Kjemisk forbrenningsprosesser. Eksplosjonsenergi

Eksplosjonsenergi

De største fordelene med sprengstoff over andre energikilder er kompaktitet, transportabilitet og det faktum at energisparing kan finne sted i korte tider, noe som gjør det mulig å utvikle enorm kraft. Så, med eksplosjonen av en sfærisk ladning som veier 1 kg og en tetthet på 1,65 g / cm3, som er laget av kraftig eksplosiv heksogen, opphisset (initiert) i midten, er forplantningshastigheten for den eksplosive transformasjonen gjennom stoffet (detonasjon) 8300 m / s. Måten r   (radius av ladning), som vil passere detonasjonen, bestemmes av likestillingen

hvor Gup -   masse og ladetetthet, henholdsvis.

Prosessimplementeringstiden er τ = r / D (D   - detonasjonshastighet).

makt N   (kJ / e), utviklet under eksplosjonen, kan estimeres ved å vite hvor mye varme som slippes ut q   med den eksplosive transformasjonen av 1 kg RDX:

For RDX q   = 5420 kJ / kg. Den beregnede kraften er overvurdert, siden tiden da de ekspanderende gassene utfører arbeid ikke ble tatt i betraktning. Det skal bemerkes at det overstiger kapasiteten til de største kraftverkene i verden. Eksplosiver som er i stand til en slik rask transformasjon kalles sprengningsarbeid.

Sprengstoffsprengstoffene avgir startende sprengstoff, som praktisk talt ikke har uavhengig bruk, og brukes kun til fremstilling av sprengstoff. Sprengningsmidler (sprengningskapsler, eksplosive patroner, sikringer, detonerende ledninger, etc.) kombineres til en spesiell undergruppe. Sprengstoffsprut, sprut og sprengstoff utgjør en gruppe eksplosive materialer. Både under detonasjon og forbrenning under avfyring stilles ytterligere betingelser for konvertering av eksplosivstoffer til gasser: for våpenkraft - steady state forbrenning ved forskjellige trykk, for sprengstoff sprengstoff - en ekstremt høy propagasjon av transformasjonen av stoffet.

Sprengstoffene er imidlertid ikke kun i stand til raske transformasjoner. Hvis du antenner en liten mengde eksplosiver med konvensjonelle midler og la det brenne under atmosfæriske forhold uten å hindre utslipp av gasser, vil forbrenningen finne sted sakte og rolig. Metoden for destruksjon av ubrukbare eksplosiver ved forbrenning er basert på dette, med kvalifisert utførelse, det er ganske trygt og praktisk. Ved ukorrekt forbrenning kan det oppstå omstendigheter under hvilke forbrenning spontant vil bli til detonasjon med raskere omdannelse av eksplosiver til gasser.

Hva er en eksplosjon? Eksplosjon refererer til fysisk eller kjemisk transformasjon av et stoff, hvor energien raskt går over i energien til kompresjon og bevegelse av stoffet selv eller produktene av dets transformasjon og miljø.   Eksplosjonens energi kan være forskjellig. Frigivelsen av kjemisk, elektrisk, nukleær, termonukleær, termisk, kinetisk energi, elastisk komprimeringsenergi kan ledsages av eksplosive prosesser. For eksempel i elektriske gnistmetoder for ødeleggelse av materialer benyttes mikroeksplosjoner, hvor energikilden er elektrisk utladning, og bæreren av energi er fordampnings- og dekomponeringsprodukter eller bare oppvarmer det medium hvor utladningen utføres. Eksplosjonen forårsaket av ødeleggelse av komprimerte gassflasker, dampkjeler, høytrykksbeholdere, kan også fortsette med høy hastighet og forårsake alvorlig skade på det omkringliggende rommet.

Imidlertid er den viktigste betydningen bruk av potensiell kjemisk energi, som i mange stoffer under visse forhold (som følge av en kjemisk reaksjon) raskt kan passere inn i energien til komprimerte gasser. Stoffer som er i stand til slike transformasjoner kalles eksplosive, og eksplosjonen - kjemisk. I fremtiden vil vi under eksplosjonen, uten spesielle reservasjoner, bare forstå den kjemiske eksplosjonen, og alle prosessene som behandles, tilskrives prosessene som oppstår under en kjemisk eksplosjon.

En eksplosjon kan kjennetegnes av mengden energi som slippes ut. Siden denne prosessen iblant settes av parametrene til utstyret (for eksempel for pneumatiske radiatorer - ved kammervolum og trykk av trykkluft) må man kunne bestemme sin energi. For en pneumatisk radiator er den lik PV /(k   - 1), hvor P   - trykk av komprimert gass V -   kammervolum; k -   korreksjonsfaktor (for luft k   = 1,4), for elektrisk utladnings radiator - UC2/2,   hvor C   - kapasitet U - spenning. Energien til kjemiske eksplosiver er oftest satt av eksplosjonsvarmen i kilojoules per kilo. Naturligvis omfatter sammenligningen av kilder overføringen av energi fra en enhet til en annen (kalorier til joules, etc.).

I forbindelse med eksponeringen av eksplosjonen, la oss ta på prosessen, i en viss grad motsatt den, impulsjonen, som begynner å bli brukt i teknologi. Med eksplosjonen av eksplosjonsladningen tillater energinivået gasser på grunn av utvidelsen for å utføre arbeid på det ytre miljø. Ved impulsjon har stoffet i omgivelsene rundt kilden et høyere trykk enn ved selve kilden, og når du fjerner den separerende hindringen, er det mulig å haste inn i kilden. En slik prosess kan forårsake bølgeforstyrrelser. Det enkleste eksempelet på en impulsjon er en pære av en elektrisk pære (det evakueres), ødelagt i luften. Jo høyere trykk på mediet, jo mer energi kan slippes ut når hulrommet kollapser. I dype brønner blir det betydelig selv i små hulrom. Et lignende fenomen observeres under en eksplosjon under vann når de over ekspanderte eksplosjonsproduktene kollapser under virkningen av hydrostatisk trykk. I seismikk registreres dette som den andre effekten av en eksplosjon produsert i et reservoar, med en tilstrekkelig dybde i det.

Kjemisk eksplosjon   - Selvutbredende kjemisk transformasjon av et stoff som går videre med høy hastighet, varmeproduksjon og dannelse av gasser komprimert til høyt trykk. Detonasjon er et spesielt tilfelle av en eksplosjon utført med konstant, maksimal hastighet for en gitt substans.

Først av alt er det nødvendig å estimere energien (mengden varme) som frigjøres under eksplosjonen. Reaksjoner er av to typer - med utløsning av varme (eksoterm) og med absorpsjon (endoterm). Varmen ved dannelse av molekyler - forbindelser fra atomer (varmen ved dannelsen av sistnevnte er null) - kan være enten negativ (det er nødvendig å bruke ekstra energi på formasjonen fra elementene), så vel som positiv. Varmeutslipp fra sprengstoff er vanligvis forårsaket av reaksjonen mellom de brennbare komponentene og oksidasjonsmiddelet (oksygen), som er en del av det. Hvis eksplosiv er en individuell kjemisk forbindelse, så vil de være forskjellige grupper i molekylet, hvis de er blandet, er de forskjellige stoffer som utgjør blandingen. Deres forhold bestemmer oksygenbalansen av stoffet. Når oksygen ikke er nok til å oksidere brennbar komponent i eksplosivmaterialet, er balansen negativ. I stoffer med positiv oksygenbalanse forblir en del av oksygenet i eksplosjonen ubrukt og unproductivt tapt. Egenskapene til sammensatte sprengstoff kan endres ved å velge passende oksidanter og brannfarlig.

Oksygenbalanse er definert som mangel eller overskudd (i gram) oksygen som kreves for oksidasjon eller 100 g eksplosiv gjenværende under oksidasjon. For tetranitrometa C (N02) 4 er den lik +49, ammoniumnitrat N, H4NN03 - +20, trotyl C7H5N3O6-74, heksogen (СH2N2) 3 - -21,6. Den maksimale negative oksygenbalansen er per definisjon for hydrogen (-794), den maksimale positive er for oksygen (+100).

Eksempel på eksplosiver med negativ oksygenbalanse er trotyl, et vanlig høysprengstoff. Dens kjemiske navn er trinitrotoluen, navnene Tol, TNT er funnet. Som det fremgår av strukturformelen, er de brennbare komponentene - atomer av hydrogen og karbon og oksidasjonsmiddelet - oksygen, som er en del av nitrogruppen (NO2), i TNT-molekylet er ikke sammenkoblet:

Basert på stoffets formel, kan du spesifisere i hvilken retning reaksjonen vil fortsette i den, hvilke produkter som kan dannes i dette tilfellet. For TNT er reaksjonen av eksplosiv nedbrytning som følger:

Produktets sammensetning er avhengig av eksplosjonsforholdene og deres endelige tilstand (ekspansjonsgrad). Mange eksplosive systemer er de første til å realisere reaksjonene som er preget av maksimal frigjøring av energi. I et stoff som har formelen av formen CaH4McOd, med en relativt liten mangel på oksygen [ d< (2a + b / 2)] først og fremst blir hydrogen omsatt med oksygen som det mest fordelaktige, siden 255 kJ frigis per oksygeninnhold under dannelsen av H20 og 187 kJ / under dannelsen av CO2 (varmen ved dannelse av CO2 er 379 kJ / mol).

Tilnærming til å beregne varmen ved transformasjon av eksplosiver, hvor de av mulige reaksjonsprodukter registreres, hvor dannelsen av dem sikrer sin maksimale termiske effekt, kalles prinsippet om maksimal drift. Beregningen til viss grad idealiserer prosessen og gir størst nøyaktighet for systemer med en positiv eller med en litt negativ oksygenbalanse. Faktisk korresponderer sammensetningen av eksplosjonsproduktene (PT) vanligvis ikke med denne beregningen. Sistnevnte skyldes at samspillet fortsetter i noen tid etter eksplosjonen, og en likevekt etableres mellom reaksjonsproduktene med både positive og negative termiske effekter. Eksempler på sistnevnte er reaksjoner

For omtrentlige beregninger av systemer med negativ oksygenbalanse, kan du bruke Le Chatelier-metoden, basert på prinsippet om maksimalt volum, og hvis volumene er de samme, så har reaksjonen med stor varmefrigjøring prioritet. Metoden er mest gyldig for å bestemme den endelige tilstanden til eksplosjonsproduktene. Den dominerende reaksjonen er oksidasjon av karbon til CO. Hvis oksygen er undereksponert, blir den også brukt på ytterligere oksidasjon av CO og H2. Reaksjonen av dekomponering av RDX i dette tilfellet er skrevet som:

En mer nøyaktig beregning av sammensetningen av eksplosjonsproduktene utføres under hensyntagen til kinetikken og betingelsene for reaksjonene. Nøyaktigheten av disse beregningene er ikke alltid tilstrekkelig på grunn av mangel på pålitelig informasjon om tilstanden til stoffet ved høye temperaturer og trykk. Dataene på varmen og sammensetningen av eksplosjonsproduktene oppnås også eksperimentelt, for hvilke spesielle metoder for undersøkelse av eksplosjonen er blitt utviklet og vellykket brukt.

Som allerede nevnt er eksplosjonsenergien preget av eksplosiv transformasjon av eksplosiver. Å vite varmen i dannelsen av forløpere og eksplosjonsprodukter og ved hjelp av Hess-loven (den termiske effekten av prosessen er ikke avhengig av transformasjonsbanen, men på stoffets innledende og endelige tilstand), kan vi beregne varmen og en rekke andre parametere for eksplosjonen. Slike beregninger kan også forekomme i praksis av en geofysisk ingeniør, siden blandede sprengstoff og krypder brukes og vil bli brukt i økende mengder.

Utfør beregningen av en billig eksplosiv blanding av Idanit-type fra granulert ammoniumnitrat med flytende brennstoff. For enkel beregning, i stedet for de petroleumsprodukter som brukes - sololje eller petroleum, som er en blanding av stoffer - ta benzen (C6H6). Vurder saken når eksplosiv blanding er spesifisert ved indikasjon av komponentene og oksygenbalansen. La det gis at en blanding av benzen og ammoniumnitrat skal ha en oksygenbalanse på -10, ellers vil det mangle 10 g oksygen for å fullstendig oksidere 100 g av blandingen. Til å begynne med vil vi avgjøre hvilken sammensetning blandingen skal ha for å tilfredsstille oppgaven.

For å forenkle løsningen, la oss tenke oss at våre eksplosiver består av to deler - en av komponentene (i dette tilfellet drivstoff fordi balansen er negativ), tatt i en mengde som gir den ønskede balansen, og en blanding av spesifiserte stoffer med null oksygenbalanse (noen ganger kalt støkiometrisk). Hvis vi legger til en slik blanding i den beregnede mengden drivstoff, som gir totalvekten til 100 g, vil vi få en sammensetning med en gitt oksygenbalanse.

Konsekvent utføre beregninger.

På oksidasjonen av benzenmolekylet (dens molekylvekt er 78)

vil trenge 15 oksygenatomer. Følgelig mengden benzen x1, hvis oksydasjon krever 10 g oksygen, får vi fra andelen "benzen - oksygen er nødvendig":

Legg til i denne mengden (100 - x1) g blanding av null oksygenbalanse, oppnår vi en blanding av en gitt sammensetning.

La oss slå på beregningen av innholdet av komponenter i 96,75 g av en støkiometrisk blanding. Bestem overflødig oksygen i oksidasjonsmidlet. Saltpeter nedbryter og frigjør oksygen:

i tillegg vil 80 g oksidasjonsmiddel (molekylvekt av ammoniumnitrat 80) frigjøre 16 g oksygen. Reaksjonen mellom benzen og ammoniumnitrat i en blanding av null oksygenbalanse er skrevet som

Da får vi andelen:

Derfor vil i 96,75 g av blandingen være 5,85 g benzen og 90,85 g ammoniumnitrat. Således vil den endelige blanding av blandingen med en gitt oksygenbalanse og sammensetningen av eksplosjonsproduktene, beregnet i henhold til prinsippet om maksimal drift, være:

Uten å benytte beregningen var det mulig å umiddelbart registrere innholdet av fri karbon i eksplosjonsproduktene, da det nettopp er dets tilstedeværelse som bestemmer blandingens negative oksygenbalanse. Siden full oksidasjon av 12 g karbon krever 32 g oksygen, kan 10 g oksygen oksidere g karbon, eller en brøkdel av en mol karbon. Disse hensynene er gode å bruke for å verifisere korrektheten av beregningene som er gjort.

For å forberede en slik blanding er veldig enkel: riktig mengde nitrat må blandes med benzen. Å ha de første komponentene og vite sammensetningen av eksplosjonsproduktene, er lett å beregne eksplosjonsvarmen til systemet. Varmen til dannelse av de første komponentene og eksplosjonsproduktene finnes i de relevante katalogene. Så, for 1 mol benzen er det (i kJ / mol) -39,1, ammoniumnitrat - +410,8, CO2 - +444,2, H2O - +271,7.

Termisk effekt av eksplosjonen Qx ladning i problemet kan bestemmes ut fra ligningen

(4.29)

Det vil være 374 kJ / 100 g av blandingen, eller 3740 kJ / kg.

Volumet av gassformige produkter dannet (i liter) kan beregnes ut fra reaksjonsligningen ved å multiplisere antall mol gass med 22,4 (volumet av et gram molekyl). Dette bør selvsagt ta hensyn til stoffets tilstand. Så vil karbon (sublimeringstemperatur over 3700 ° C ved normalt atmosfærisk trykk) ikke gi en gassfase, selvfølgelig vil vann bli damp. Volumet av eksplosjonsprodukter, referert til normale atmosfæriske forhold, kalles gitt volum.   I det ovennevnte problemet vil det være ca 800 l / kg.

Hvis varmen og sammensetningen av eksplosjonsproduktene er kjent, så deres temperatur Tsolen kan bestemmes av forholdet Ttatt = = Q / Cvcr hvor Cv cp er gjennomsnittsvarmekapasiteten til eksplosjonsproduktene (med et konstant volum) for intervallet Τ 0–Τ tatt. Det er viktig å merke seg at varmekapasiteten er en funksjon av temperaturen.

Sistnevnte introduserer noen (rent tekniske) komplikasjoner i beregningen, siden typen avhengighet er kjent. Det er imidlertid lettere å bruke ferdige data om varmeinnholdet av gasser ved forskjellige temperaturer (tabell 4.1).

Tabell 4.1

Endring i varmeinnhold (intern energi) av enkelte gasser (kJ / mol)

Gitt temperaturen og å vite sammensetningen av eksplosjonsproduktene, kan du finne varmeinnholdet og sammenligne det med eksplosjonsvarmen. Sammenligningen vil avgjøre arten av feilen ved valg av temperatur. Gjenta operasjonen, men med en annen (korrigert) temperatur, kan du benytte tilnærmelsesmetoden for å finne eksplosjonstemperaturen.

Det skal bemerkes at energien som frigjøres under eksplosjonen er relativt liten: de kraftigste eksplosivene har en eksplosjonsvarme på 6500-6700 kJ / kg. Med eksplosjonen på 1 kg TNT slippes ca 4000 kJ varme i luften, og ved brenning 1 kg dieselolje - ca 44 000 kJ. Men forbrenningsvarmen på 1 kg av en blanding av dieselolje med oksygen vil bare være 10 000 kJ og 1 kg av en blanding av dieselolje og luft - 2670 kJ. Det ble gjentatte ganger understreket at i tillegg til frigjøring av energi er en eksplosjon preget av dannelsen av produkter som er i en gassformet tilstand ved de temperaturer som nås under en eksplosjon.

Selv om termitreaksjonens varme

ca 2,3 ganger høyere enn varmen i eksplosiv nedbrytning av TNT, fortsetter forbrenningen sin roligt; De resulterende produktene, selv ved de temperaturer de er oppvarmet til, forblir flytende. Men man må bare våt termiet, etter hvert som bildet endres: varme gjør vann til damp, og brenning er ledsaget av eksplosive prosesser. Det eksplosive i volumet som opptas av ladningen, eksplosjonen umiddelbart dannet komprimert til enorme trykkgasser - reaksjonsprodukter, som sikrer realiseringen av frigjort energi i form av arbeid utført ved å utvide gasser.

Når vi lager et eksplosiv materiale, er vi naturlig interessert i det faktum at med hundre eksplosjoner, frigjøres mer energi og komprimerte gasser dannes som er i stand til å realisere energien på riktig måte. Noen ganger er disse kravene i konflikt. Dermed kan energien fra eksplosiv nedbrytning økes ved å velge passende brennbare, spesielt innføring av metaller i eksplosivets sammensetning, for eksempel aluminium (varmen ved dannelse av A12O3 er 1599 kJ / mol). Aluminiumoksidasjonsprodukter er faste stoffer. Tilsetningen (opp til en viss grense) av aluminium til noen eksplosive blandinger kan øke effektiviteten til sistnevnte. Det er eksplosiver med økt eksplosjonsvarme, som inneholder i metallsammensetningen. Som allerede nevnt, er sammensetningen av eksplosjonsproduktene ikke bare avhengig av eksplosivet, men også av eksplosjonsbetingelsene: initieringsmetoden, ladningens størrelse og utforming, forholdene for miljøet der eksplosjonen finner sted. Hvis de opprinnelige produktene forblir konstante og sammensetningen av eksplosjonsproduktene endres, vil eksplosjonsens termiske effekt også forandres, og for enkelte eksplosiver blir det forskjellige verdier av eksplosjonsvarmen, avhengig av forholdene der det utføres. Som et eksempel, i tabellen. 4.2 viser (ifølge R. Schmidt) sammensetningen av produktene fra eksplosjonen av TNT (tetthet 1,52) når en ladningseksplosjon er opphisset av svake og sterke initiatorer.

For å kunne transformere eksplosiver på grunn av utbruddet av en rask kjemisk reaksjon for å passere hele ladningen, må prosessen være selvforplantende. For å gjøre dette må kjemisk reaksjon ha de rette kinetiske egenskapene, og utslipp av energi må kompensere for det uunngåelige tapet. Reaksjonshastigheten, evnen til selvutbredelse, eksotermisitet, gassdannelse er nært forbundet og påvirker hverandre og grensene for eksplosiv prosess.

Tabell 4.2

Sammensetningen av produktene fra eksplosjonen av TNT

I kategorien. 4.3 viser egenskapene til et antall eksplosiver og pulver som brukes av industrien.

Tabell 4.3

Eksplosive egenskaper av enkelte eksplosiver

Et eksplosiv i en eksplosjon frigir energi på grunn av at en liten mengde fast eller flytende eksplosiv blir til en stor mengde gasser oppvarmet til temperaturer på tusenvis av grader. For ulike typer eksplosiver er volumet av utslippte gasser pr. 1 kg eksplosiver, med et innledningsvolum på ikke mer enn 0,8-1 l, en verdi fra 300 til 1000 liter og mer. Formet under eksplosjonen av varme gassformige nedbrytningsprodukter av eksplosiver begynner å utvide, og produserer mekanisk arbeid. Dermed har eksplosiver et reserve av latent kjemisk energi frigjort under en eksplosjon. Ikke bare eksplosiver har latent energi, men for eksempel bensin, kull, brensel og andre brennbare stoffer. Denne energien av brennbare stoffer kan frigjøres under forbrenning. Hvorfor, for å ødelegge og kaste, brukes eksplosiver og krutt i stedet for for eksempel bensin? Det er kjent at 1 kg bensin energi er 10 ganger mer enn 1 kg TNT, og 12 ganger mer enn røykfritt pyroxylinpulver. Men den eksplosive ladningen og ladningen av kryp med enorm hastighet blir til gasser, og bensin eller noe brennstoff kan ikke brenne uten nok luft eller fri oksygen. Forbrenning av 1 kg bensin krever så mye oksygen som det finnes i 15,5 kg luft. Derfor skal forbrenningsvarmen (energi) av drivstoffet regnes for 1 kg av blandingen med oksygen som er nødvendig for fullstendig forbrenning. Med denne beregningen er forskjellen i forbrenningsenergien av en blanding av bensin med oksygen og eksplosjonsenergien av en eksplosiv ladning av samme mengde lavere enn det som er oppgitt ovenfor, men i dette tilfellet er mengden energi frigjort ved forbrenning av bensin mer: røykfritt pulver - 2860 kJ / kg, trotyl - 4100 kJ / kg, en blanding av bensin med oksygen - 11 000 kJ / kg. Følgelig er det ikke mengden energi som finnes i sprengstoff og kryp som er hovedårsaken til bruken av dem med det formål å ødelegge og kaste. Hovedårsaken er ikke i størrelsen på energi, men i sin meget raske utgivelse. Hvis forbrenning av 1 kg bensin i en bilmotor forekommer (avhengig av motorens kraft og belastning) på 10-60 minutter, brenner 1 kg pulver i et artillerispistolens ladekammer i noen tusenedeler av et sekund, og eksplosjonen på 1 kg TNT varer bare 30 -40 hundrevis av et sekund. Energi under en eksplosjon frigjøres titalls millioner ganger raskere enn under forbrenning av drivstoff. Dette forklarer eksplosjonens enorme kraft. Imidlertid er det mer korrekt å beregne eksplosjonens kraft ikke ved detonasjonstiden for hele ladningen, men når eksplosjonsproduktene overskrider det normale atmosfæriske trykknivået, oppnås et slikt nivå som et resultat av høyhastighetsfotografering av eksplosiv prosess innen noen få millisekunder. I dette tilfellet uttrykkes kraften på 1 kg TNT som mer enn 1 MW. Men selv i virkelige forhold kan denne kraften ikke fullt ut realiseres på grunn av den korte varigheten, masseintensiteten til materialet som overføres eller ødelegges, som det virker på, samt tapene som følge av miljøoppvarming, overdreven sliping og spredning av den, til gjenværende varme i eksplosjonsprodukter etter deres endelige ekspansjon og på det uunngåelige kjemiske tapet. Som et resultat av dette er ikke nyttig mekanisk arbeid over 1-2%, og når det eksploderer i et fast medium - 8-9% av energien i eksplosivet. Imidlertid gjør den enorme mengden potensiell energi i sprengstoff og krypdyr dem uunnværlig, til tross for at den er ufullstendig bruk i eksplosjon. Høy kraft er typisk for sprengstoff og når de brukes til prosjektilkasting. Kraften til pulverladningen på et stort kaliberartilleri er 10 MW.

Den første kronologisk (slutten av 1800-tallet) var termisk teori, grunnleggerne av disse er maleren, Le Chatelier og Nusselt. Grunnlaget for denne teorien er Van't Gough-hypotesen om temperaturavhengigheten av frekvensen av en kjemisk reaksjon. Tilstanden for en termisk eksplosjon er overvekt av varmeinngang på grunn av reaksjonsenergien over fjernelse av varme i miljøet. I dette tilfellet akkumulerer systemet varme, som fører til selvoppvarming og følgelig til selvakselerasjon av reaksjonen.

Forekomst i det brennbare oksidasjonsreaksjonssystemet er oftest forbundet med oppvarming av systemet ved en eller annen antennekilde. Når drivstoffsystemet er oppvarmet, øker energien til drivmolekylene og oksygen, og når den når en viss verdi, blir de aktivert, dvs. aktive sentre (radikaler og atomer) med frie valenser dannes, noe som resulterer i at molekylene av en brennbar substans lett går sammen med oksygen fra luften. AN Bach og C. Engler i 1898 foreslo uavhengig peroxidasjonsteori for oksydasjon, ifølge hvilken når et brennbart system oppvarmes, aktiveres oksygen ved å bryte en binding mellom atomer og det aktive molekyl inn i en forbindelse med en brennbar substans uten å bryte ned i atomer og danne peroksidforbindelser av typen: R 1 -OOR 2 eller ROO-OH.

Peroksideteorien er imidlertid ikke i stand til å forklare noen karakteristiske trekk ved oksidasjonsprosessen, for eksempel en skarp effekt, noen ganger ubetydelige spor av urenheter.

Antallet av kjemisk reaksjon, m / s, kan uttrykkes på grunnlag av Arrhenius-loven, med følgende ligning:

, (1.12)

hvor er reaksjonshastigheten konstant (frekvensen av kjemisk reaksjon ved konsentrasjoner av reagenser redusert til enhet);

Konsentrasjonen av reagenser, mol / m3;

De støkiometriske koeffisientene bestemt ved forholdet mellom konsentrasjonene av de første reagensene i den støkiometriske reaksjonsligningen;

Grunnlaget for naturlige logaritmer;

Den universelle gasskonstanten, = 8,3 J / (mol ∙ K);

  - temperatur, K.

Den termiske teorien om selvantennelse (også kalt teorien om termisk eksplosjon) er basert på en sammenligning av hastigheten av varmegenerering under eksoterm oksidasjon og varmefjerning fra den reagerende blanding i veggen av beholderen som inneholder den. Tilstanden for selvantennelse bestemmes av likeverdigheten av disse hastighetene. Temperaturen på fartøyets vegger hvor denne likestilling oppnås kalles autoignisjonstemperaturen. Ved å starte fra denne temperaturen (karakteristisk i hvert tilfelle for de givne spesifikke forholdene - fartøyets størrelse og form, de termofysiske egenskapene til gassen), oppstår selvoppvarming som kan føre til en blits (selvantennelse).

Tatt i betraktning det ovenfor, for selvoppvarming i et reaktivt miljø kan vi skrive ned:

hvor er varmekapasiteten ved et konstant volum, J / K;

Gass tetthet, kg / m 3;

Gass temperatur, K;

Tid, s;

Reaksjonsvarmeffekt, W;

Reaksjonshastighet, m / s;

Reaksjonsbeholderens overflate, m 2;

Volumet av reaksjonsbeholderen, m3;

Varmoverføringskoeffisient, W / (m 2 × K);

Temperaturen på fartøyets vegg, K.

DA Frank-Kamenetsky foreslo et kriterium for termisk tenning, basert på brudd på den stationære temperaturfordelingen i et strålefartøy med tilstrekkelig varmefrigivelse:

, (1.14)

hvor er fartøyets karakteristiske størrelse, m;

Preexponential faktor;

Termisk ledningsevne av gassblandingen, W / (m × K);

Et dimensjonsløst kriterium på 3,3; 0,88 og 2 for sfæriske, plane parallelle og sylindriske fartøy.

Kriteriet for D.A. Frank-Kamenetsky bør forstås som følger: Hvis det under substitusjonen av alle parametere som avgjøres, får vi en verdi, da blir det ingen tenning når tenningen oppstår. Fra ligningen av kriteriet følger det at reaksjonsvarmen og radiusen til fartøyet der reaksjonen finner sted, er viktige bestemmende faktorer for en eksplosjon. Den termiske eksplosjonen uttrykkes lysere, jo bedre er ulikhetene oppfylt:

Hvis disse ulikhetene blir dårlige, oppstår den termiske eksplosjonen - samtidig med temperaturstigningen oppstår en rask utbrenning av det opprinnelige stoffet, noe som smelter eksplosjonsbildet.

Forekomsten av forbrenning er oftest forbundet med oppvarming av brennbart system med en eller annen antennekilde. Ifølge teorien om akademiker N.N. Semenov, oksidasjonsprosessen er ledsaget av varmeutslipp og under visse forhold kan akselerere. Denne prosessen med selvakselerasjon av oksidasjonsreaksjonen med overgang til forbrenning kalles selvantennelse.

Ved termisk selvantennelse oppstår det på grunn av overskytende varmeutslippshastighet over kjølefrekvensen.

Overvei prosessen med termisk tenning for eksempel av brennbar gass eller damp av en brennbar væske med luft, plassert i et kar med et volum. Med økende temperatur på fartøyet og den brennbare blandingen vil reaksjonshastigheten og varmen øke. Avhengigheten av frekvensen av varmefrigjøring på temperatur, J / s bestemmes av:

, (1.15)

hvor er varmen av forbrenning av gass, J;

Volumet av den brennbare blandingen, m 3;

Reaksjonshastighet konstant;

Konsentrasjon av reaktanten, kg / m3;

Reaksjonsordre;

Aktiveringsenergi, j / mol;

Universal gass konstant J / (mol · K);

Temperaturen i blandingen, K.

Den utgitte varmen overføres til den brennbare blandingen, og den oppvarmer seg. Så snart temperaturen i blandingen overstiger temperaturen på beholderveggene, vil varmefjerning gjennom beholderveggene begynne per tidsenhet, proporsjonal med temperaturforskjellen mellom blandingen og beholderveggene og bestemmes av forholdet:

, (1.16)

hvor - hastigheten på varmefjerning gjennom veggene på fartøyet, j / s;

Varmeoverføringskoeffisient, J / (K · m 2 × s);

Overflaten av fartøyets vegger, m 2;

Temperaturen i blandingen, K;

Temperatur på fartøyets vegger, K

Figur 1.5 - Avhengigheten av varmegenerering på temperatur ved forskjellige trykk

I figur 1.5 viser kurver 2, 3 og 4 avhengigheten av varmegenerering på temperatur ved forskjellige trykk og samme blandingssammensetning. Ved konstant fartøy og medium temperatur og konstant blandingsblanding er mengden varme fjernet fra forbrenningsområdet kjennetegnet ved en rett linje 1. Når blandingssammensetningen forandres, vil hastigheten på varmetap og dermed hellingen til den rette linje endres. Jo høyere trykk, jo mer varme genereres under reaksjonen (kurve 4). Under forhold som bestemmes av kurve 2, kan selvantennelse ikke forekomme, siden varmetap (rett linje 1) er høyere enn varmegenerering ved dette trykk. Koblingspunktet for kurve 3 med en rett linje tilsvarer likevekten mellom varmen som slippes ut og fjernes ved - den minste antennelsestemperaturen til et gitt brennbart system under givne forhold. Med lite strømforsyning fra utsiden er selvantennelse mulig. Kurve 4 beskriver forholdene under hvilke selvantennelse er uunngåelig, siden varmen slippes mer enn den fjernes.

Analyse av det angitte skjema, N.N. Semyonov etablerte avhengighet:

, (1.17)

hvor er minimum tenningstrykk, Pa;

Minimumtemperaturen for selvantennelse, K;

Reaksjonsordre;

Konstant, avhengig av blandingens sammensetning og andre egenskaper.

Basert på denne ligningen (1.17) kan man teoretisk bestemme på forhånd om en selvantennelse av en brennbar blanding er mulig under disse spesifikke forhold. Forholdet mellom minimumstrykk og selvantennelsestemperaturen ble bekreftet av mange eksperimenter og viste seg å være verdifull for å studere forbrenningsprosesser.

Kjede teori for forbrenning

Så tidlig som 1928, videreførte N.Nemenemenov ideen om muligheten for eksistensen i kjemiske systemer av to typer eksplosjoner - kjede og termisk.

Kjedereaksjoner er de som går gjennom en rekke stadier (gjennom en rekke mellomreaksjoner) der mellomprodukter med frie valenser dannes, de såkalte aktive sentrene, som er bakteriene i de etterfølgende, hurtigflytende stadier av prosessen.

Konseptet med en kjedereaksjon oppsto først i 1913, da en tysk fysisk kjemiker M. Bodenstein fant at når en blanding av hydrogen med klor ble opplyst, klor molekylet, absorberende et kvantum av lysenergi, bryter opp i atomer:

.

Kloratomer reagerer umiddelbart med hydrogen, noe som resulterer i en eksplosjon av blandingen. Aktivering av ett molekyl klor ville ha forårsaket dannelsen av to molekyler:

.

Imidlertid viser eksperimenter at dette produserer 100.000 molekyler av hydrogenklorid. Dette kan forklares dersom det antas at samspillet mellom klor og hydrogen gir et produkt som, når det går inn i sekundære reaksjoner, gjenopplives og kan fortsette reaksjonen. Denne antakelsen tilsvarer følgende reaksjonsskjema:

Jeg Primær Reaksjon

IV åpen krets

I henhold til denne ordningen forårsaker aktiveringen av ett klormolekyl (I) utseendet av to kloratomer - to aktive sentre av kjedereaksjonen. Hvert av kloratomene gir opphav til egen kjedereaksjon, der det aktive senteret kontinuerlig gjenopprettes (II, III). Under påvirkning av initiasjonsreaksjonen (I) oppstår der etterfølgende reaksjoner, danner en kjede (II, III, etc.). Antallet slike reaksjoner fra øyeblikket av kjettinginitiering til dets brudd kalles kjedelengden. En kjede kan brytes ved kollisjon av klor (IV) atomer eller hydrogen (V) atomer og dannelsen av molekyler fra dem, eller ved kollisjon av aktive sentre med overflaten av et fast stoff. Dette er en typisk ikke-forgrenende kjedereaksjon. I det gir hvert aktivt senter utseendet til bare ett nytt aktivt senter, slik at reaksjonen kan fortsette, men ikke akselerere.

I en forgreningskjedereaksjon gir hvert aktivt senter anledning til to eller nyere aktive sentre.

Ifølge teorien om kjedereaksjoner begynner oksidasjonsprosessen med aktivering av en brennbar substans.

Praksis har vist at tenning kan forekomme under isotermiske forhold, dvs. uten å øke temperaturen av reaksjonsmediet ("kald" tenning av blandingen). I dette tilfellet snakker de om en kjede (isometrisk) eksplosjon.

To innledende komponenter: Brennstoff og oksidant, som er i en relativt stabil molekylær tilstand, før de blir assosiert med nye, mer stabile forbrenningsprodukter, gjennomgår en hel kjede av komplekse mellomprodukttransformasjoner, noe som resulterer i dannelse av ustabile produkter: atomer, radikaler, spennende molekyler med relativt store graden av ionisering (formaldehyd, hydrokarbon og hydrokloridradikaler, atom oksygen og hydrogen).

Kondratyevu V.N. Det var mulig å oppdage i flammen av forskjellige hydrokarboner høye konsentrasjoner av atom oksygen (O), hydroksy syre radikal (OH), hydrokarbonradikaler (CH3), karbonmonoksid (CO), formaldehyd (CH2O) og andre. Konsentrasjonene av disse stoffene i flammen var tusenvis og millioner ganger større enn deres likevektskonsentrasjoner under termisk dekomponering ved flammetemperaturen av de endelige reaksjonsprodukter, for eksempel H20 → H + OH.

Resultatene av disse observasjonene førte til den konklusjon at atomer og radikaler som er omtalt, forekommer i den reagerende gass ikke på grunn av den endelige dekomponering av produktene, men er intermediære produkter fra reaksjonen.

Dermed er kjennemekanismen for antennelse basert på en hel kjede av kjemiske transformasjoner av en substans i en annen, hvilket resulterer i dannelsen ved bestemte mellomstadier av kjemisk svært ustabile produkter, kalt aktive sentre, som lett reagerer med hverandre og med molekylene til de opprinnelige substanser for å danne Nye aktive sentre og sluttprodukter, for eksempel for metan-luftblanding av H 2 O og CO 2.

Den høye reaktiviteten til radikaler og atomer forklares av den lave aktiveringsenergien av deres reaksjoner, som ligger nær aktiveringsenergien av atomreaksjoner:

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

СН 3 + С 3 Н 6 - 12,5 kJ / mol

CH3 + C6H6 - 23,5 kJ / mol

H20 → H + OH

En hvilken som helst av de oppnådde aktive partikler (H eller OH) er ekstremt ustabile og derfor kjemisk aktive, som kolliderer med molekylet av det opprinnelige stoffet, splitter, danner nye aktive partikler:

H + O2 = OH + O

OH + H2 = H20 + H

De resulterende partiklene av reaksjonen av de aktive partikler H og HE inn igjen reagerer, og partiklene av O interagerer med hydrogen:

O + H2 = OH + H.

Det er som et resultat av reaksjonen mellom de aktive partikler og molekylene av utgangsmaterialene, ikke bare de endelige produkter, men også nye aktive partikler dannes. De aktive partiklene dannet som et resultat av reaksjonen, gir anledning til nye stadier av kjemisk transformasjon, som vil oppstå før fullstendig forbruk av utgangsmaterialene.

Slike gjentatte kjemiske reaksjoner kalles kjedereaksjoner, og aktive partikler, som gir opphav til nye transformasjonskjeder, er aktive sentre.

Ovennevnte kjedeprosess med hydrogenforbrenning kan representeres som et diagram (figur 1.6).

Figur 1.6 - Diagram over kjedeforbrenningen av hydrogen

Det fremgår av diagrammet at bare hydrogen (H) partikler, som er aktive sentre, gir opphav til nye transformasjonskjeder. På samme tid dannes i hver ledd i kjedeprosessen, som et resultat av reaksjonen mellom det aktive senter H og oksygenmolekylet O2, i tillegg til sluttproduktet H20, 3 nye aktive sentre H, som gir opphav til nye transformasjonskjeder.

En slik kjedereaksjon som oppstår med en økning i de aktive sentrene kalles forgrenet. Reaksjonen utvikler seg som en lavine og fortsetter i svært høye hastigheter, langt overstigende hastigheten på vanlige molekylære reaksjoner.

En typisk reaksjon med en ikke-forgreningskjede er samspillet mellom klor og hydrogen. De aktive sentrene i denne reaksjonen er alternerende atomer av klor og hydrogen. Når et kloratom reagerer, dannes et hydrogenatom, akkurat som når et hydrogenatom reagerer, dannes ett kloratom. Derfor kan reaksjonen fortsette, men ikke akselerert.

Det velkjente faktum at den fotokjemiske reaksjonen av klor med hydrogen fortsatt ender i en eksplosjon (selvantennelse) skyldes det faktum at varmeutløsningen ved en tilstrekkelig høy kjede-reaksjonshastighet overskrider varmen, hvilket resulterer i at blandingen er meget varm og betingelsene som er nødvendige for termisk selvantennelse oppstår.

Når en forgrenet kjedereaksjon forekommer, som er typisk for hydrokarboner, kan konsentrasjonen av aktive sentre øke uavhengig av de innledende initieringsbetingelsene, og hvis dannelseshastigheten for aktive sentre under forgrening overstiger hastigheten av kjedebrudd, oppstår en selvakselerende lavine-lignende prosess som resulterer i tenning.

Teorien om kjedereaksjoner tillot oss å forklare mange trekk ved forbrenningsprosessene (forurensningens sterke påvirkning, grensene for automatisk antennelse ved trykk, katalyse og hemming av trykk etc.), som ikke kan forklares av termisk teori. Mekanismen for forekomst og utvikling av virkelige branner og eksplosjoner kjennetegnes av en kombinert kjede-termisk prosess. Ved å starte på en kjede måte fortsetter oksidasjonsreaksjonen på grunn av sin eksotermitet å bli akselerert av den termiske banen. Derfor vil de kritiske (begrensende) forholdene for forekomst og utvikling av forbrenning bestemmes av varmegenerasjons- og varmevekslingsbetingelser for det reagerende system med miljøet.

Mange kjemiske prosesser er basert på kjemiske kjedereaksjoner. Slike prosesser innbefatter for eksempel polymerisasjonsprosesser som danner grunnlaget for produksjonen av syntetiske gummier, plast, polymerfibre og mange andre produkter. De inkluderer også slike viktige industrielle prosesser som produksjon av syntetiske fettsyrer, erstatning av tidligere brukte spiselige fettstoffer i produksjon av rengjørings smøremidler, sprekkdannelse - prosessen med å skaffe høyverdig drivstoff fra olje etc.

brenning   - raskt flytende kjemisk samspill av brennbare stoffer med et oksidasjonsmiddel, ledsaget av utgivelse av en stor mengde varme og en lys glød (flamme). Forbrenning er bare mulig hvis det er tre faktorer: et brennbart stoff, et oksidasjonsmiddel, en varmekilde.

Varmekilde   (brann) kan være åpen flamme, gnist, varme, oppvarmet som følge av friksjon (belter i beltetransmisjonen), støt, trykk. Varmekilden kan også være elektrisk (oppvarming av ledere, lysbuer), kjemisk og strålende energi fra solen.

Oksyderingsmidler   er klor, fluor, brom. Det vanligste oksidasjonsmiddelet er luft oksygen, forbrenningsprosessen vil avhenge av innholdet i luften. Hvis oksygen i luften er over 14-16%, så observeres jevn forbrenning. Når oksygeninnholdet er mindre enn 14%, observeres smoldering, og når innholdet er mindre enn 8-10%, stopper smoldering også.

Brennbart materiale. De kan være gasser (ammoniakk, acetylen, hydrogen), væsker (bensin, aceton, alkohol), faste stoffer (kull, tre). For at et fast stoff eller en væske skal antennes, er det nødvendig å varme opp til en temperatur ved hjelp av en varmekilde slik at en intens frigjøring av brennbare damper oppstår fra deres overflater. Når en bestemt konsentrasjon er nådd, lyser disse damper. Gassene i forbrenningsprosessen endrer ikke deres aggregeringsnivå.

Det finnes følgende typer forbrenning: 1) flash; 2) tenning; 3) Selvantennelse; 4) spontan forbrenning 5) smoldering; 6) eksplosjonen.

1. blitz   kalles øyeblikkelig forbrenning av en blanding av luft oksygen med damp, gasser, støv, ikke ledsaget av dannelse av komprimerte gasser. Flammepunktet er den laveste temperaturen av et brennbart stoff, hvor damp eller gasser dannes over overflaten, som er i stand til å blinke fra tenningskilden, men for den etterfølgende stabile brenningen er deres formasjonshastighet utilstrekkelig.

Avhengig av størrelsen på denne temperaturen, er brennbare væsker delt inn i:

a) Brennbare (brannfarlige væsker - bensin, aceton, alkohol) - tf ≤ + 45 ° C;

b) brennbare væsker (GZh - oljer, dieselolje, brenselolje) - t vec\u003e + 45 ° C.

2. tenning   kalt vedvarende kontinuerlig forbrenning av et stoff fra en varmekilde. Minimumstemperaturen til et brennbart stoff der det antennes fra en tenningskilde og fortsetter å brenne etter fjerning kalles antennelsestemperaturen. Det er høyere enn flammepunktet.

Konsentrasjoner av brennbare stoffer i luften, der det er mulig å tenne eller eksplosere, er innenfor visse grenser: den nedre - CWP og den øvre ERW. Inflammasjon av brennbare blandinger er ikke mulig i konsentrasjoner lavere enn en CEL (ikke nok brennbare molekyler i blandingen) og høyere ERW (ikke nok oksygenmolekyler i blandingen). Jo større forskjellen mellom ERW og CWP, desto farligere er stoffet. Verdiene av disse parametrene kan for eksempel reduseres med en økning i fuktighetsinnholdet i støvluftblandingen (PLN), for eksempel en blanding av luft med sukker, mel, kullstøv.

La oss gi eksempler på verdiene til NVP og SVV for en rekke gasser og damper av væsker:

Acetylen 3,5-82%;

Naturgass 3,8-19,2%;

Bensin 1-6%;

Kullmonoksyd 12,8-75%.

3.Selvantennelse- prosessen med antennelse av stoffer fra en ekstern kilde (flamme, oppvarmet eller oppvarmet legeme) uten direkte kontakt med det ved antennelsestemperaturen. Denne temperaturen vil senke med økende trykk, og for de fleste brannfarlige gasser er det i området 400-700 ° C, for tre - 340-400 ° C; kull - 400-500 ° C. Et eksempel på selvantennelse: oppvarming og etterfølgende tenning av tre, papir, lokalisert nær en åpen flamme (uten kontakt med det) eller varme gjenstander (kul, åpen spiral i varmeren).

4. Spontan forbrenning   stoffer oppstår som følge av fysiske, kjemiske og biologiske reaksjoner som forekommer i selve stoffet (materialet), noe som fører til brenning i fravær av en antennekilde.

Ved lagring i store mengder vått korn, hø, halm og utilstrekkelig ventilasjon i disse materialene, oppstår biokjemiske prosesser (henfall) ved varmeutslipp. Temperaturen på disse materialene øker, deres store masse (ricks, stacks) forhindrer spredning av generert varme i miljøet, noe som forårsaker brann. Slike materialer bør tørkes godt før lagring. Vevkontakt (overalls, rengjøringsmidler) som inneholder oljeflett og brettet i en bunke uten ventilasjon, vil også antennes spontant. Derfor bør arbeidstøy henges på en slik måte at det sikres fri tilgang til luft, og olje bør straks fjernes fra arbeidsområder.

Avhengig av reaksjonshastigheten fortsetter forbrenningsprosessen som korrupsjon   (hastighet noen få cm / s), faktisk brenning   (noen m / s) og eksplosjonen   (flere hundre og tusen m / s).

5. Eksplosjonen- En plutselig endring i stoffets fysiske og kjemiske tilstand under påvirkning av høy temperatur, trykk, kjemiske reagenser. Med eksplosjonen øker volumet av genererte gasser og damper dramatisk, en stor mengde energi frigjøres, som i form av en sjokkbølge er i stand til å utføre mekanisk arbeid (for å ødelegge bygninger, strukturer, skade mennesker).

Forbrenning av materialer kan være komplett eller ufullstendig. Ved fullstendig forbrenning (overskudd av oksygen) dannes ikke-brennbare produkter (CO 2 og H 2 O). Ved ufullstendig forbrenning (mangel på O 2) dannes ufullstendig oksidasjonsprodukter (CO, alkoholer, syrer). De er giftige og eksplosive. Derfor, når du organiserer brennstoffprosessen (i kjeler, ovner), er det nødvendig å sikre tilstrekkelig mengde oksygen i ovnen.

1. Grunnleggende begreper for teorien om forbrenning.

1. Funksjoner av forbrenningsprosesser.

Forbrenning er en kompleks fysisk-kjemisk prosess under hvilken kjemisk transformasjon

schenie ledsaget av frigjøring av energi (hovedsakelig i form av varme og stråling)

og varme og masseoverføring med miljøet.

Grunnlaget for forbrenningsprosessen er en kjemisk reaksjon som kan fortsette med a

mouskoreniem. Årsakene til selvakselerasjon kan være:

1. Varmeakkumulering i systemet - termisk akselerasjon

2. Akkumulering av aktive partikler - kjetting selvakselerasjon

3. Autokatalyse er akselerasjonen av reaksjonen med sine produkter.

I mange tilfeller advarer praktisk talt store forbrenningsprosesser rent fysisk

på grunn av at ved høy temperatur kan kjemisk transformasjon fortsette ved høye hastigheter, og den kjemiske prosessen er underlagt rent fysiske lover, som varmeoverføring og diffusjon, og reguleres av dem. Dette betyr at en kjemisk reaksjon som kan fortsette med en høy hastighet på

har en begrenset hastighet og overholder lovene til en eller annen

zic fenomen.

Hovedfunksjonen i forbrenningsprosessene er at betingelsene for selvakselerasjon

kjemisk reaksjon skapt av seg selv. I cybernetikk kalles dette fenomenet positiv tilbakemelding, det vil si med en liten endring i ytre forhold, det er mulig å bytte fra en stasjonær reaksjonsmodus med lav hastighet til en modus, til o

hvor reaksjonshastigheten øker eksponentielt. Slike fenomener av en skarp forandring i reaksjonsmodusen med en liten endring i ytre forhold kalles

er kritiske fenomenerog betingelsene som de blir observert blir kalt

kritiske forhold.

Kritiske fenomener inkluderer:

1. Selvantennelse

2. Tenning

3. Konsentrasjonsgrensene for flammeformering.

Kritiske fenomener oppstår ikke fra det faktum at naturens lover forandrer seg, men

er en konsekvens av ubalansen mellom det reagerende systemet og miljøet

ledende medium.

Tilstanden for selvantennelse er umuligheten av termisk eller diffusjon lik

miljøforhold, er tenntilstanden en ubalanse under de angitte opprinnelige forholdene.

Den andre funksjonen i forbrenningsprosesser er deres evne til å spre seg

i rommet. I termisk modus for forbrenning skjer forplantningen gjennom varmeoverføring, i tilfelle kjede eller autokatalytisk - gjennom diffusjon av aktive partikler.

2. Typer og former for forbrenning.

1. I henhold til deltakerens samlede tilstand:

a. Forbrenningsgassystemer - homogen forbrenning

b. Forbrenning av fast og flytende brennbar (fast-væskesystem og fastgassystemer) - heterogen forbrenning

c. Forbrenning av kondenserte systemer (fast-væske systemer,

flytende - væske, fast stoff - væske).

2. I henhold til utbredelseshastigheten av prosessen:

a. Deflagrering brennende - langsom forplantning av prosessen (ved varmeledning eller diffusjon)

b. Detonasjon brenner - den raske spredningen av prosessen (med

kraften til sjokkbølgen).

3. Ved aerodynamiske forhold:

a. Laminarbrenning er en glatt flammefront.

b. Turbulent forbrenning er en høyt buet flammefront.

Eksempler på ulike typer forbrenning på deltakerens aggregatstatus:

Homogen forbrenning:

Organisk brenning i oksygen

CH4 (g) + 2O2 (g) = CO2 (g) + 2H20 (damp)

Forbrenning i nærvær av andre oksiderende gasser

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

Nedbrytning av ustabile stoffer (ozon)

2O3 (g) = 3O2 (g)

Heterogen forbrenning:

Flytende hydrazin brenner:

N2H4 (g) + O2 (g) = N2 (g) + 2H20 (damp)

Kullbrenning:

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

Nedbrytning av ustabile stoffer (acetylen)

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

Forbrenningssystemer som brenner:

KClO3 (sv.) + Al (sv.) = KCl (sv.) + Al2O3 (sv.) 2NH4NO3 (sv.) = 2N2 (g) + 4H20 (damp) + O2 (g)

3. Termodynamikk av forbrenningsprosesser. Varmebalanse.

Forbrenningstemperatur: Det er vanlig å karakterisere forbrenningsprosessene ved fire temperaturer

peruraty brennende

blanding med en innledende temperatur T 0 273K uten å ta hensyn til varmeveksling med

ronment.

3. Adiabatic Tg-ad - bestemmes av forbrenningsvarmen av en blanding av vilkårlig sammensetning uten å ta hensyn til varmeveksling med miljøet.

4. Den faktiske Tg-handlingen er faktisk observert (målt) temperaturen på

Forholdet mellom forskjellige definisjoner av brenntemperatur

Varmebalansen i forbrenningsprosessene er basert på bestemmelsen av varmen absorbert

brennende produkter. Varmebalansekvasjonen har formen:

hvor Q PG er varmen absorbert av forbrenningsproduktene, Qp er varmen av kjemisk reaksjon,

For eksempel er varme mottatt fra eksterne kilder, Q svette er varmetap.

forbrenning. Nesten dissociation av forbrenningsprodukter gir et betydelig bidrag bare ved temperaturer over 20 000 C.

Det er høyere og lavere kaloriverdi. I det første tilfellet tas vann som forbrenningsprodukt i flytende form, i andre tilfelle i dampform. Siden antall deg

varmen som er delt avhenger av mengden av det brente stoffet, den molare temperaturen er

flåte og bestemt forbrenningsvarme. dvs. varme frigjort under forbrenning 1

mol eller kilo brennbart materiale.

For å beregne den spesifikke forbrenningsvarmen (i kJ / kg), brukes D.I.-formelen ofte.

Mendelejev

hvor X er innholdet av elementet i sammensetningen av drivstoffet i% (masse.), W - fuktighet.

Den generelle tilnærmingen til å beregne reaksjonsvarmen er basert på kjemisk termodynamisk

gjort av systemet. Deretter fra den første loven om termodynamikk (loven om energibesparelse

i isobarisk prosess p = const, integrasjon (1.7) og enkle transformasjoner gir

Fra (1.8) og (1.10) følger det at i isokoriske og isobar-prosessene oppnår varmen egenskapene til tilstandsfunksjonen, dvs. er ikke avhengig av prosessens bane. Denne bestemmelsen kalles gIs lov Hess. Den opprinnelige og endelige tilstanden til kjemikaliet

aksjer er utgangsmaterialer og reaksjonsprodukter. De entalpier av enkle stoffer,

stabilt under standardforhold (298K og 0.10113 MPa) antas å være null. For komplekse stoffer vurderes endringen i entalpy når de dannes av elementer.

eksoterm (genererer varme).

4. Varmekapasitet. Avhengigheten av den termiske effekten av reaksjonen på temperaturen

Varmekapasitet - kalles mengden varme som kreves for å varme en enhet

massen av stoffet er 1 K. Skille ut den spesifikke imolære termiske kapasiteten, dvs. mengden varme som kreves for å varme 1 kg. Eller 1 mol stoff per 1 K.

Den ekte molarvarmekapasiteten bestemmes som følger.

C (1,12) dT

hvor C er molarvarmekapasiteten, mol K.

For varmekapasitet ved konstant volum og trykk (isokorisk og isobarisk) med

vurderer (1.8) og (1.10) vi får

Vurder avhengigheten av varmen i prosessen på temperaturen ved et konstant volum eller trykk. Tatt i betraktning likninger (1.13) får vi

Ligninger (1.14) kalles kirchhoff ligninger.

Forandringen i varmekapasitet under reaksjonen bestemmes av uttrykket

dvs. forskjellen mellom summen av varmekapasiteten til reaksjonsproduktene og utgangsmaterialene.

Fra ligning (1.14) følger det at hvis endringen i varmekapasitet under reaksjonen er

det er rimelig (dvs. varmekapasiteten til produktene er mindre enn varmekapasiteten til utgangsmaterialene), og deretter blir den termiske effekten av reaksjonen mer negativ, reaksjonen blir mer effektiv.

zotermichnoy.

dart forhold beregnet av (1.11).

Varmekapasiteten til ekte stoffer på en kompleks måte avhenger derfor av temperaturen

Molekylær energi av brenning

De fleste forbrenningsprosesser er brennbare, som inneholder hydrogen og karbon, med oksygen fra luften.

Før vi fortsetter å vurdere den fysiske og matematiske grunnlaget for forbrenningsteorien, la oss prøve å forstå på det molekylære nivået hvor forbrenningsenergien kommer fra, fra utgivelsen som alt annet er avhengig av: oppvarming av gassen, utseende av aktive kjemiske sentre i den osv.

La oss se hva varmen av de viktigste reaksjonene ved å kombinere karbon og hydrogen med oksygen i luften er laget av.

Vi skriver i henhold til datatabellen. 3.1 Energibalanse av reaksjonene av suksessiv oksidasjon av fast karbon, for eksempel grafitt:

Således frigjøres 386 kJ / mol i den totale karbonoksydasjonsreaksjonen:

Lukk i størrelse og energien utgitt ved å kombinere hydrogen med oksygen:

CO-molekylet er kanskje den mest holdbare, sin bindende energi er 1016 kJ / mol. (Den neste i styrke er N2-molekylet med en bindingsenergi på 892 kJ / mol. Det er tre par bindingselektroner i begge molekyler, i det kjemiske språket er det tre valensbindinger. I CO-molekylet går den første elektronen fra O til C, deretter O + og C- blir lik nitrogenatomer, dette bekreftes ved tilstedeværelsen av et dipolmoment i CO-molekylet.) I CO2-molekylet er bindingen av det andre oksygenatom svakere: ifølge tabell. 3.1

Bindingsenergiene til oksygen i disse forbindelsene er sammenlignbare med bindingsenergien til det opprinnelige oksygenmolekylet. Så som

da bare 240 kJ / mol per oksygenatom. I oksygenmolekylets lave bindingsenergi er årsaken til dens kjemiske aktivitet og årsaken til bruk av oksidasjon som energikilde.

Bindingsenergien til et karbonatom i krystallgitteret av grafitt (så vel som diamant og amorft karbon) er meget høyt. Den relativt små reaksjonsenergien C (s) + 0,5O2 = = CO + 98 kJ / mol er forskjellen på to meget store mengder: man bør trekke halvparten av O2-gapetergien per atomer fra CO-bindingsenergien (256 kJ / mol) (59 kJ / mol) ) og trekke varmen fra fordampning av karbonatomet. Faktisk er fordampningsvarmen lik 671 kJ / mol også bestemt. Det er også en veldig stor mengde.

Omdannelsen av fast karbon og gassformig hydrogen til hydrokarbonbrensel oppstår med en liten forandring i energi. På den annen side, når oksygen blir introdusert i organiske molekyler av tinaalkoholer, aldehyder og ketoner, blir organiske syrer, karbohydrater, nesten like mye energi frigjort som det frigjøres under fullstendig forbrenning (til CO2 og H2O), med naturlig forbruk av samme mengder oksygen. Derfor kan det tilnærmes at ved fullstendig forbrenning av noe organisk brensel frigjøres 419-500 kJ / mol forbruket oksygen. De eneste unntakene er noen endoterme, energirike forbindelser, slik som acetylen og dicyan, for eksempel er deres forbrenningsvarme større.

Ufullstendig forbrenning er energisk ufordelaktig, ikke bare ved beregning av brenselmolekylet, men også på det brukte oksygenmolekylet. I reaksjonen 2Q (s) + O2 = 2CO blir bare 210 kJ / mol frigitt i stedet for 466 når hydrogen brenner og 526 når CO blir brent.

Den sterke bindingen av atom C i fast karbon fører til det faktum at karbon ikke fordamper. Karbon utelater kun den faste tilstanden med oksygen i form av CO eller CO2.

Ved ufullstendig forbrenning og lav temperatur er reaksjonen 2СО = СO2 + С (tv)) + 41 kJ / mol energetisk fordelaktig bare med hensyn til fast karbon. Ved beregning av det frie karbonatom har den tilsvarende reaksjonen 2CO = СO2 + С - 129 kJ / mol en stor energibarriere. Derfor dannes sot og sot under forbrenning bare fra dekomponeringen av organiske molekyler som har et karbonskjelett, men ikke fra CO.

Vi vender nå til oksidasjonsreaksjonene som involverer nitrogen.

Nitrogenmolekylet N2 er meget sterkt - dissocieringsenergien er 226 kJ / mol. Reaksjonen med å omdanne N2 og O2 til 2NO er ​​derfor endotermisk og av termodynamiske årsaker kan det bare skje ved høy temperatur.

Dannelsen av høyere oksider (NO2, N2O3, N2O4, N2O5) fra nitrogen og oksygen fortsetter med nesten ingen endring i energi (sammenlignet med bindingsenergien til N2 og O2). Derfor er oksygenpakket i forbindelser med nitrogen (CH3-ON02-nitroester, CH3 (CeH2) (NO2) 3-trinitrotoluen) fra et energibesikt nesten ekvivalent med gassformig oksygen. Oksygen integrert i det organiske molekylet, men bundet til nitrogen, gjør det mulig å lage stoffer som gir mye energi når molekylet er omorganisert til å danne N2 og oksygen overføres til CO2- og H2O-molekylene. Av denne grunn brukes forbindelser som oksygen er bundet til i nitrogen (så vel som klor, i gruppene СЮ3 og СlO4) som pulver og eksplosiver.

Dette er de generelle ideene om forbrenningens molekylære energi.