامل شمارش شود. با این محاسبه، تفاوت انرژی احتراق مخلوط بنزین با اکسیژن و انرژی انفجار یک بار انفجاری از همان مقدار کمتر از داده شده در بالا است، با این حال، در این مورد، مقدار انرژی آزاد شده در هنگام احتراق بنزین بیشتر است: پودر دود سیگار - 2860 کیلوگرم در کیلوگرم / کیلوگرم، تورتیل - 4100 کیلووات ساعت / کیلوگرم، مخلوطی از بنزین با اکسیژن - 11000 کیلوگرم در کیلوگرم. در نتیجه، مقدار انرژی موجود در مواد منفجره و باروت که دلیل اصلی استفاده آنها برای اهداف تخریب و پرتاب نیست، نیست. دلیل اصلی این است که در مقدار انرژی نیست، اما در انتشار آن بسیار سریع است. اگر در مدت 10 تا 60 دقیقه احتراق 1 کیلوگرم بنزین در یک موتور خودرو (بسته به نیروی موتور و بار) اتفاق می افتد، 1 کیلوگرم پودر در اتاق شارژ توپ تفنگ برای چند هزارم ثانیه یک بار می سوزد و انفجار 1 کیلوگرم TNT فقط 30 -40 ثانيه از ثانيه انرژی در طی یک انفجار ده ها میلیون بار سریع تر از زمان احتراق سوخت منتشر می شود. این قدرت فوق العاده انفجار را توضیح می دهد. با این وجود، محاسبه قدرت انفجار نه با زمان انفجار کل بار شارژ، بلکه زمانی که محصولات انفجاری از حد معمول فشار جو در حد بیش از حد معمول است محاسبه می شود، دستیابی به چنین سطحی در نتیجه تیراندازی با سرعت بالا از فرآیند انفجار طی چند میلی ثانیه رخ می دهد. در این مورد، قدرت 1 کیلوگرم TNT بیش از 1 مگاوات بیان می شود. اما حتی در شرایط واقعی، این قدرت را نمی توان به طور کامل از طریق مدت کوتاهی تحقق بخشید، جریمه جرم مواد منتقل یا تخریب شده، که در آن عمل می کند، و همچنین تلفات ناشی از گرمایش محیط، سنگ زنی بیش از حد و گسترش آن، به گرمای باقی مانده در محصولات انفجاری پس از گسترش نهایی و بر روی ضررهای شیمیایی اجتناب ناپذیر. در نتیجه، کار مکانیکی مفید اغلب 1-2٪ تجاوز نمی کند و هنگامی که منجر به انفجار در یک محیط جامد 8-9٪ از انرژی موجود در مواد منفجره. با این وجود، مقدار بالایی از انرژی بالقوه موجود در مواد منفجره و باروت، به رغم استفاده ناقص آن در انفجار، ضروری است. قدرت بالا برای مواد منفجره معمول است و زمانی که آنها برای پرتاب پرتاب استفاده می شود. قدرت شارژ پودر یک توپوله بزرگ کالیبر 10 مگاوات است.

اولین دوره زمانی (پایان قرن نوزدهم)، نظریه حرارتی بود، بنیانگذاران نقاش، لو چاتلیه و نوستل. اساس این نظریه، فرضیه وانت گوف درباره وابستگی درجه حرارت سرعت واکنش شیمیایی است. شرایط انفجاری حرارتی، غلظت ورودی گرما به دلیل انرژی واکنش در برابر حذف گرما به محیط زیست است. در این حالت، سیستم گرما را به وجود می آورد که منجر به گرمای خود و به تبع آن خود شتاب واکنش می شود.

در سیستم واکنش اکسیداسیون قابل احتراق، اغلب با گرم شدن سیستم توسط یکی از منابع احتراق مرتبط است. هنگامی که سیستم سوخت گرم می شود، انرژی مولکول های سوخت و اکسیژن افزایش می یابد و وقتی که مقدار معینی به دست می آید، آنها فعال می شوند، یعنی مراکز فعال (رادیکال ها و اتم ها) با واکنش های آزاد تشکیل می شوند، در نتیجه مولکول های یک ماده قابل احتراق به راحتی با اکسیژن از هوا همراه می شوند. A.N. باخ و C. Engler در سال 1898 به طور مستقل تئوری اکسیداسیون پراکسیداسیون را پیشنهاد کردند، بر اساس آن وقتی که یک سیستم قابل احتراق گرم شود، اکسیژن با شکستن یک باند بین اتمها فعال می شود و مولکول فعال وارد ترکیب شده با یک ماده قابل اشتعال می شود بدون فروپاشی به اتم ها و تشکیل ترکیبات پراکسید نوع: R 1 -OR 2 یا ROO-OH.

با این حال، نظریه پراکسید قادر به توضیح برخی از ویژگی های مشخصی از فرآیند اکسیداسیون، به عنوان مثال، یک اثر شدید، و گاهی ناخالصی های ناخالصی.

نرخ واکنش شیمیایی، m / s، می تواند بر اساس قانون Arrhenius بیان شود، با معادله زیر:

, (1.12)

ثابت سرعت واکنش کجاست (میزان واکنش شیمیایی در غلظت واکنش ها کاهش می یابد)؛

غلظت معرف، mol / m 3؛

ضرایب استوکیومتری توسط نسبت غلظت معرفهای اولیه در معادله واکنش استئوکیومتر تعیین می شود.

اساس لگاریتم های طبیعی؛

ثابت جهانی گاز = 8.3 J / (mol ∙ K)؛

  - دما، K.

تئوری حرارتی از خود اشتعال (همچنین به عنوان نظریه انفجار حرارتی نامیده می شود) بر اساس مقایسه میزان تولید گرما در طی اکسیداسیون اگزوترمی و حذف گرما از مخلوط واکنش در دیواره عروق حاوی آن است. شرایط خود اشتعال براساس برابری این سرعت ها تعیین می شود. دمای دیواره های خونی که در آن این برابری به دست می آید، دمای هوای ورودی نامیده می شود. شروع از این درجه حرارت (مشخصه در هر مورد برای شرایط خاص داده شده - اندازه و شکل کشتی، خواص حرارت و فیزیکی گاز)، خود گرمایش رخ می دهد، که می تواند منجر به یک فلش (خودکش).

با توجه به موارد فوق، برای گرم شدن خود در یک محیط راکتیو می توانیم بنویسیم:

جایی که ظرفیت حرارتی در حجم ثابت J / K است؛

تراکم گاز، کیلوگرم بر متر 3؛

دمای گاز، K؛

زمان، ثانیه؛

اثر گرما واکنش، W؛

نرخ واکنش، m / s؛

سطح مخزن واکنش، m 2؛

حجم مخزن واکنش، m 3؛

ضریب انتقال حرارت، W / (m 2 × K)؛

دمای دیواره عروق، K.

داک Frank-Kamenetsky یک معیار برای احتراق حرارتی را پیشنهاد داد، که براساس نقض توزیع دمای ثابت در یک مخزن جت با نرخ انتشار کافی کافی است:

, (1.14)

کجا اندازه مشخصی از کشتی است، متر؛

فاکتور Preexponential؛

هدایت حرارتی مخلوط گاز، W / (m × K)؛

معیار ابعاد 3.3؛ 0.88 و 2 به ترتیب برای رگ های کروی، هواپیما موازی و استوانه ای.

معیار فرانک Kamenetsky D.A. باید به شرح زیر در نظر گرفته شود: اگر در هنگام تعویض تمام پارامترهایی که تعیین می کنند، یک مقدار بدست می آوریم، در صورتی که احتراق رخ می دهد، هیچ جرقه ای وجود نخواهد داشت. از معادله معیار آن بدست می آید که گرمای واکنش و شعاع عروقی که در آن واکنش رخ می دهد عوامل تعیین کننده مهم انفجار هستند. انفجار حرارتی با روشن تر بیان می شود، بهتر است که نابرابری ها برآورده شوند:

اگر این نابرابری ها به درستی انجام شود، انفجار حرارتی به طور همزمان با افزایش درجه حرارت، فرسودگی سریع ماده اصلی آغاز می شود که تصویر انفجار را می چیند.

وقوع احتراق اغلب با گرم شدن سیستم قابل احتراق با یک یا چند منبع اشتعال همراه است. با توجه به نظریه دانشگاه N.N. Semenov، فرآیند اکسیداسیون با انتشار گرما همراه است و در شرایط خاص می تواند سرعت بخشید. این فرآیند خود شتاب واکنش اکسیداسیون با گذراندن آن به احتراق، خودسوزی نامیده می شود.

در مورد خودکششی حرارتی، به علت بیش از میزان آزاد شدن گرما در برابر میزان گرما کاهش می یابد.

فرآیند احتراق حرارتی را به عنوان مثال از گاز قابل احتراق یا بخار یک مایع قابل احتراق با هوا در نظر بگیرید، که در یک مخزن با حجم قرار داده شده است. با افزایش دمای رگ و مخلوط قابل احتراق، میزان واکنش و گرما افزایش می یابد. وابستگی میزان انتشار گرما در دما، J / s به وسیله:

, (1.15)

جایی که گرمای احتراق گاز، J است؛

حجم مخلوط قابل احتراق، m 3؛

ثابت سرعت واکنش؛

غلظت واکنش دهنده، kg / m 3؛

نظم واکنش؛

انرژی فعال، j / mol؛

ثابت جهانی گاز J (مول · K)؛

دما مخلوط، K.

گرما آزاد شده به مخلوط قابل احتراق منتقل می شود و حرارت می یابد. به محض این که دمای مخلوط بیش از دمای دیواره های حلقوی باشد، تخلیه گرما از طریق دیواره های قوسی بر روی واحد زمان شروع می شود، متناسب با اختلاف دما بین مخلوط و دیواره های قوس و رابطه آن است:

, (1.16)

جایی که میزان حذف گرما از طریق دیواره های حلقوی، J / s است؛

ضریب انتقال حرارت، J / (K · m 2 × s)؛

سطح دیواره ها، m 2؛

دما مخلوط، K؛

دما دیوارهای کشتی، K

شکل 1.5- وابستگی تولید گرما به دما در فشارهای مختلف

در شکل 1، منحنی های 2، 3 و 4 نشان دهنده وابستگی تولید گرما به دما در فشار های مختلف و ترکیب ترکیب مشابه است. در رگ ثابت و دمای متوسط ​​و ترکیب مخلوط ثابت، مقدار گرما از ناحیه احتراق حذف شده با یک خط مستقیم 1 مشخص می شود. هنگامی که ترکیب مخلوط تغییر می کند، میزان تلفات گرما و در نتیجه شیب خط مستقیم تغییر می کند. فشار بالاتر، گرما بیشتر در طی واکنش تولید می شود (منحنی 4). در شرایط تعیین شده توسط منحنی 2، خود اشتعال نمی تواند رخ دهد، زیرا افت حرارت (خط مستقیم 1) بالاتر از تولید گرما در این فشار است. نقطه منحنی منحنی 3 با یک خط مستقیم مطابق با تعادل بین گرما آزاد شده و برداشته می شود - حداقل درجه حرارت خودکششی یک سیستم قابل احتراق در شرایط معین. با یک منبع انرژی کوچک از خارج، ممکن است خودکششی امکان پذیر باشد. منحنی 4 شرایطی را مطرح می کند که خود اشتعال اجتناب ناپذیر است، زیرا گرما بیش از آنکه برداشته شود آزاد می شود.

تجزیه و تحلیل طرح داده شده، N.N. Semyonov وابستگی ایجاد کرد:

, (1.17)

کجا حداقل فشار احتراق، Pa؛

حداقل دمای خودکششی، K؛

نظم واکنش؛

ثابت، بسته به ترکیب و سایر خواص مخلوط.

بر اساس این معادله (1.17)، می توان از لحاظ تئوری به طور پیش فرض تعیین اینکه آیا یک سوزاندن خودسوزی از مخلوط قابل احتراق در این شرایط خاص ممکن است. رابطه بین حداقل فشار و دمای هوای ورودی توسط آزمایش های متعدد تایید شد و در مطالعه فرآیندهای احتراق اثبات شد.

تئوری زنجیره احتراق

در ابتدای سال 1928، N.N. Semenov ایده امکان وجود سیستم های شیمیایی دو نوع انفجار - زنجیره ای و حرارتی را فراهم کرد.

واکنش های زنجیره ای کسانی هستند که از یک سری مراحل (از طریق یک سری واکنش های متوسط) عبور می کنند که در آن ترکیبات متوسط ​​با واکنش های آزاد شکل می گیرند، به اصطلاح مراکز فعال هستند، که مولکول های مراحل سریع آن جریان است.

مفهوم واکنش زنجیره ای ابتدا در سال 1913 ظاهر شد، زمانی که یک مؤسسه فیزیکدان آلمانی، M. Bodenstein، دریافت که هنگامی که مخلوطی از هیدروژن با کلر روشن می شود، مولکول کلر، جذب کوانتومی انرژی نور، به اتم ها فرو می ریزد:

.

اتم کلر بلافاصله با هیدروژن واکنش نشان می دهد و منجر به انفجار مخلوط می شود. فعال شدن یک مولکول کلر موجب تشکیل دو مولکول می شود:

.

با این حال، آزمایشات نشان می دهد که این تولید 100،000 مولکول کلرید هیدروژن است. این را می توان توضیح داد اگر فرض شود که تعامل کلر با هیدروژن محصول تولید می کند که زمانی که به واکنش های ثانویه وارد می شود احیا می شود و می تواند واکنش را ادامه دهد. این فرض با طرح واکنش زیر مطابقت دارد:

واکنش اولیه من

مدار باز IV

با توجه به این طرح، فعال شدن یک مولکول کلر (I) باعث ظهور دو اتم کلر - دو مرکز فعال واکنش زنجیره ای می شود. هر یک از اتم های کلر باعث واکنش زنجیره ای خود می شود که در آن مرکز فعال به طور مداوم بازسازی می شود (II، III). بنابراین، تحت تاثیر واکنش آغازین (I)، واکنش های متوالی رخ می دهند، تشکیل زنجیره ای (II، III، و غیره). تعدادی از این واکنش ها از لحظه شروع زنجیره ای به شکست آن طول زنجیره نامیده می شود. یک زنجیره میتواند در برخورد اتمهای کلر (IV) یا اتمهای هیدروژن (V) و تشکیل مولکولها از آنها یا در برخورد مراکز فعال با سطح جامد شکست دهد. این یک واکنش زنجیره ای غیر شاخه ای است. در آن، هر مرکز فعال باعث ایجاد تنها یک مرکز فعال جدید می شود، بنابراین واکنش می تواند ادامه یابد، اما نباید تسریع شود.

در یک واکنش زنجیره ای شاخه ای، هر مرکز فعال به دو مرکز یا جدید فعالتر می شود.

با توجه به تئوری واکنش های زنجیره ای، فرآیند اکسیداسیون با فعال شدن یک ماده قابل احتراق آغاز می شود.

تمرین نشان داده است که اشتعال می تواند تحت شرایط ایزوترمال رخ دهد، به عنوان مثال بدون افزایش دمای محیط واکنش (احتراق سرد از مخلوط). در این مورد، آنها از انفجار زنجیره ای (ایزومتریک) صحبت می کنند.

دو جزء اولیه: سوخت و اکسیدان، در حالت مولکولی نسبتا پایدار، قبل از اینکه با محصولات جدید احتراق پایدارتر ارتباط برقرار کنند، زنجیره ای کامل از تحولات میان مدت پیچیده ای را تشکیل می دهند که منجر به تشکیل محصولات ناپایدار می شوند: اتم ها، رادیکال ها، مولکول های هیجانی با نسبتا بزرگ درجه یونیزاسیون (فرمالدئید، هیدروکربن و رادیکال های هیدروکلراید، اکسیژن اتمی و هیدروژن).

Kondratyevu V.N. در شعله هیدروکربن های مختلف، غلظت های زیادی از اکسیژن اتمی (O)، رادیکال های هیدروکسی اسید (OH)، رادیکال های هیدروکربن (CH 3)، مونوکسید کربن (CO)، فرمالدئید (CH 2 O) و دیگرین، کشف شد. غلظت این مواد در شعله هزاران و میلیون ها بار بزرگتر از غلظت تعادلی آنها در طی تجزیه حرارتی در دمای شعله واکنشهای نهایی واکنش، به عنوان مثال H 2 O → H + OH.

نتایج این مشاهدات منجر به نتیجه گیری شد که اتم ها و رادیکال های مورد بررسی در گاز واکنش نشان می دهند نه به دلیل تجزیه نهایی محصولات، بلکه از محصولات واکنشی واکنش هستند.

بنابراین، مکانیزم زنجیره احتراق مبتنی بر زنجیره ای کامل از انتقال شیمیایی یک ماده به دیگری است، که نتیجه آن شکل گیری در مراحل خاص از محصولات شیمیایی بسیار ناپایدار است، به نام مراکز فعال، که به راحتی با یکدیگر واکنش نشان می دهند و با مولکول های مواد اولیه برای تشکیل برای مثال، مراکز فعال جدید و محصولات نهایی، برای مخلوط متان-هوا H 2 O و CO 2.

واکنش پذیری بالا رادیکال ها و اتم ها با انرژی کم فعال سازی واکنش های آنها، که نزدیک انرژی فعال سازی واکنش های اتمی است توضیح می دهد:

OH + H 2 = H 2 O + H - 25 kJ / mol

СН 3 + С 3 Н 6 - 12.5 kJ / mol

CH 3 + C 6 H 6 - 23.5 kJ / mol

H 2 O → H + OH

هر یک از ذرات فعال به دست آمده (H یا OH) بسیار ناپایدار است و بنابراین از نظر شیمیایی فعال است و با مولکول ماده اولیه تقسیم می شود و ذرات فعال جدید را تشکیل می دهد:

H + O 2 = OH + O

OH + H 2 = H 2 O + H

ذرات حاصل از واکنش ذرات فعال H و HE دوباره به واکنش وارد می شوند و ذرات O با هیدروژن ارتباط برقرار می کنند:

O + H 2 = OH + H

به این ترتیب، در نتیجه واکنش بین ذرات فعال و مولکول های مواد اولیه، نه تنها محصولات نهایی بلکه همچنین ذرات فعال جدید شکل می گیرد. ذرات فعال تشکیل شده در نتیجه واکنش باعث ایجاد مراحل جدید انتقال شیمیایی می شوند که قبل از مصرف کامل مواد اولیه اتفاق می افتد.

چنین واکنش های مکرر شیمیایی مکرر واکنش های زنجیره ای نامیده می شود و ذرات فعال که سبب زنجیره های جدید تحول می شوند، مراکز فعال هستند.

روند زنجیره ای احتراق هیدروژن را می توان به صورت یک نمودار نشان داد (شکل 1.6).

شکل 1.6 - نمودار سوزاندن زنجیره ای هیدروژن

از نمودار می توان دید که تنها ذرات هیدروژن (H)، که مرکز فعال هستند، باعث ایجاد زنجیره های تحول جدید می شوند. در همان زمان، در هر پیوند فرایند زنجیره ای، به عنوان یک نتیجه از واکنش بین مرکز فعال H و مولکول اکسیژن O 2، علاوه بر محصول نهایی H 2 O، 3 مرکز فعال جدید H شکل می گیرند، که موجب زنجیره تحول جدید می شود.

چنین واکنشی زنجیره ای که با افزایش در مراکز فعال رخ می دهد، شاخه ای نامیده می شود. واکنش به عنوان یک بهمن پیشرفت می کند و میزان بسیار بالایی را طی می کند، که به مراتب بیش از سرعت واکنش های مولکولی عادی است.

یک واکنش معمولی با یک زنجیره غیر شاخه ای، تعامل کلر با هیدروژن است. مراکز فعال این واکنش، اتمهای کلر و هیدروژن متناوب هستند. هنگامی که یک اتم کلرین واکنش می دهد، یک اتم هیدروژن تشکیل می شود، همانطور که یک اتم هیدروژن واکنش می دهد، یک اتم کلر تشکیل می شود. بنابراین، واکنش ممکن است ادامه یابد، اما تسریع نمی شود.

واقعیت مشهور این است که واکنش فتوشیمیایی کلر با هیدروژن در انفجار (خودسوزی) به پایان می رسد به این علت است که در سرعت واکنش زنجیره با نسبتا بالا، انتشار گرما بیش از غوطه ور شدن گرما است، به طوری که مخلوط بسیار داغ است و شرایط لازم برای احتراق حرارتی بوجود می آیند.

هنگامی که یک واکنش زنجیره شاخه ای اتفاق می افتد که معمولی برای هیدروکربن ها است، غلظت مراکز فعال می تواند بدون در نظر گرفتن شرایط شروع اولیه افزایش یابد و اگر سرعت تشکیل مراکز فعال در طی انشعاب بیش از میزان شکست زنجیره ای باشد، پس از آن یک فرایند خوش شانس مانند بهمن رخ می دهد که منجر به اشتعال می شود.

تئوری واکنش های زنجیره ای ما را قادر به توضیح بسیاری از ویژگی های فرآیندهای احتراق (تاثیر قوی ناخالصی، محدودیت اشتعال خودکار از طریق فشار، کاتالیز و مهار فشار، و غیره)، که نمی تواند با نظریه حرارتی توضیح داده شود. مکانیزم وقوع و توسعه آتش سوزی و انفجارهای واقعی با ترکیب فرایند حرارتی زنجیره ای مشخص شده است. با شروع زنجیره ای، واکنش اکسیداسیون به دلیل اکسرتیسم آن، مسیر حرارتی را به سرعت تسریع می کند. بنابراین، در نهایت، شرایط بحرانی (محدودیتی) برای وقوع و توسعه احتراق بوسیله گرما تولید و شرایط تبادل حرارت از سیستم واکنش با محیط تعیین می شود.

بسیاری از فرآیندهای شیمیایی بر اساس واکنشهای شیمیایی شیمیایی هستند. چنین فرآیندهایی شامل، به عنوان مثال، فرآیندهای پلیمریزاسیون هستند که پایه تولید تولیدات مصنوعی، پلاستیک، پلیمرهای پلیمری و بسیاری از محصولات دیگر را تشکیل می دهند. آنها همچنین شامل پروسه های صنعتی مهم مانند تولید اسیدهای چرب مصنوعی، جایگزین کردن چربی های خوراکی که قبلا استفاده شده در تولید روان کننده های تمیز، ترک خوردن - فرایند به دست آوردن سوخت های با کیفیت بالا از روغن و غیره است.

سوزاندن  - تعامل شیمیایی سریع مواد قابل احتراق با عامل اکسید کننده همراه با انتشار مقدار زیاد گرما و تابش روشن (شعله). احتراق تنها در صورت وجود سه عامل وجود دارد: یک ماده قابل احتراق، عامل اکسید کننده، یک منبع گرما.

منبع حرارت  (آتش) می تواند یک شعله باز، جرقه، گرما، به علت اصطکاک (کمربند در انتقال کمربند)، ضربه، فشار باشد. منبع گرما همچنین می تواند الکتریکی (گرمای هادی، قوس)، انرژی شیمیائی و تابشی انرژی خورشید باشد.

عوامل اکسید کننده  کلر، فلوئور، بروم هستند. شایع ترین عامل اکسید کننده اکسیژن هوا است؛ فرایند احتراق به محتوای آن در هوا بستگی دارد. اگر اکسیژن در هوا بیش از 14-16٪ باشد، سپس سوزش پایدار مشاهده می شود. هنگامی که مقدار اکسیژن کمتر از 14٪ باشد، ترشح مشاهده می شود و زمانی که محتوای آن کمتر از 8-10٪ باشد، بیهوشی نیز متوقف می شود.

ماده قابل احتراق. آنها می توانند گازها (آمونیاک، استیلن، هیدروژن)، مایعات (بنزین، استون، الکل)، مواد جامد (ذغال سنگ، چوب) باشد. برای جابجایی جامد یا مایع، لازم است آنها را با کمک یک منبع گرما به دمای بالا حرارت دهیم تا بخارات شدید از بخارات احتراق از سطوح آنها رخ دهد. هنگامی که یک غلظت مشخصی به دست می آید، این بخارات روشن می شود. گازها در فرآیند احتراق، حالت تجمع خود را تغییر نمی دهند.

انواع مختلفی از احتراق وجود دارد: 1) فلش؛ 2) احتراق 3) خودسوزی؛ 4) احتراق خود به خود؛ 5) smoldering؛ 6) انفجار.

1. فلش  احتراق لحظه ای مخلوطی از اکسیژن هوا با بخار، گاز، گرد و غبار، همراه با تشکیل گازهای فشرده نیست. نقطه اشتعال پایین ترین دمای مواد قابل احتراق است که در آن بخارات یا گازها در بالای سطح خود شکل می گیرند و قادر به فلاکس از منبع احتراق هستند، اما برای سوزاندن آنها به طور فزاینده، سرعت تشکیل آنها کافی نیست.

بسته به مقدار این درجه حرارت، مایعات قابل اشتعال به:

a) قابل اشتعال (مایعات قابل اشتعال - بنزین، استون، الکل) - tf ≤ + 45 ° C؛

ب) مایعات قابل احتراق (GZh - روغن، سوخت دیزل، روغن سوخت) - t vec\u003e + 45 ° C

2. سوزش  به نام سوزان مداوم سوزاندن یک ماده از یک منبع گرما. حداقل دمای یک ماده قابل احتراق که در آن از یک منبع اشتعال سوخته و همچنان پس از حذف آن سوزانده می شود، دمای احتراق نامیده می شود. این بالاتر از نقطه فلاش است.

غلظت مواد قابل اشتعال در هوا، که در آن ممکن است آتش سوزی یا انفجار امکان پذیر باشد، محدود است: پایین تر - CWP و بالا - ERW. الکل مخلوط قابل اشتعال در غلظت های پایین تر از یک CEL (مولکول های قابل احتراق کافی در مخلوط) و ERW بالاتر (مولکول های اکسیژن کافی در مخلوط) نیست. هرچه تفاوت بین ERW و CWP بیشتر باشد، ماده خطرناکی است. مقادیر این پارامترها می تواند کاهش یابد، به عنوان مثال، با افزایش رطوبت مخلوط گرد و غبار هوا (PLN)، به عنوان مثال، مخلوط هوا با شکر، آرد، گرد و غبار زغال سنگ.

اجازه دهید نمونه هایی از مقادیر NVP و SVV را برای تعدادی از گازها و بخارات مایعات ارائه دهیم:

استیلن 3.5-82٪؛

گاز طبیعی 3.8-19.2٪؛

بنزین 1-6٪؛

مونوکسید کربن 12.8-75٪.

3.خودسوزی- فرایند احتراق مواد از یک منبع خارجی (شعله، گرما یا گرما) بدون تماس مستقیم با آن در دمای احتراق. این دما با افزایش فشار کاهش می یابد و برای اکثر گازهای قابل اشتعال در محدوده 400-700 درجه سانتیگراد، برای چوب - 340-400 درجه سانتی گراد؛ زغال سنگ - 400-500 درجه سانتیگراد. نمونه ای از خود اشتعال: گرمایش و احتراق پس از چوب، کاغذ، در نزدیکی شعله باز (بدون تماس با آن) و یا اجسام گرم (ذغال سنگ، مارپیچ باز از بخاری).

4. احتراق خود به خودی  مواد در نتیجه واکنش های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی اتفاق می افتد که در ماده (ماده) خود ایجاد می شود و منجر به سوزاندن در نبود منبع اشتعال می شود.

هنگامی که در مقادیر زیادی از دانه های مرطوب، یونجه، نی و تهویه نامناسب در این مواد ذخیره می شود، فرایندهای بیوشیمیایی (پوسیدگی) با انتشار گرما اتفاق می افتد. دما این مواد افزایش می یابد، توده های بزرگ آنها (ریش ها، پشته ها) مانع پراکندگی گرمای تولید شده در محیط زیست می شود که سبب آتش سوزی می شود. این مواد باید قبل از ذخیره سازی خوب خشک شوند. تماس بافت (لباس، مواد تمیزکننده) حاوی لکه های نفتی و بدون تهویه در یک پشته، نیز خود به خود جوش می آید. بنابراین، لباس های کار باید به گونه ای باشد تا اطمینان حاصل شود که دسترسی آزادانه از هوا، و نفت باید از محل کار به سرعت از کار خارج شود.

با توجه به سرعت واکنش، فرآیند احتراق به صورت زیر انجام می شود فساد  (سرعت چند cm / s)، در واقع سوزاندن  (چند m / s) و انفجار  (چند صد هزار متر بر ثانیه).

5. انفجار- تغییر ناگهانی در وضعیت فیزیکی و شیمیایی یک ماده تحت تاثیر دما، فشار، واکنش های شیمیایی. با انفجار، حجم تولید گازها و بخارات به طور قابل توجهی افزایش می یابد، مقدار زیادی از انرژی آزاد می شود که در شکل موج ضربه ای قادر به انجام کار مکانیکی است (برای از بین بردن ساختمان ها، سازه ها، آسیب رساندن مردم).

احتراق مواد ممکن است کامل یا ناقص باشد. در طول احتراق کامل (اکسیژن اضافی) محصولات غیر قابل احتراق تشکیل می شود (CO 2 و H 2 O). در صورت احتراق ناقص (کمبود O 2)، محصولات اکسیداسیون ناقص (CO، Alcohols، Acids) تشکیل می شوند. آنها سمی و انفجاری هستند. بنابراین، هنگام سازماندهی سوخت سوخت (در دیگهای بخار، اجاق گاز)، لازم است مقدار کافی اکسیژن موجود در کوره را تامین کند.

1. مفاهیم اساسی تئوری احتراق.

1. ویژگی های فرآیندهای احتراق

احتراق یک فرایند پیچیده فیزیکی و شیمیایی است که طی آن انتقال شیمیایی است

کندی همراه با انتشار انرژی (عمدتا به شکل گرما و تابش)

و انتقال گرما و جرم با محیط زیست.

اساس فرایند احتراق یک واکنش شیمیایی است که می تواند با یک عمل ادامه یابد

شتاب دلایل خود شتاب می تواند باشد:

1. تجمع گرما در سیستم - شتاب حرارتی

2. انباشت ذرات فعال - خود شتاب زنجیره ای

3. اتوکالیزاس شتاب واکنش با محصولات آن است.

در بسیاری از موارد، فرآیند احتراق عملا مهم است که کاملا فیزیکی باشد

با توجه به این واقعیت است که در دماهای بالا دمایی شیمیایی می تواند با سرعت بالا ادامه یابد و فرایند شیمیایی به قوانین صرفا فیزیکی مانند انتقال و انتشار گرما اعمال می شود و توسط آنها تنظیم می شود. این بدان معنی است که یک واکنش شیمیایی که می تواند با سرعت بالا ادامه یابد

دارای سرعت محدودی است و به قوانین یک یا چند مورد احترام می گذارد

پدیده زیک.

ویژگی اصلی فرآیندهای احتراق این است که شرایط خود شتاب

واکنش شیمیایی ایجاد شده توسط خود. در سایبرنتیک، این پدیده بازخورد مثبت نامیده می شود، یعنی با تغییر کوچک در شرایط خارجی، می توان از یک حالت حالت ثابت واکنش در یک سرعت کم به یک حالت،

جایی که میزان واکنش به صورت نمادین افزایش می یابد. چنین پدیده ای از تغییر شدید در حالت واکنش با تغییر کوچک در شرایط خارجی نامیده می شود

هستند پدیده های بحرانیو شرایطی که زیر آن مشاهده می شود نامیده می شود

شرایط بحرانی

پدیده های بحرانی عبارتند از:

1. خودسوزی

2. جرقه

3. محدودیت غلظت انتشار شعله.

پدیده های انتقادی نه از این واقعیت است که قوانین طبیعت به شدت تغییر می کنند، بلکه

یک نتیجه از عدم تعادل بین سیستم واکنش و محیط است

محیط زیست

شرایط خودکششی غیر ممکن بودن حرارتی یا انتشار یکسان است

شرایط محیطی، شرایط اشتعال، عدم تعادل در شرایط اولیه داده شده است.

ویژگی دوم فرآیندهای احتراق توانایی آنها در گسترش است

در فضا در حالت حرارتی احتراق، انتشار از طریق انتقال حرارت رخ می دهد؛ در صورت زنجیره یا اتوکاتالیتی - از طریق انتشار ذرات فعال.

2. انواع و حالت احتراق

1. با توجه به شرایط مشترک شرکت کنندگان:

a سیستم های احتراق گاز - احتراق همگن

ب احتراق احتراق جامد و مایع (سیستم جامد مایع و سیستم جامد گاز) - احتراق ناهمگن

ج احتراق سیستم های متخلخل (سیستم های جامد مایع،

مایع - مایع، جامد - مایع).

2. با سرعت پروسه انتشار:

a سوختن زباله - انتشار آهسته فرایند (با هدایت یا انتشار گرما)

ب سوزش انفجار - گسترش سریع روند (با

قدرت موج شوک).

3. با شرایط آیرودینامیکی:

a سوزش سطحی یک جلوی شعله ی صاف است.

ب احتراق متضاد شعله بسیار منحنی است.

نمونه هایی از انواع مختلف احتراق در حالت کلی شرکت کنندگان:

احتراق همگن:

سوزاندن ارگانیک در اکسیژن

CH4 (g) + 2O2 (g) = CO2 (g) + 2H2O (بخار)

احتراق در حضور دیگر گازهای اکسید کننده

H2 (g) + Cl2 (g) = 2HCl (g)

تجزیه مواد ناپایدار (ازن)

2O3 (g) = 3O2 (g)

احتراق ناهمگن:

مایع هیدرازین سوخته:

N2 H4 (g) + O2 (g) = N2 (g) + 2H2O (بخار)

سوزاندن کربن:

C (TV) + O2 (g.) = CO2 (g)

تجزیه مواد ناپایدار (استیلن)

C2 H2 (g) = 2C (s.) + H2 (g)

سوزاندن سیستم های احتراق

KClO3 (sv) + Al (sv) = KCl (sv) + Al2O3 (sv.) 2NH4 NO3 (sv.) = 2N2 (g) + 4H2O (بخار) + O2 (g)

3. ترمودینامیک فرآیندهای احتراق تعادل حرارتی

دمای احتراق: معمول است که فرآیندهای احتراق را با چهار درجه حرارت مشخص کنیم

سوزش سوزش

مخلوط با دمای اولیه T 0 273K بدون در نظر گرفتن تبادل گرما با

محیط زیست

3. Adiabatic Tg ad - توسط حرارت احتراق ترکیبی از ترکیب دلخواه بدون در نظر گرفتن تبادل حرارتی با محیط تعیین می شود.

4. عمل Tg واقعی است که در واقع مشاهده (اندازه گیری) دما از

نسبت تعاریف مختلف دمای سوزاندن

تعادل حرارتی فرآیندهای احتراق مبتنی بر تعیین گرما جذب شده است

سوزاندن محصولات معادله تعادل حرارتی به صورت زیر است:

جایی که Q PG گرما جذب شده توسط محصولات احتراق است، Q p حرارت واکنش شیمیایی است،

Q ex گرما از منابع خارجی دریافت می شود، Q عرق از دست دادن گرما است.

سوزاندن تقریبا جداسازی محصولات احتراق، تنها در دمای بالای 20،000 درجه سانتیگراد قابل توجه است.

مقدار بالاتر و پایین تر از مقدار کالری وجود دارد. در مورد اول، آب، به عنوان یک محصول احتراق، در فرم مایع، در مورد دوم، در فرم بخار گرفته شده است. از تعداد شما

گرما تقسیم شده بستگی به مقدار ماده سوختن دارد، دما مولر است

قایق و گرمای ویژه احتراق. یعنی گرما آزاد شده در هنگام احتراق 1

مول یا کیلوگرم مواد قابل احتراق.

برای محاسبه گرمای ویژه احتراق (در کیلوگرم در کیلوگرم)، فرمول D.I. اغلب استفاده می شود.

مندلیف

جایی که X محتوای عنصر در ترکیب سوخت در٪ (جرم)، W - رطوبت است.

روش کلی برای محاسبه گرمای واکنش بر اساس ترمودینامیکی شیمیایی است

توسط سیستم انجام می شود. سپس از قانون اول ترمودینامیک (قانون حفظ انرژی

در فرآیند ایزوباریس p = const، integration (1.7) و تحولات ساده می دهد

از (1.8) و (1.10) بدست می آید که در فرایندهای ایزوچریک و ایزابار، گرما خواص عملکرد دولت را بدست می آورد، به عنوان مثال به مسیر روند بستگی ندارد. این مقرره نامیده می شود قانون GI هس. وضعیت اولیه و نهایی شیمیایی

سهام مواد اولیه و محصولات واکنش هستند. اینتالپی از مواد ساده،

پایدار در شرایط استاندارد (298K و 0.10113 مگاپاسکال) فرض صفر می شود. برای مواد پیچیده، تغییر در آنتالپی زمانی که از عناصر تشکیل می شود در نظر گرفته می شود.

exothermic (تولید گرما).

4. ظرفیت حرارتی. وابستگی اثر حرارتی واکنش به دما

ظرفیت گرما - مقدار گرما مورد نیاز برای گرم کردن واحد نامیده می شود

جرم ماده 1 کیلوولت است. از ظرفیت حرارتی خاص imolar، به عنوان مثال مقدار گرما مورد نیاز برای گرم کردن 1 کیلوگرم. یا 1 مول مواد در هر کیلووات

ظرفیت حرارت واقعی مولر به شرح زیر تعیین می شود.

C (1.12) dT

جایی که C ظرفیت گرمای مولی، mol K.

برای ظرفیت های گرما در حجم ثابت و فشار (ایزوچریک و ایزاباریک) با

با توجه به (1.8) و (1.10) ما دریافت می کنیم

وابستگی گرما به فرایند را در دمای ثابت با حجم ثابت یا فشار در نظر بگیرید. با توجه به معادلات (1.13) دریافت می کنیم

معادلات (1.14) نامیده می شوند معادلات کرچوف.

تغییر ظرفیت گرما در طی واکنش با بیان بیان می شود

به عنوان مثال تفاوت بین مجموع ظرفیت های گرما تولیدات واکنش و مواد اولیه.

از معادله (1.14) نتیجه می شود که اگر تغییر ظرفیت گرما در طول واکنش باشد

معقول است (به عنوان مثال، ظرفیت حرارتی محصولات کمتر از ظرفیت حرارتی مواد اولیه است) و سپس اثر حرارتی واکنش منفی تر می شود، واکنش کارآمدتر می شود.

زوترمی

شرایط دندانه محاسبه شده توسط (1.11).

بنابراین ظرفیت گرمایی مواد واقعی به روش پیچیده بستگی به درجه حرارت دارد

انرژی مولکولی سوزش

اکثر فرآیندهای احتراق قابل احتراق هستند، حاوی هیدروژن و کربن، با اکسیژن از هوا.

قبل از اینکه به بررسی مبانی فیزیکی و ریاضی تئوری احتراق بپردازیم، سعی کنیم در سطح مولکولی که در آن انرژی احتراق حاصل می شود را درک کنیم، که از آن آزادی هر چیز دیگری بستگی دارد: گرمایش گاز، ظهور مراکز شیمیایی فعال در آن و غیره.

اجازه دهید ببینیم که گرمای واکنش های اصلی ترکیب کربن و هیدروژن با اکسیژن هوا ساخته شده است.

ما مطابق با جدول داده نوشتیم. 3.1 تعادل انرژی واکنش های اکسیداسیون پیوسته کربن جامد، به عنوان مثال گرافیت:

بنابراین، در کل واکنش اکسیداسیون کربن جامد، 386 کیلوژول / مول آزاد می شود:

با اندازه و انرژی آزاد شده توسط ترکیب هیدروژن با اکسیژن بسته:

مولکول CO احتمالا بیشتر با دوام است؛ انرژی اتصال آن 1016 کیلوگرم / مول است. (بعدی مولکول N2 با انرژی پیوند 892 kJ / mol است. سه جفت الکترون اتصال در هر دو مولکول وجود دارد، در زبان شیمیایی سه پیوند ولسی وجود دارد.در مولکول CO، اولین الکترون اول از O به C عبور می کند، سپس O + و C- مشابه با اتمهای نیتروژن می شود؛ این امر با حضور یک لحظه دو قطبی در مولکول CO تأیید می شود.) در مولکول CO2، پیوند دوم اتم اکسیژن ضعیف است: طبق جدول. 3.1

انرژی های اتصال اکسیژن در این ترکیبات نسبت به انرژی اتصال مولکول اکسیژن اولیه قابل مقایسه است. به همین ترتیب

سپس تنها 240 کیلوگرم در مولکول در هر اتم اکسیژن. در انرژی اتصال کم مولکول اکسیژن، دلیل فعالیت شیمیایی آن و دلیل استفاده از اکسیداسیون به عنوان یک منبع انرژی است.

انرژی اتصال یک اتم کربن در شبکه کریستالی گرافیت (و همچنین الماس و کربن آمورف) بسیار زیاد است. انرژي واکنش نسبتا کوچک C (s) + 0.5O2 = = CO + 98 kJ / mol تفاوت دو مقدار بسیار زیاد است: باید نیمی از انرژی شکاف O2 در اتم ها را از انرژی باند CO (256 kJ / mol) (59 kJ / mol) ) و حرارت حرارت بخار شدن اتم کربن را کم کنید. در واقع حرارت تبخیر برابر با 671 کیلوگرم / mol نیز تعیین می شود. این نیز یک مقدار بسیار زیادی است.

تبدیل کربن جامد و هیدروژن گاز به سوخت های هیدروکربنی با تغییر کوچک در انرژی رخ می دهد. از سوی دیگر، وقتی که اکسیژن به مولکولهای آلی از تیتانهای آلومینیوم، آلدئیدها و کتون ها، اسیدهای ارگانیک، کربوهیدرات ها، تقریبا همان انرژی آزاد می شود، در هنگام احتراق کامل (به CO2 و H2O) آزاد می شود، به طور طبیعی با مصرف یک مقدار مساوی اکسیژن آزاد می شود. بنابراین، می توان آن را تقریبی دانست که با احتراق کامل هر سوخت ارگانیک، 419-500 کیلووات ساعت / مول از اکسیژن مصرفی آزاد می شود. تنها استثنائات برخی ترکیبات غنی از انرژی هستند، مانند استیلن و دیسیان، به عنوان مثال، گرمای احتراق آنها بیشتر است.

احتراق ناقص صرفا در محاسبه مولکول سوخت، بلکه در مورد مولکول اکسیژن صرف شده، بسیار مضر است. در واکنش 2Q (s) + O2 = 2CO، تنها 210 kJ / mol به جای 466 در هنگام سوزاندن هیدروژن و 526 در هنگام CO سوزانده می شود.

پیوند قوی اتم C در کربن جامد منجر به این می شود که کربن تبخیر نمی کند. کربن حالت جامد را تنها با اکسیژن در فرم CO یا CO2 ترک می کند.

در مورد احتراق ناقص و دمای پایین، واکنش 2СО = СO2 + С (tv)) + 41 kJ / mol تنها با توجه به کربن جامد مفید است. در محاسبه اتم آزاد کربن، واکنش متناظر 2CO = CO2 + C 129 kJ / mol دارای یک مانع بزرگ انرژی است. بنابراین، گرده و دود در حین احتراق تنها از تجزیه مولکولهای آلی تشکیل شده است که دارای اسکلت کربن هستند، اما نه از CO.

ما اکنون به واکنشهای اکسیداسیون نیتروژن تبدیل می کنیم.

مولکول نیتروژن N2 بسیار قوی است - انرژی تفکیکشده آن 226 کیلوگرم مولی است. بنابراین، واکنش تبدیل N2 و O2 به 2NO انتروتریک است و برای دلایل ترمودینامیکی تنها می تواند در دمای بالا انجام شود.

تشکیل اکسیدهای بالاتر (NO2، N2O3، N2O4، N2O5) از نیتروژن و اکسیژن با تقریبا هیچ تغییری در انرژی (در مقایسه با انرژی اتصال N2 و O2) ادامه می یابد. بنابراین از نظر انرژی، اکسیژن بسته بندی شده در ترکیبات با نیتروژن (CH3-ONO2 - نیترو استر، CH3 (CeH2) (NO2) 3 - trinitrotoluene تقریبا معادل اکسیژن گاز است. اکسیژن مجتمع شده در مولکول آلی، اما به نیتروژن متصل می شود، زمانی که مولکول مجددا به شکل N2 تشکیل شده و اکسیژن به مولکول های CO2 و H2O منتقل می شود، ایجاد می شود که انرژی زیادی را تولید می کند. به همین علت، ترکیباتی که در آن اکسیژن به نیتروژن متصل شده (و همچنین به کلر، در گروه های СЮ3 و СlO4) به عنوان پودر و مواد منفجره استفاده می شود.

این ایده های کلی درباره انرژی مولکولی احتراق است.