Kemija procesa izgaranja. Energija eksplozije

Energija eksplozije

Glavne prednosti eksploziva u odnosu na druge izvore energije su kompaktnost, prenosivost i činjenica da se oslobađanje energije može odvijati u kratkom vremenu, što vam omogućuje da razvijete ogromnu snagu. Dakle, eksplozijom sfernog naboja težine 1 kg i gustoće od 1,65 g / cm3, koja je načinjena od snažnog eksplozivnog - heksogena, pobuđenog (iniciranog) u sredini, brzina širenja eksplozivne transformacije kroz tvar (detonacija) je 8300 m / s. Put r   (radijus naboja), koji će proći detonaciju, određuje se iz jednakosti

gdje Gup -   gustoća mase i naboja.

Vrijeme provedbe procesa - τ = r / D (D   - brzina detonacije).

snaga N   (kJ / e), razvijena tijekom eksplozije, može se procijeniti, znajući količinu oslobođene topline q   s eksplozivnom transformacijom 1 kg RDX-a:

Za RDX q   = 5420 kJ / kg. Izračunata snaga je precijenjena, budući da nije uzeto u obzir vrijeme tijekom kojeg plinovi koji ekspandiraju obavljaju radove. Treba napomenuti da ona premašuje kapacitet najvećih elektrana na svijetu. Zovu se eksplozivi sposobni za tako brzu transformaciju miniranje.

Eksplozivi za pjeskarenje emitiraju eksplozivne tvari koje praktički ne koriste samostalno i koriste se samo za pripremu eksploziva. Sredstva za pjeskarenje (kapice za pjeskarenje, patrone eksploziva, osigurači, detonirajući kabeli, itd.) Spajaju se u posebnu podgrupu. Eksplozivni eksploziv, barut i eksploziv čine skupinu eksplozivnih materijala. I tijekom detonacije i izgaranja tijekom pečenja, uvode se dodatni uvjeti za pretvaranje eksploziva u plinove: za topove - stacionarno sagorijevanje pri različitim tlakovima, za miniranje eksploziva - iznimno visoka brzina širenja transformacije tvari.

Međutim, eksplozivi su sposobni ne samo za brze transformacije. Ako zapalite malu količinu eksploziva konvencionalnim sredstvima i dopustite mu da izgori pod atmosferskim uvjetima bez ometanja ispuštanja plinova, izgaranje će se odvijati polako i mirno. Na temelju toga temelji se način uništavanja eksploziva koji se ne može koristiti spaljivanjem, uz kvalificirano izvođenje, siguran i pogodan. U slučaju nepravilnog izgaranja mogu nastati okolnosti pod kojima se izgaranje spontano pretvara u detonaciju uz bržu pretvorbu eksploziva u plinove.

Što je eksplozija? Eksplozija se odnosi na fizičku ili kemijsku transformaciju tvari u kojoj njezina energija brzo prelazi u energiju kompresije i kretanja same tvari ili proizvoda njezine transformacije i okoline.   Energija eksplozije može biti različita. Oslobađanje kemijske, električne, nuklearne, termonuklearne, toplinske, kinetičke energije, elastične energije kompresije može biti popraćeno eksplozivnim procesima. Primjerice, u metodi električnog iskrenja uništenja materijala koriste se mikroeksplozije, čiji je izvor energije električno pražnjenje, a nositelj energije su proizvodi isparavanja i razgradnje ili jednostavno zagrijavanje medija u kojem se vrši pražnjenje. Eksplozija uzrokovana uništenjem cilindara komprimiranog plina, parnih kotlova, posuda pod visokim tlakom, također se može odvijati velikom brzinom i prouzročiti ozbiljnu štetu okolnom prostoru.

Međutim, glavnu važnost ima upotreba potencijalne kemijske energije, koja u mnogim tvarima pod određenim uvjetima (kao rezultat kemijske reakcije) može brzo preći u energiju komprimiranih plinova. Tvari koje su sposobne za takve transformacije nazivaju se eksplozivom, a eksplozivno-kemijske. U budućnosti, pod eksplozijom, bez posebnih rezervacija, razumjet ćemo samo kemijsku eksploziju, a svi procesi koji se razmatraju pripisuju se procesima koji se odvijaju tijekom kemijske eksplozije.

Eksplozija se može karakterizirati količinom oslobođene energije. Budući da se taj proces ponekad određuje parametrima opreme (npr. Za pneumatske radijatore - volumenom komore i tlakom komprimiranog zraka), mora se moći odrediti njegova energija. Za pneumatski radijator je jednak PV /(k   - 1), gdje P   - tlak komprimiranog plina; V -   volumen komore; k -   faktor korekcije (za zrak k   = 1.4), za radijator s električnim pražnjenjem - UC2/2,   gdje C   - kapacitet U - napon. Energiju kemijskih eksploziva najčešće postavlja toplina eksplozije u kilojoulu po kilogramu. Naravno, usporedba izvora uključuje prijenos energije iz jedne jedinice u drugu (kalorije u džulove, itd.).

U vezi s razmatranjem eksplozije, dotaknimo proces, u određenoj mjeri suprotan od njega, impulsu koji se počinje primjenjivati ​​u tehnologiji. Eksplozijom eksplozivnog naboja, razina energije omogućuje plinovima zbog ekspanzije obavljanje radova na vanjskom okruženju. Kod impulsa tvar okoline koja okružuje izvor ima viši tlak nego na samom izvoru, a pri uklanjanju prepreke za odvajanje moguće je žuriti unutar izvora. Takav proces može uzrokovati poremećaje valova. Najjednostavniji primjer impulsa je žarulja električne žarulje (evakuirana), razbijena u zraku. Što je viši tlak medija, više energije se može osloboditi kada se šupljina sruši. U dubokim izvorima postaje značajan čak iu malim šupljinama. Sličan fenomen uočen je i tijekom podvodne eksplozije, kada se prekomjerno ekspandirani proizvodi eksplozije sruše pod djelovanjem hidrostatskog tlaka. U seizmičkom smislu to se bilježi kao drugi utjecaj eksplozije proizvedene u spremniku, s dovoljnom dubinom punjenja u njoj.

Kemijska eksplozija   - samo-propagirajuća kemijska transformacija tvari koja se odvija velikom brzinom, stvaranje topline i stvaranje plinova komprimiranih do visokog tlaka. Detonacija je poseban slučaj eksplozije koja se izvodi s konstantnom, maksimalnom brzinom za određenu tvar.

Prije svega, potrebno je procijeniti energiju (količinu topline) koja se oslobađa tijekom eksplozije. Reakcije su dvije vrste - oslobađanje topline (egzotermno) i apsorpcija (endotermna). Toplina nastajanja molekula - spojeva iz atoma (toplina nastanka potonje je nula) - može biti ili negativna (potrebno je trošiti energiju na njihovo formiranje od elemenata) i pozitivna. Oslobađanje topline iz eksploziva obično je uzrokovano reakcijom između gorivih komponenti i oksidirajućeg sredstva (kisika), koji je njegov dio. Ako je eksploziv pojedinačni kemijski spoj, onda će to biti različite skupine u molekuli, ako se miješaju, to su različite tvari koje čine smjesu. Njihov omjer određuje ravnotežu kisika u tvari. Kada kisik nije dovoljan da potpuno oksidira zapaljivu komponentu eksploziva, ravnoteža je negativna. Kod tvari s pozitivnom ravnotežom kisika dio kisika u eksploziji ostaje neiskorišten i neproduktivno se gubi. Svojstva kompozitnih eksploziva mogu se promijeniti odabirom odgovarajućih oksidanata i zapaljivih tvari.

Ravnoteža kisika definira se kao manjak ili suvišak (u gramima) kisika potrebnog za oksidaciju ili 100 g eksploziva koji ostaje tijekom oksidacije. Za tetranitrometu C (2O2) 4 jednak je +49, amonijev nitrat ΝΟH4ΝΟ3 - +20, trotyl C7H5N3O6 - -74, heksogen (SH2N2) 3 - -21,6. Maksimalna negativna ravnoteža kisika, po definiciji, je za vodik (-794), maksimalno pozitivno za kisik (+100).

Primjer eksploziva s negativnom kisikovom ravnotežom je trotyl, uobičajen visoko-eksplozivan. Njegov kemijski naziv je trinitrotoluen, pronađena su imena tol, TNT. Kao što se može vidjeti iz strukturne formule, gorive komponente - atomi vodika i ugljika i oksidacijski agens - su kisik, koji je dio nitro skupine (NO2), u TNT molekuli još nisu međusobno povezani:

Na temelju formule tvari, možete odrediti u kojem smjeru će se reakcija odvijati u njoj, koji se proizvodi mogu formirati u ovom slučaju. Za TNT je reakcija eksplozivne razgradnje sljedeća:

Sastav proizvoda ovisi o uvjetima eksplozije i njihovom konačnom stanju (stupanj ekspanzije). Mnogi eksplozivni sustavi su prvi koji ostvaruju reakcije koje karakterizira maksimalno oslobađanje energije. Dakle, u tvari koja ima formulu CaH4McOd, s relativno malim nedostatkom kisika [ d< (2a + b / 2)] prije svega, vodik reagira s kisikom kao najpovoljnijim, budući da se tijekom stvaranja H2O oslobađa 255 kJ po jedinici kisika i 187 kJ / tijekom stvaranja CO2 (toplina stvaranja CO2 je 379 kJ / mol).

Pristup izračuna topline transformacije eksploziva, u kojem se bilježe oni od mogućih reakcijskih produkata, čije stvaranje osigurava maksimalni toplinski učinak, naziva se principom maksimalnog djelovanja. Izračun u određenoj mjeri idealizira proces i daje najveću točnost za sustave s pozitivnom ili s blago negativnom ravnotežom kisika. Zapravo, sastav proizvoda od eksplozije (PT) obično ne odgovara ovom izračunu. Potonje je posljedica činjenice da se interakcija nastavlja neko vrijeme nakon eksplozije i uspostavlja se ravnoteža između produkata reakcija s pozitivnim i negativnim toplinskim učincima. Primjeri potonjih su reakcije

Za približne izračune sustava s negativnom kisikovom ravnotežom, možete koristiti Le Chatelier metodu, koja se temelji na principu maksimalnog volumena, a ako su volumeni isti, tada reakcija s velikim oslobađanjem topline ima prioritet. Metoda je najpogodnija za određivanje konačnog stanja eksplozivnih proizvoda. Prevladavajuća reakcija je oksidacija ugljika u CO. Ako je kisik podeksponiran, jednako se troši na dodatnu oksidaciju CO i H2. Reakcija dekompozicije RDX-a u ovom slučaju je napisana kao:

Točnije izračunavanje sastava proizvoda eksplozije provodi se uzimajući u obzir kinetiku i uvjete reakcija. Točnost tih izračuna nije uvijek dovoljna zbog nedostatka pouzdanih informacija o stanju tvari pri visokim temperaturama i pritiscima. Podaci o toplini i sastavu proizvoda od eksplozije također se dobivaju eksperimentalno, za što su razvijene i uspješno korištene posebne metode ispitivanja eksplozije.

Kao što je već spomenuto, energija eksplozije karakterizirana je toplinom eksplozivne transformacije eksploziva. Poznavajući toplinu nastajanja prekursora i produkata eksplozije i primjenom Hessovog zakona (toplinski učinak procesa ne ovisi o transformacijskom putu, već o početnom i konačnom stanju tvari), možemo izračunati toplinu i brojne druge parametre eksplozije. Takvi proračuni mogu se pojaviti iu praksi geofizičkog inženjera, budući da se koriste mješoviti eksplozivi i barut koji će se koristiti u sve većim količinama.

Izračunajte jeftinu eksplozivnu smjesu tipa Idanit od granuliranog amonijevog nitrata s tekućim gorivom. Za jednostavnost izračuna, umjesto naftnih proizvoda koristi - solarno ulje ili kerozin, koji su mješavina tvari - uzeti benzen (C6H6). Uzmite u obzir slučaj kada je eksplozivna smjesa određena indikacijom sastojaka i ravnoteže kisika. Neka se daje mješavina benzena i amonijevog nitrata u količini kisika od -10 ° C, inače će nedostajati 10 g kisika kako bi se potpuno oksidiralo 100 g smjese. Za početak, utvrdit ćemo sastav koji bi smjesa trebala imati kako bi zadovoljila zadatak.

Da bismo pojednostavili rješenje, zamislimo da se naši eksplozivi sastoje od dva dijela - jedne od komponenti (u ovom slučaju goriva, jer je ravnoteža negativna), uzeta u količini koja osigurava željenu ravnotežu, i mješavinu navedenih tvari s nultom količinom kisika (ponekad se naziva stehiometrijski). Dodamo li takvu smjesu izračunatoj količini goriva, pri čemu ukupna težina iznosi 100 g, dobit ćemo kompoziciju s danom kisikovom ravnotežom.

Dosljedno provodite izračune.

O oksidaciji molekule benzena (molekularna težina je 78)

trebat će 15 atoma kisika. Prema tome, količina benzena x1, čija oksidacija zahtijeva 10 g kisika, dobivamo iz omjera "benzen - kisik je potreban":

Dodavanje toj količini (100 - x1) g smjese nulte kisikove ravnoteže dobivamo smjesu određenog sastava.

Okrenimo se izračunu sadržaja komponenata u 96,75 g stehiometrijske smjese. Odredite višak kisika u oksidansu. Saltiter razgrađuje i oslobađa kisik:

štoviše, 80 g oksidirajućeg sredstva (molekulska masa amonijevog nitrata 80) će osloboditi 16 g kisika. Reakcija između benzena i amonijevog nitrata u mješavini nulte kisikove ravnoteže zapisana je kao

Tada dobivamo omjer:

Stoga će u 96,75 g smjese biti 5,85 g benzena i 90,85 g amonijevog nitrata. Dakle, konačni sastav smjese s danom kisikovom ravnotežom i sastav proizvoda od eksplozije, izračunat prema principu maksimalnog djelovanja, bit će:

Bez pribegavanja izračunu, bilo je moguće odmah zabilježiti sadržaj slobodnog ugljika u proizvodima eksplozije, budući da će upravo njegova prisutnost odrediti negativnu kisičnu ravnotežu smjese. Budući da je za punu oksidaciju 12 g ugljika potrebno 32 g kisika, 10 g kisika može oksidirati g ugljika, ili frakciju mola ugljika. Ta su razmatranja korisna za provjeru ispravnosti izvršenih izračuna.

Za pripremu takve mješavine je vrlo jednostavna: pravu količinu nitrata mora se pomiješati s benzenom. S početnim komponentama i poznavanjem sastava proizvoda eksplozije lako je izračunati toplinu eksplozije sustava. Toplina nastajanja početnih komponenti i proizvoda eksplozije nalazi se u odgovarajućim imenicima. Dakle, za 1 mol benzena on je (u kJ / mol) -39,1, amonijev nitrat - +410,8, CO2 - +444,2, H2O - + 271,7.

Toplinski učinak eksplozije Px naboj u zadatku može se odrediti iz jednadžbe

(4.29)

Bit će 374 kJ / 100 g smjese ili 3740 kJ / kg.

Količina formiranih plinovitih produkata (u litrama) može se izračunati iz jednadžbe reakcije množenjem broja molova plina s 22,4 (volumen gramske molekule). Naravno, to treba uzeti u obzir stanje tvari. Dakle, ugljik (temperatura sublimacije iznad 3700 ° C pri normalnom atmosferskom tlaku) neće dati plinsku fazu, voda će, naravno, biti para. Naziva se volumen eksplozivnih proizvoda koji se odnose na normalne atmosferske uvjete dani volumen.   U gore navedenom problemu bit će oko 800 l / kg.

Ako su toplina i sastav eksplozivnih proizvoda poznati, tada je njihova temperatura Tsunce se može odrediti iz odnosa Tuzeti = = Q / Cvcr gdje Cv cp je prosječan toplinski kapacitet proizvoda eksplozije (pri konstantnom volumenu) za interval Τ 0–Τ poduzeti. Značajno je napomenuti da je toplinski kapacitet funkcija temperature.

Potonji uvodi neke (čisto tehničke) komplikacije u izračun, budući da je poznat tip ovisnosti. Međutim, lakše je koristiti gotove podatke o sadržaju topline u plinovima pri različitim temperaturama (Tablica 4.1).

Tablica 4.1

Promjena sadržaja topline (unutarnja energija) nekih plinova (kJ / mol)

S obzirom na temperaturu i poznavanje sastava proizvoda eksplozije, možete pronaći njihov sadržaj topline i usporediti ga s toplinom eksplozije. Usporedba će odrediti prirodu greške pri odabiru temperature. Ponavljajući operaciju, ali s različitom (ispravljenom) temperaturom, možete upotrijebiti metodu aproksimacije kako biste pronašli temperaturu eksplozije.

Valja napomenuti da je energija koja se oslobađa tijekom eksplozije relativno mala: najjači eksploziv ima eksplozivnu toplinu od 6500-6700 kJ / kg. Eksplozijom 1 kg TNT-a u zrak se oslobađa oko 4000 kJ topline, a pri sagorijevanju 1 kg dizelskog goriva oko 44.000 kJ. No, toplina izgaranja 1 kg mješavine dizelskog goriva s kisikom bit će samo 10.000 kJ, a 1 kg mješavine dizelskog goriva i zraka - 2670 kJ. U više navrata je naglašavano da se, uz oslobađanje energije, eksplozija odlikuje i stvaranjem proizvoda koji su u plinovitom stanju pri temperaturama koje se postižu tijekom eksplozije.

Iako je toplina reakcije termita

oko 2,3 puta viša od topline eksplozivnog raspadanja TNT-a, njegovo izgaranje se odvija mirno; dobiveni proizvodi, čak i na temperaturama na koje se zagrijavaju, ostaju tekući. No, termit se mora samo navlažiti, jer se slika mijenja: toplina pretvara vodu u paru, a paljenje prati eksplozivni proces. Eksploziv u volumenu koji zauzima naboj, eksplozija je odmah formirana komprimirana do ogromnih tlačnih plinova - produkata reakcije, osiguravajući realizaciju oslobođene energije u obliku posla koji se obavlja ekspandiranjem plinova.

Pri stvaranju eksploziva, prirodno nas zanima činjenica da se sa stotinama eksplozija oslobađa više energije i stvaraju se komprimirani plinovi koji su u stanju ostvariti energiju na pravi način. Ponekad se ti zahtjevi sukobljavaju. Tako se energija eksplozivnog raspadanja može povećati odabirom odgovarajućeg zapaljivog, posebno uvođenjem metala u sastav eksploziva, primjerice aluminija (toplina stvaranja A12O3 je 1599 kJ / mol). Proizvodi oksidacije aluminija su krute tvari. Dodavanje (do određene granice) aluminija nekim eksplozivnim smjesama može povećati učinkovitost posljednjeg. Postoje eksplozivi s povećanom toplinom eksplozije, koji sadrže u svom sastavu metale. Kao što je već napomenuto, sastav proizvoda eksplozije ne ovisi samo o eksplozivu, već io uvjetima eksplozije: načinu pokretanja, veličini i dizajnu naboja i ljuske, uvjetima okoline u kojoj se eksplozija događa. Ako početni proizvodi ostanu konstantni i promijeni se sastav eksplozivnih proizvoda, toplinski učinak eksplozije će se također promijeniti, stoga se za neke eksplozivne tvari daju različite vrijednosti eksplozije eksplozije ovisno o uvjetima u kojima se izvode. Kao primjer, u tablici. 4.2 pokazuje (prema R. Schmidtu) sastav produkata eksplozije TNT-a (gustoća 1,52) kada je eksplozija naboja pobuđena slabim i jakim inicijatorima.

Da bi se eksploziv preobrazio zbog početka brze kemijske reakcije da prođe preko cijelog naboja, proces mora biti samo-propagirajući. Da bi se to postiglo, kemijska reakcija mora imati odgovarajuće kinetičke karakteristike, a oslobađanje energije mora nadoknaditi neizbježne gubitke. Brzina reakcije, sposobnost samo-širenja, egzotermičnost, stvaranje plina usko su povezani i utječu jedan na drugi i na granice eksplozivnog procesa.

Tablica 4.2

Sastav proizvoda eksplozije TNT-a

U kartici. 4.3 pokazuje karakteristike brojnih eksploziva i prašaka koje koristi industrija.

Tablica 4.3

Eksplozivna svojstva nekih eksploziva

Eksploziv u eksploziji oslobađa energiju zbog činjenice da se mala količina krutog ili tekućeg eksploziva pretvara u veliku količinu plinova zagrijanih na temperature od tisuću stupnjeva. Za različite vrste eksploziva, količina ispuštenih plinova na 1 kg eksploziva, s početnim volumenom ne većim od 0,8-1 l, je vrijednost od 300 do 1000 l i više. Nastali tijekom eksplozije vrućih plinovitih proizvoda raspadanja eksploziva počinju se širiti, proizvodeći mehanički rad. Tako, eksplozivi imaju rezervu latentne kemijske energije koja se oslobađa tijekom eksplozije. Međutim, ne samo da eksploziv ima latentnu energiju, nego, na primjer, benzin, ugljen, ogrjevno drvo i druge zapaljive tvari. Ova energija zapaljivih tvari može se osloboditi tijekom izgaranja. Zašto se, u svrhu uništavanja i bacanja, koriste eksplozivi i barut umjesto, na primjer, benzina? Poznato je da je 1 kg energije benzina 10 puta više od 1 kg TNT-a, a 12 puta više od bezdimnog piroksilinskog praha. Ali eksplozivno punjenje i punjenje baruta s ogromnom brzinom pretvaraju se u plinove, a benzin ili bilo koje drugo gorivo ne može gorjeti bez dovoljno zraka ili slobodnog kisika. Izgaranje 1 kg benzina zahtijeva onoliko kisika koliko se nalazi u 15,5 kg zraka. Stoga se toplina izgaranja (energije) goriva mora računati na 1 kg njezine smjese s kisikom potrebnim za njegovo potpuno sagorijevanje. Uz ovaj izračun, razlika u energiji sagorijevanja mješavine benzina s kisikom i energija eksplozije eksplozivnog naboja iste količine je niža od gore navedene, međutim, u ovom slučaju, količina energije koja se oslobađa pri izgaranju benzina je veća: bezdimni prah - 2860 kJ / kg, trotyl - 4100 kJ / kg, mješavina benzina s kisikom - 11,000 kJ / kg. Prema tome, nije glavna količina energije koja se nalazi u eksplozivima i barutu glavni razlog njihovog korištenja u svrhu uništavanja i bacanja. Glavni razlog nije u veličini energije, već u vrlo brzom oslobađanju. Ako 1 kg benzina gori u automobilskom motoru (ovisno o snazi ​​motora i opterećenju) u roku od 10–60 min, 1 kg praha izgori u komori za punjenje topničkog topa za nekoliko tisućinki sekunde, a eksplozija 1 kg TNT-a traje samo 30 -40 stotinki sekunde. Energija se tijekom eksplozije oslobađa nekoliko desetaka milijuna puta brže nego tijekom izgaranja goriva. To objašnjava ogromnu snagu eksplozije. Međutim, točnije je izračunati snagu eksplozije ne detonacijskim vremenom cijelog naboja, već u vrijeme kada proizvodi eksplozije prelaze normalnu razinu atmosferskog tlaka. U ovom slučaju, snaga 1 kg TNT izražena je kao više od 1 MW. No, čak iu stvarnim uvjetima, ta se snaga ne može u potpunosti ostvariti zbog njezina kratkog trajanja, inercije mase materijala koji se prenosi ili uništava, na kojem djeluje, kao i gubitaka zbog zagrijavanja okoline, prekomjernog brušenja i širenja, do zaostale topline u eksplozivnih proizvoda nakon njihove konačne ekspanzije i neizbježnih kemijskih gubitaka. Kao rezultat toga, korisni mehanički rad često ne prelazi 1-2%, a pri eksploziji u čvrstom mediju - 8-9% energije sadržane u eksplozivu. Međutim, ogromna količina potencijalne energije sadržane u eksplozivima i barutu čini ih nezamjenjivima, unatoč nepotpunoj uporabi u eksploziji. Visoka snaga je tipična za eksploziv i kada se koristi za bacanje projektila. Snaga punjenja praha topničkog metka velikog kalibra iznosi 10 MW.

Prva kronološki (kraj devetnaestog stoljeća) bila je termička teorija, čiji su osnivači slikar Le Chatelier i Nusselt. Temelj te teorije je van't Goughova hipoteza o temperaturnoj ovisnosti brzine kemijske reakcije. Uvjet za toplinsku eksploziju je dominacija unosa topline uslijed reakcijske energije tijekom odvođenja topline u okoliš. U tom slučaju, sustav akumulira toplinu, što dovodi do samozagrijavanja i samim time do ubrzanja reakcije.

Pojava u sustavu zapaljive oksidacijske reakcije najčešće je povezana s zagrijavanjem sustava s jednim ili drugim izvorom paljenja. Kada se sustav goriva zagrijava, energija molekula goriva i kisika se povećava, a kada dosegne određenu vrijednost, oni se aktiviraju, tj. formiraju se aktivni centri (radikali i atomi) sa slobodnim valencijama, zbog čega se molekule zapaljive tvari lako spajaju s kisikom iz zraka. Bach i C. Engler 1898. samostalno su predložili teoriju oksidacije peroksidacije, prema kojoj se, kada se zagrijava zapaljivi sustav, kisik aktivira razbijanjem jedne veze između atoma, a aktivna molekula ulazi u spoj s gorivom tvari, bez razbijanja atoma i formiranja. peroksidni spojevi tipa: R'-OR2 ili ROO-OH.

Međutim, teorija peroksida ne može objasniti neke karakteristične značajke oksidacijskog procesa, primjerice oštar učinak, ponekad neznatne tragove nečistoća.

Brzina kemijske reakcije, m / s, može se izraziti na temelju Arrheniusovog zakona, slijedećom jednadžbom:

, (1.12)

gdje je konstanta brzine reakcije (brzina kemijske reakcije pri koncentracijama reagensa svedena na jedinicu);

Koncentracija reagensa, mol / m3;

Stehiometrijski koeficijenti određeni su omjerom koncentracija početnih reagensa u jednadžbi stehiometrijske reakcije;

Osnova prirodnih logaritama;

Univerzalna plinska konstanta, = 8.3 J / (mol) K);

  - temperatura, K.

Termička teorija samozapaljenja (koja se naziva i teorija toplinske eksplozije) temelji se na usporedbi brzina proizvodnje topline tijekom egzotermne oksidacije i uklanjanja topline iz reakcijske smjese u zidu posude koja ga sadrži. Stanje samozapaljenja određeno je jednakošću tih brzina. Temperatura stijenki posude na kojoj se postiže ta jednakost naziva se temperatura samozapaljenja. Polazeći od te temperature (koja je karakteristična u svakom slučaju za dane specifične uvjete - veličina i oblik posude, termofizička svojstva plina), dolazi do samozagrijavanja, što može dovesti do bljeska (samo-paljenje).

Uzimajući u obzir gore navedeno, za samozagrijavanje u reaktivnom okruženju možemo zapisati:

gdje je toplinski kapacitet pri konstantnom volumenu, J / K;

Gustoća plina, kg / m3;

Temperatura plina, K;

Vrijeme, s;

Učinak reakcijske topline, W;

Brzina reakcije, m / s;

Površina reakcijske posude, m2;

Volumen reakcijske posude, m3;

Koeficijent prijenosa topline, W / (m 2 × K);

Temperatura stijenke posude, K.

DA Frank-Kamenetsky predložio kriterij za toplinsko paljenje, na temelju kršenja stacionarne temperature raspodjele u mlaznom plovilu s dovoljnom brzinom oslobađanja topline:

, (1.14)

gdje je karakteristična veličina plovila, m;

Preteksponentni faktor;

Toplinska provodljivost mješavine plina, W / (m × K);

Bezdimenzijski kriterij 3.3; 0,88 i 2 za sferne, ravninski-paralelne i cilindrične posude.

Kriterij D. A. Frank-Kamenetskog treba shvatiti na sljedeći način: ako se tijekom zamjene svih parametara koji određuju dobijemo vrijednost, tada neće doći do paljenja, kada dođe do paljenja. Iz jednadžbe kriterija slijedi da su toplina reakcije i radijus posude u kojoj se odvija reakcija važni čimbenici određivanja eksplozije. Termička eksplozija je izraženija svjetlija, što su nejednakosti bolje ispunjene:

Ako se te nejednakosti slabo ispune, onda se termička eksplozija degenerira - istovremeno s porastom temperature dolazi do brzog izgaranja izvorne tvari, što razmazuje sliku eksplozije.

Pojava izgaranja najčešće je povezana s zagrijavanjem zapaljivog sustava s jednim ili drugim izvorom paljenja. Prema teoriji akademika N.N. Semenov, proces oksidacije prati otpuštanje topline i pod određenim uvjetima može ubrzati. Ovaj proces samo-ubrzanja oksidacijske reakcije s njegovim prijelazom u izgaranje naziva se samozapaljenje.

U slučaju toplinskog samozapaljenja, to se događa zbog prekomjerne brzine oslobađanja topline u odnosu na brzinu ponora.

Razmotrimo proces toplinskog paljenja, na primjer, zapaljivog plina ili para zapaljive tekućine s zrakom, stavljene u posudu s volumenom. S povećanjem temperature posude i zapaljive smjese, brzina reakcije i toplina će se povećati. Ovisnost brzine oslobađanja topline od temperature, J / s određuje se:

, (1.15)

gdje je toplina izgaranja plina, J;

Volumen zapaljive smjese, m3;

Konstanta brzine reakcije;

Koncentracija reaktanta, kg / m3;

Nalog za reakciju;

Aktivacijska energija, j / mol;

Univerzalna plinska konstanta J / (mol · K);

Temperatura smjese, K.

Oslobođena toplina se prenosi u zapaljivu smjesu i zagrijava se. Čim temperatura smjese premaši temperaturu stijenki posude, odvođenje topline kroz stijenke posude počinje po jedinici vremena, razmjerno temperaturnoj razlici između smjese i stijenki posude i određuje se odnosom:

, (1.16)

gdje - brzina odvođenja topline kroz zidove posude, j / s;

Koeficijent prijenosa topline, J / (K · m 2 × s);

Površina zidova posude, m2;

Temperatura smjese, K;

Temperatura stijenki posude, K

Slika 1.5 - Ovisnost proizvodnje topline o temperaturi pri različitim tlakovima

Na slici 1.5, krivulje 2, 3 i 4 prikazuju ovisnost proizvodnje topline o temperaturi pri različitim tlakovima i istom sastavu smjese. Pri konstantnim temperaturama posude i medija i konstantnom sastavu mješavine, količina topline koja se uklanja iz zone izgaranja karakterizira ravna crta 1. Kada se promijeni sastav mješavine, brzina gubitka topline i, posljedično, nagib ravne crte mijenja se. Što je veći tlak, više se topline generira tijekom reakcije (krivulja 4). U uvjetima određenim krivuljom 2, samozapaljenje se ne može dogoditi jer je gubitak topline (pravac 1) veći od stvaranja topline pri tom tlaku. Točka krivulje 3 s pravcem odgovara ravnoteži između oslobođene i uklonjene topline pri - minimalnoj temperaturi samozapaljenja određenog zapaljivog sustava u danim uvjetima. Uz malu opskrbu energije izvana, moguće je samozapaljenje. Krivulja 4 opisuje uvjete pod kojima je samozapaljenje neizbježno, jer se toplina oslobađa više nego što se uklanja.

Analiza dane sheme, N.N. Semyonov je utvrdio ovisnost:

, (1.17)

gdje je minimalni tlak paljenja, Pa;

Minimalna temperatura samozapaljenja, K;

Nalog za reakciju;

Konstanta, ovisno o sastavu i drugim svojstvima smjese.

Na temelju ove jednadžbe (1.17), teoretski se može unaprijed odrediti je li moguće samostalno paljenje gorive smjese pod tim specifičnim uvjetima. Odnos između minimalnog tlaka i temperature samozapaljivosti potvrđen je brojnim pokusima i pokazao se vrijednim u proučavanju procesa izgaranja.

Teorija sagorijevanja lanca

Već 1928. N.N.Semenov je dao ideju o mogućnosti postojanja u kemijskim sustavima dva tipa eksplozija - lanca i topline.

Lančane reakcije su one koje prolaze kroz niz stupnjeva (kroz niz intermedijarnih reakcija) u kojima se formiraju međuproizvodi sa slobodnim valencijama, tzv. Aktivni centri, koji su klice naknadno brzih faza procesa.

Koncept lančane reakcije prvi put se pojavio 1913. godine, kada je njemački fizikalni kemičar M. Bodenstein utvrdio da kada je osvijetljena mješavina vodika s klorom, molekula klora, apsorbirajući kvantnu svjetlosnu energiju, raspada se na atome:

.

Atomi klora odmah reagiraju s vodikom, što rezultira eksplozijom smjese. Aktivacija jedne molekule klora uzrokovala bi stvaranje dvije molekule:

.

Međutim, eksperimenti pokazuju da se na taj način dobiva 100.000 molekula klorovodika. To se može objasniti ako se pretpostavi da interakcija klora s vodikom proizvodi proizvod koji se, kada ulazi u sekundarne reakcije, oživljava i može nastaviti s reakcijom. Ova pretpostavka odgovara sljedećoj reakcijskoj shemi:

I Primarna reakcija

IV. Otvoreni krug

Prema toj shemi, aktivacija jedne molekule klora (I) uzrokuje pojavu dva atoma klora - dva aktivna središta lančane reakcije. Svaki od atoma klora dovodi do vlastite lančane reakcije, u kojoj se aktivni centar kontinuirano obnavlja (II, III). Dakle, pod utjecajem reakcije iniciranja (I), javljaju se sukcesivne reakcije, formirajući lanac (II, III, itd.). Broj takvih reakcija od trenutka pokretanja lanca do njegovog loma naziva se duljina lanca. Lanac se može slomiti pri sudaru atoma klora (IV) ili atoma vodika (V) i stvaranja molekula iz njih ili pri sudaru aktivnih središta s površinom krute tvari. To je tipična ne-razgranata lančana reakcija. U njoj svaki aktivni centar uzrokuje pojavu samo jednog novog aktivnog centra, tako da se reakcija može nastaviti, ali ne i ubrzati.

U lančanoj reakciji grananja svaki aktivni centar dovodi do dva ili više aktivnih centara.

Prema teoriji lančanih reakcija, proces oksidacije započinje aktivacijom zapaljive tvari.

Praksa je pokazala da se paljenje može dogoditi pod izotermnim uvjetima, tj. bez povećanja temperature reakcijskog medija ("hladno" paljenje smjese). U ovom slučaju, oni govore o lančanoj (izometrijskoj) eksploziji.

Dvije početne komponente: gorivo i oksidans, koje su u relativno stabilnom molekularnom stanju, prije nego što su povezane s novim, stabilnijim proizvodima izgaranja, prolaze kroz cijeli lanac složenih međufaznih transformacija, što rezultira stvaranjem nestabilnih produkata: atoma, radikala, pobuđenih molekula s relativno velikim stupanj ionizacije (formaldehid, ugljikovodični i hidrokloridni radikali, atomski kisik i vodik).

Kondratyevu V.N. U plamenu raznih ugljikovodika bilo je moguće detektirati visoke koncentracije atomskog kisika (O), radikala hidroksi kiseline (OH), ugljikovodičnih radikala (CH 3), ugljičnog monoksida (CO), formaldehida (CH2O) i drugih. i milijune puta veće od njihovih ravnotežnih koncentracija tijekom termičke razgradnje na temperaturi plamena konačnih produkata reakcije, na primjer, H20 → H + OH.

Rezultati tih opažanja doveli su do zaključka da se atomi i radikali koji se razmatraju pojavljuju u reakcijskom plinu ne zbog konačne razgradnje produkata, nego su međuproizvodi reakcije.

Tako se lančani mehanizam paljenja temelji na čitavom nizu kemijskih transformacija jedne tvari u drugu, što rezultira stvaranjem u određenim međufazama kemijski vrlo nestabilnih produkata, nazvanih aktivni centri, koji lako reagiraju jedni s drugima i sa molekulama početnih tvari u obliku Novi aktivni centri i krajnji proizvodi, na primjer, za smjesu metana i zraka H 2 O i CO 2.

Visoka reaktivnost radikala i atoma objašnjava se niskom aktivacijskom energijom njihovih reakcija, koja je blizu aktivacijske energije atomskih reakcija:

OH + H2 = H20 + H - 25 kJ / mol

SN 3 + S 3 N 6 - 12,5 kJ / mol

CH3 + C6H6 - 23,5 kJ / mol

H20 → H + OH

Bilo koja od dobivenih aktivnih čestica (H ili OH) je izrazito nestabilna i stoga kemijski aktivna, sudarajući s molekulom izvorne tvari, razdvajajući se i formirajući nove aktivne čestice:

H + O2 = OH + O

OH + H2 = H20 + H

Nastale čestice reakcije aktivnih čestica H i HE ponovno ulaze u reakcije, a čestice O međusobno djeluju s vodikom:

O + H2 = OH + H.

To jest, kao posljedica reakcije između aktivnih čestica i molekula polaznih materijala, formiraju se ne samo konačni proizvodi, nego i nove aktivne čestice. Aktivne čestice nastale kao rezultat reakcije dovode do novih faza kemijske transformacije, koje će se dogoditi prije potpune potrošnje polaznih materijala.

Takve opetovano ponavljane kemijske reakcije nazivaju se lančane reakcije, a aktivne čestice, koje dovode do novih lanaca transformacija, aktivni su centri.

Gornji lanac procesa izgaranja vodika može se prikazati kao dijagram (slika 1.6).

Slika 1.6 - Dijagram lančanog paljenja vodika

Iz dijagrama se može vidjeti da samo čestice vodika (H), koje su aktivni centri, dovode do novih transformacijskih lanaca. Istovremeno, u svakoj vezi lančanog procesa, kao rezultat reakcije između aktivnog središta H i molekule kisika O2, pored konačnog produkta H 2 O, formiraju se 3 nova aktivna središta H, što dovodi do novih transformacijskih lanaca.

Takva lančana reakcija koja se javlja s povećanjem aktivnih centara naziva se razgranata. Reakcija se razvija kao lavina i odvija se vrlo visokim brzinama, daleko iznad brzine običnih molekularnih reakcija.

Tipična reakcija s ne-razgranatim lancem je interakcija klora s vodikom. Aktivna središta ove reakcije su naizmjenični atomi klora i vodika. Kada reagira klorov atom, formira se jedan atom vodika, kao što reagira s atomom vodika, tako da nastaje jedan atom klora. Stoga se reakcija može nastaviti, ali ne i ubrzati.

Poznata činjenica da fotokemijska reakcija klorida s vodikom još uvijek završava eksplozijom (samozapaljenjem) je zbog činjenice da, pri dovoljno visokoj brzini lančane reakcije, oslobađanje topline prelazi toplinu, zbog čega dolazi do vrlo vruće smjese i nastaju uvjeti potrebni za termičko samozapaljenje.

Kada se pojavi razgranata lančana reakcija, što je tipično za ugljikovodike, koncentracija aktivnih centara može se povećati bez obzira na početne uvjete inicijacije, a ako brzina stvaranja aktivnih središta tijekom grananja prelazi brzinu loma lanca, tada se događa proces samolabibilnog lavina, koji rezultira paljenjem.

Teorija lančanih reakcija omogućila nam je da objasnimo mnoge značajke procesa izgaranja (snažan utjecaj nečistoća, granice samozapaljenja tlakom, katalizu i inhibiciju tlaka, itd.), Što se ne može objasniti toplinskom teorijom. Mehanizam nastanka i razvoja stvarnih požara i eksplozija karakteriziran je kombiniranim lančano-toplinskim procesom. Počevši od lančanog načina, oksidacijska reakcija zbog svoje egzotermičnosti nastavlja se ubrzavati toplinskom stazom. Stoga će se u konačnici kritični (ograničavajući) uvjeti za pojavu i razvoj izgaranja odrediti stvaranjem topline i uvjetima izmjene topline u reakcijskom sustavu s okolinom.

Mnogi kemijski procesi temelje se na kemijskim lančanim reakcijama. Takvi procesi uključuju, na primjer, procese polimerizacije koji čine osnovu proizvodnje sintetičkih kaučuka, plastike, polimernih vlakana i mnogih drugih proizvoda. Oni također uključuju tako važne industrijske procese kao što su proizvodnja sintetskih masnih kiselina, zamjena prethodno korištenih jestivih masti u proizvodnji maziva za čišćenje, pucanje - proces dobivanja visokokvalitetnih goriva iz nafte itd.

spaljivanje   - brza protočna kemijska interakcija zapaljivih tvari s oksidirajućim sredstvom, praćena oslobađanjem velike količine topline i sjajnog sjaja (plamena). Izgaranje je moguće samo ako postoje tri faktora: zapaljiva tvar, oksidacijsko sredstvo, izvor topline.

Izvor topline   (požar) može biti otvoreni plamen, iskra, toplina, zagrijana kao rezultat trenja (pojasevi u prijenosu remena), udar, tlak. Izvor topline može biti i električni (zagrijavanje vodiča, luk), kemijska i zračna energija sunca.

Oksidirajuća sredstva   su klor, fluor, brom. Najčešći oksidacijski agens je kisikov zrak, a proces izgaranja ovisit će o njegovom sadržaju u zraku. Ako je kisik u zraku veći od 14-16%, tada se uočava postojano paljenje. Kada je sadržaj kisika manji od 14%, uočava se tinja, a kada je sadržaj manje od 8-10%, tinja se također zaustavlja.

Zapaljiva tvar, To mogu biti plinovi (amonijak, acetilen, vodik), tekućine (benzin, aceton, alkohol), krute tvari (ugljen, drvo). Da bi se zapalila kruta tvar ili tekućina, potrebno ih je zagrijati do temperature uz pomoć izvora topline, tako da dolazi do intenzivnog oslobađanja zapaljivih para s njihovih površina. Kada se dostigne određena koncentracija, ta se svjetla upale. Plinovi u procesu izgaranja ne mijenjaju agregatno stanje.

Postoje sljedeće vrste izgaranja: 1) bljeskalica; 2) paljenje; 3) samozapaljenje; 4) spontano izgaranje; 5) tinjajuće; 6) eksplozija.

1, bljeskalica   naziva se trenutno sagorijevanje mješavine kisika u zraku s parama, plinovima, prašinom, a ne prati stvaranje komprimiranih plinova. Plamište je najniža temperatura zapaljive supstance, pri kojoj se iznad njegove površine stvaraju pare ili plinovi, sposobni da bljeskaju iz izvora paljenja, ali za naknadno neprestano izgaranje njihova brzina formiranja je nedovoljna.

Ovisno o veličini te temperature, zapaljive tekućine se dijele na:

a) zapaljivo (zapaljive tekućine - benzin, aceton, alkohol) - tf ≤ + 45 ° C;

b) zapaljive tekućine (GZh - ulja, dizelsko gorivo, loživo ulje) - t vec\u003e + 45 ° C.

2. paljenje   naziva se kontinuirano kontinuirano paljenje tvari iz izvora topline. Minimalna temperatura zapaljive tvari kod koje se pali iz izvora paljenja i nastavlja gorjeti nakon uklanjanja naziva se temperatura paljenja. Ona je viša od točke paljenja.

Koncentracije zapaljivih tvari u zraku, pri kojima je moguće paljenje ili eksplozija, nalaze se unutar određenih granica: donji - CWP i gornji - ERW. Upala zapaljivih smjesa nije moguća u koncentracijama nižim od CEL-a (nedovoljno zapaljivih molekula u mješavini) i većih ERW-a (nedovoljnih molekula kisika u smjesi). Što je veća razlika između ERW i CWP, to je tvar opasnija. Vrijednosti ovih parametara mogu se smanjiti, na primjer, s povećanjem sadržaja vlage u smjesi prašine i zraka (PLN), na primjer, mješavina zraka sa šećerom, brašnom, ugljenom prašinom.

Dajemo primjere vrijednosti NVP i SVV za niz plinova i para tekućina:

Acetilen 3,5-82%;

Prirodni plin 3,8-19,2%;

Benzin 1-6%;

Ugljični monoksid 12,8-75%.

3.Samopaljenje- proces paljenja tvari iz vanjskog izvora (plamen, grijano ili zagrijano tijelo) bez izravnog kontakta s njim pri temperaturi paljenja. Ova temperatura će se smanjivati ​​s povećanjem tlaka i za većinu zapaljivih plinova je u rasponu od 400-700 ° C, za drvo - 340-400 ° C; ugljen - 400-500 ° C. Primjer samozapaljenja: zagrijavanje i naknadno paljenje drva, papira, koji se nalazi u blizini otvorenog plamena (bez dodira s njim) ili vrućih predmeta (ugljen, otvorena spirala grijača).

4. Spontano izgaranje   tvari nastaju kao rezultat fizikalnih, kemijskih i bioloških reakcija koje se pojavljuju u samoj tvari (materijalu), što dovodi do gorenja u odsutnosti izvora paljenja.

Kada se skladište u velikim količinama mokrog zrna, sijena, slame i nedovoljne ventilacije unutar tih materijala, pojavljuju se biokemijski procesi (raspad) s oslobađanjem topline. Temperatura ovih materijala se povećava, njihova velika masa (rikovi, hrpe) sprječava rasipanje proizvedene topline u okoliš, što uzrokuje požar. Takve materijale treba dobro sušiti prije skladištenja. Kontakt s tkivom (kombinezon, materijal za čišćenje) koji sadrži mrlje od ulja i preklopljen u hrpu bez ventilacije također će se spontano zapaliti. Stoga radnu odjeću treba objesiti na način da se osigura slobodan pristup zraka, a ulje treba odmah ukloniti s radnih područja.

Ovisno o brzini reakcije, proces izgaranja se odvija kao korupcija   (brzina nekoliko cm / s), zapravo spaljivanje   (nekoliko m / s) i eksplozije   (nekoliko stotina i tisuća m / s).

5. Eksplozija- nagle promjene u fizičkom i kemijskom stanju tvari pod utjecajem visokih temperatura, tlaka, kemijskih reagensa. Eksplozijom, volumen proizvedenih plinova i para dramatično se povećava, oslobađa se ogromna količina energije, koja je u obliku udarnog vala sposobna izvesti mehanički rad (uništiti zgrade, objekte, ozlijediti ljude).

Izgaranje materijala može biti potpuno ili nepotpuno. Tijekom potpunog izgaranja (višak kisika) nastaju negorivi proizvodi (CO 2 i H 2 O), au slučaju nepotpunog izgaranja (nedostatak O 2) nastaju proizvodi nepotpune oksidacije (CO, alkoholi, kiseline). Oni su otrovni i eksplozivni. Stoga je kod organiziranja procesa spaljivanja goriva (u kotlovima, pećima) potrebno osigurati dovoljnu količinu kisika u peći.

1. Osnovni pojmovi teorije izgaranja.

1. Značajke procesa izgaranja.

Izgaranje je složen fizičko-kemijski proces tijekom kojeg se odvija kemijska transformacija

schenie popraćen oslobađanjem energije (uglavnom u obliku topline i zračenja)

i prijenos topline i mase s okolinom.

Osnova procesa izgaranja je kemijska reakcija koja se može nastaviti s a

mouskoreniem. Razlozi za samo-ubrzanje mogu biti:

1. Akumulacija topline u sustavu - toplinsko ubrzanje

2. Akumulacija aktivnih čestica - samo-ubrzanje lanca

3. Autokataliza je ubrzanje reakcije s proizvodima.

U mnogim slučajevima, praktički važni procesi izgaranja poštuju se isključivo fizički

zbog činjenice da se pri visokim temperaturama kemijska transformacija može odvijati pri velikim brzinama i da je kemijski proces podložan isključivo fizičkim zakonima, kao što je prijenos topline i difuzija, te je njima regulirano. To znači da kemijska reakcija može nastaviti s visokom stopom

ima ograničenu brzinu i pokorava se zakonima jedne ili druge

fenomen.

Glavno obilježje procesa izgaranja su uvjeti samo-ubrzanja

kemijska reakcija stvorena sama od sebe. U kibernetici, ovaj fenomen se naziva pozitivna povratna sprega, to jest, uz malu promjenu vanjskih uvjeta, moguće je prebaciti se s stacionarnog načina reakcije na nisku brzinu u mod, na

gdje se brzina reakcije eksponencijalno povećava. Takvi fenomeni oštre promjene u načinu reakcije s malom promjenom vanjskih uvjeta nazivaju se

su kritični fenomenii nazivaju se uvjeti pod kojima se promatraju

kritičnim uvjetima.

Kritične pojave uključuju:

1. Samopaljenje

2. Paljenje

3. Granice koncentracije širenja plamena.

Kritični fenomeni ne javljaju se iz činjenice da se zakoni prirode drastično mijenjaju, nego

posljedica su neravnoteže između reagirajućeg sustava i okoliša

vodljivi medij.

Uvjet samozapaljenja je nemogućnost jednake topline ili difuzije

u uvjetima okoline, uvjet paljenja je neravnoteža u danim početnim uvjetima.

Druga značajka procesa izgaranja je njihova sposobnost širenja

u prostoru. U toplinskom načinu izgaranja dolazi do prijenosa prijenosa topline, u slučaju lanca ili autokatalitike - difuzijom aktivnih čestica.

2. Vrste i načini izgaranja.

1. Prema ukupnom stanju sudionika:

a. Sustavi plinskih plinova - homogeno izgaranje

b. Izgaranje krutih i tekućih zapaljivih (sustavi kruto-tekuće i kruto-plin) - heterogeno izgaranje

c. Izgaranje kondenziranih sustava (sustavi kruto-tekuće,

tekućina - tekućina, krutina - tekućina). \\ t

2. Brzinom procesa razmnožavanja

a. Spaljivanje deflagracije - sporo širenje procesa (provođenjem topline ili difuzijom)

b. Detonacija spaljivanje - brzo širenje procesa (s

snagu udarnog vala).

3. Prema aerodinamičkim uvjetima:

a. Loženje laminom je glatka površina plamena.

b. Turbulentno izgaranje je visoko zakrivljena prednja strana plamena.

Primjeri različitih tipova izgaranja na agregatno stanje sudionika:

Homogeno izgaranje:

Organsko sagorijevanje u kisiku

CH4 (g) + 202 (g) = CO2 (g) + 2H2O (para)

Izgaranje u prisustvu drugih oksidirajućih plinova

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

Raspadanje nestabilnih tvari (ozona)

203 (g) = 302 (g)

Heterogeno izgaranje:

Tekuće spaljivanje hidrazina:

N2H4 (g) + 02 (g) = N2 (g) + 2H2O (para)

Izgaranje ugljika:

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

Raspadanje nestabilnih tvari (acetilen)

C2H2 (g) = 2C (s) + H2 (g)

Spaljivanje sustava za izgaranje:

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

3. Termodinamika procesa izgaranja. Toplinska ravnoteža.

Temperatura izgaranja: Uobičajeno je da procese izgaranja karakteriziraju četiri temperature

peruraty gori

mješavinu s početnom temperaturom T0273K bez uzimanja u obzir razmjenu topline s

na okoliš.

3. Adijabatski Tg ad - određuje se toplinom sagorijevanja mješavine proizvoljnog sastava bez uzimanja u obzir razmjene topline s okolinom.

4. Stvarna aktivnost Tg je stvarno opažena (izmjerena) temperatura

Omjer između različitih definicija temperature pečenja

Toplinska ravnoteža procesa izgaranja temelji se na određivanju apsorbirane topline

spaljivanje proizvoda. Jednadžba toplinske bilance ima oblik:

gdje je Q PG toplina koju apsorbiraju proizvodi izgaranja, Q p je toplina kemijske reakcije,

Q ex je toplina dobivena iz vanjskih izvora, Q znoj je gubitak topline.

izgaranje. Gotovo disocijacija produkata izgaranja daje značajan doprinos samo pri temperaturama iznad 20.000 C.

Ima višu i nižu kalorijsku vrijednost. U prvom slučaju, voda, kao produkt izgaranja, uzima se u tekućem obliku, u drugom slučaju, u obliku pare. Od broja vas

toplina koja je podijeljena ovisi o količini spaljene tvari, molarna temperatura je

splav i specifična toplina izgaranja. tj toplina oslobođena tijekom izgaranja 1

mol ili kilogram zapaljivog materijala.

Za izračun specifične topline izgaranja (u kJ / kg) često se koristi formula D.I.

Mendeljejev

gdje je X sadržaj elementa u sastavu goriva u% (masa), W - vlažnost.

Opći pristup izračuna topline reakcije temelji se na kemijskoj termodinamici

obavlja sustav. Zatim iz prvog zakona termodinamike (zakon očuvanja energije

u izobarnom procesu p = const, integracija (1.7) i jednostavne transformacije

Iz (1.8) i (1.10) slijedi da u izohoričnim i izobarnim procesima toplina dobiva svojstva stanja funkcije, tj. ne ovisi o putu procesa. Ova odredba se naziva gI-jev zakon Hess, Početno i završno stanje kemikalije

zalihe su polazni materijali i reakcijski produkti. Entalpije jednostavnih tvari,

stabilni pod standardnim uvjetima (298K i 0.10113 MPa) se pretpostavlja da su nula. Kod kompleksnih tvari, promjena entalpije razmatra se kada se formiraju od elemenata.

egzotermno (stvara toplinu).

4. Kapacitet grijanja. Ovisnost toplinskog učinka reakcije o temperaturi

Kapacitet topline - naziva se količina topline potrebna za zagrijavanje jedinice

masa tvari je 1 K. Razlikovati specifični imolarni toplinski kapacitet, tj. količina topline potrebna za zagrijavanje 1 kg. Ili 1 mol tvari po 1 K.

Pravi molarni toplinski kapacitet određen je kako slijedi.

C (1,12) dT

gdje je C molarni toplinski kapacitet, mol K.

Za toplinske kapacitete pri konstantnom volumenu i tlaku (izohorični i izobarični) s

s obzirom na (1.8) i (1.10) dobivamo

Razmotrite ovisnost topline procesa o temperaturi pri konstantnom volumenu ili tlaku. S obzirom na jednadžbe (1.13) dobivamo

Nazivaju se jednadžbe (1.14) kirchhoffove jednadžbe.

Promjena toplinskog kapaciteta tijekom reakcije određena je izrazom

odnosno razlika između zbroja toplinskih kapaciteta reakcijskih produkata i polaznih materijala.

Iz jednadžbe (1.14) slijedi da ako je promjena toplinskog kapaciteta tijekom reakcije

to je razumno (tj. Toplinski kapacitet proizvoda je manji od toplinskog kapaciteta polaznih materijala), a zatim toplinski učinak reakcije postaje negativniji, reakcija postaje učinkovitija.

zotermichnoy.

uvjete strijele izračunate prema (1.11).

Kapacitet topline stvarnih tvari na složen način ovisi o temperaturi

Molekularna energija gorenja

Većina procesa izgaranja su zapaljivi, sadrže vodik i ugljik, s kisikom iz zraka.

Prije nego što pređemo na razmatranje fizičkih i matematičkih temelja teorije izgaranja, pokušajmo razumjeti na molekularnoj razini odakle dolazi energija izgaranja, od čijeg oslobađanja ovisi sve ostalo: zagrijavanje plina, pojava aktivnih kemijskih centara u njemu, itd.

Pogledajmo od koje su topline glavne reakcije kombiniranja ugljika i vodika s kisikom zraka.

Pišemo u skladu s tablicom podataka. 3.1 energetska bilanca reakcija uzastopne oksidacije čvrstog ugljika, na primjer grafita:

Tako se u ukupnoj reakciji oksidacije čvrstog ugljika oslobađa 386 kJ / mol:

Blizu veličinu i energiju oslobođenu kombiniranjem vodika s kisikom:

Molekula CO je možda najtrajnija, njezina energija vezanja je 1016 kJ / mol. (Sljedeća po jačini je molekula N2 s energijom veze od 892 kJ / mol. Postoje tri para veznih elektrona u obje molekule, u kemijskom jeziku postoje tri valentne veze. U molekuli CO najprije jedan elektron prolazi iz O u C, zatim O + i C- postaju slični atomima dušika, to potvrđuje prisutnost dipolnog momenta u molekuli CO.) U molekuli CO2, veza drugog atoma kisika je slabija: prema tablici. 3.1

Energije vezanja kisika u tim spojevima su usporedive s energijom vezanja izvorne molekule kisika. Kao i

tada samo 240 kJ / mol po atomu kisika. U niskoj energiji vezanja molekule kisika, razlog njezine kemijske aktivnosti i razlog korištenja oksidacije kao izvora energije.

Energija vezanja ugljikovog atoma u kristalnoj rešetki grafita (kao i dijamanta i amorfnog ugljika) je vrlo visoka. Relativno mala reakcijska energija C (s) + 0,5O2 = = CO + 98 kJ / mol je razlika dviju velikih količina: treba oduzeti polovicu energije O2 razmaka po atomu od energije vezanja CO (256 kJ / mol) (59 kJ / mol) i oduzimati toplinu isparavanja atoma ugljika. Zapravo, određena je i toplina isparavanja jednaka 671 kJ / mol. Također je vrlo velika količina.

Pretvorba čvrstog ugljika i plinovitog vodika u ugljikovodična goriva nastaje s malom promjenom energije. S druge strane, kada se kisik uvodi u organske molekule tina alkohola, aldehida i ketona, organskih kiselina, ugljikohidrata, oslobađa se gotovo isto toliko energije kao što se oslobađa tijekom potpunog izgaranja (CO2 i H2O), naravno, uz potrošnju jednake količine kisika. Stoga se može aproksimirati da se uz potpuno sagorijevanje bilo kojeg organskog goriva oslobađa 419-500 kJ / mol potrošenog kisika. Jedini izuzeci su neki endotermni, energetski bogati spojevi, kao što su acetilen i dicij, na primjer, njihova toplina izgaranja je veća.

Nepotpuno sagorijevanje je energetski nepovoljno ne samo u izračunu molekule goriva, već i na potrošenoj molekuli kisika. U reakciji 2Q (s) + O2 = 2CO, oslobađa se samo 210 kJ / mol umjesto 466 kada se spaljuje vodik i 526 kada se CO spali.

Snažna veza atoma C u čvrstom ugljiku dovodi do činjenice da ugljik ne isparava. Ugljik napušta kruto stanje samo s kisikom u obliku CO ili CO2.

U slučaju nepotpunog izgaranja i niske temperature, reakcija 2SO = S02 + S (tv) + 41 kJ / mol je energetski povoljna samo s obzirom na čvrsti ugljik. Pri izračunavanju slobodnog atoma ugljika, odgovarajuća reakcija 2CO = S02 + S - 129 kJ / mol ima veliku energetsku barijeru. Stoga se čađa i čađa tijekom izgaranja formiraju samo od raspadanja organskih molekula koje imaju ugljikov skelet, ali ne i iz CO.

Sada ćemo se osvrnuti na oksidacijske reakcije koje uključuju dušik.

Molekula dušika N2 je vrlo jaka - njezina energija disocijacije je 226 kJ / mol. Prema tome, reakcija pretvaranja N2 i O2 u 2NO je endotermna i za termodinamičke razloge može se odvijati samo na visokoj temperaturi.

Nastajanje viših oksida (NO2, N2O3, N2O4, N2O5) iz dušika i kisika odvija se praktički bez promjene energije (u usporedbi s energijom vezanja N2 i O2). Stoga, s energetske točke gledišta, kisik upakiran u spojeve s dušikom (CH3-ONO2-nitro ester, CH3 (CeH2) (NO2) 3-trinitrotoluen) gotovo je jednak plinovitom kisiku. Kiseonik integriran u organsku molekulu, ali vezan za dušik, omogućuje stvaranje tvari koje emitiraju mnogo energije kada se molekula prerasporedi u N2, a kisik se prenosi na molekule CO2 i H2O. Zbog toga se kao prah i eksploziv koriste spojevi u kojima se kisik veže na dušik (kao i na klor, u skupinama S33 i SLO4).

To su opće ideje o molekularnoj energiji izgaranja.