Горение газовых смесей

Исследование процесса горения горючих смесей отечественными и зарубежными учеными дало возможность теоретически обосновать многие явления, сопровождаю­щие процесс горения, в том числе и скорость распро­странения пламени. Изучение скорости распространения пламени в газовых смесях позволяет определять без­опасные скорости газо-воздушных потоков в трубопро­водах вентиляционных, рекуперационных, аспирационных и других установок, где транспортируются газо- и пыле-воздушные смеси.

В 1889 г. русским ученым В.А Михельсоном в дис­сертации «О нормальной скорости воспламенения гре­мучих газовых смесей» были даны отчетливые физиче­ские представления о двух предельных случаях распро­странения пламени при нормальном или медленном го­рении и детонации.

Дальнейшее развитие теория нормального распро­странения пламени и детонации получила в работах со­ветских ученых: Н. Н. Семенова, К. И. Щелкина, Д. А. Франк-Каменецкого, Л. Н. Хитрина, А. С. Соко­лика, В. И. Скобелкина и др., а также зарубежных уче­ных: Б. Льюиса, Г. Эльбе и др. В результате была созда­на теория воспламенения взрывоопасных смесей. Одна­ко, попытки истолкования явлений распространения пла­мени как диффузии активных центров или объяснение пределов распространения пламени условиями обрыва цепей недостаточно убедительны.

В 1942 г. советский ученый Я. Б. Зельдович сфор­мулировал положения теории горения и детонации га­зов. Теория горения дает ответ на основные вопросы: будет ли смесь данного состава горючей, какова будет скорость горения взрывоопасной смеси, каких особенно­стей и форм пламени следует ожидать. При горении происходит химическое взаимодействие горючего с окис­лителем, сопровождающееся выделением тепла и пере­мещением фронта пламени. Рассмотрим распростране­ние пламени в трубе (рисунок 1.7), заполненной газо-воз­душной смесью.

Рисунок 1.7 - Схема перемещения фронта пламени в цилиндрической трубе

После воспламенения смеси электриче­ской искрой в точке А горение, возникшее в одной точке, начинает распространяться по трубе, образовав фронт пламени. К некоторому моменту времени пламя находится в сечении B₁Д₁E₁, а к моменту - в сечении В₂Д₂Е₂, перемещаясь к стенке трубы . Распространяю­щийся по взрывоопасной смеси фронт пламени представ­ляет собой тонкую зону, отделяющую холодную непро­реагировавшую смесь в ее исходном состоянии от про­дуктов горения. Ширина этой зоны, по вычислениям Зельдовича, равна от 10^-2 до 10^{-4 см}. Хотя зона пламени имеет незначительную ширину, в нем успевает протекать реакция горения из-за высокой температуры. Температу­ра фронта пламени в зависимости от состава смеси ко­леблется от 1000 °С до 2800 °С. При перемещении фронта пламени температура не­сгоревшей части горючей смеси растет вследствие повы­шения давления смеси. Вблизи фронта пламени темпе­ратура смеси также повышается вследствие передачи тепла из-за теплопроводности, диффузии нагретых мо­лекул и излучения и на передней поверхности фронта (Д₁ и Д₂) пламени она равна температуре горючей смеси. Темпе­ратуры смеси по оси трубы в моменты времени и графически представлены на рисунке 1.8. Слой газа KK₁, где повышается температура смеси, представляет собой фронт пламени. При повышении температуры фронт пламени расширяется (до K₁K₂) в стороны концевых стенок трубы А и М, смещая с некоторой скоростью не­сгоревшую смесь в сторону стенки М, а сгоревший газ в сторону стенки А.

После воспламенения горючей смеси сферическая форма пламени очень быстро искажается и все более вытягивается в сторону еще не воспламененной смеси. Вытягивание фронта пламени и быстрое увеличение его поверхности сопровождается увеличением скорости движения центральной части пламени.

Это ускорение длится до тех пор, пока пламя не коснется стенок трубы или, во всяком случае, не подойдет очень близко к стенке трубы. В этот момент размер пламени резко уменьшает­ся, и от пламени остается только небольшая его часть, перекрывающая все сечения трубы. Вытягивание фронта пламени и его интенсивное ускорение непосредственно после зажигания искрой, когда пламя еще не дошло до стенок трубы, вызываются увеличением объема продук­тов сгорания.

Рисунок 1.8 - Изменение температуры смеси на оси трубы во времени

Таким образом, в начальной стадии про­цесса образования фронта пламени, независимо от сте­пени горючести газовой смеси, возникает ускорение и по­следующее торможение пламени, причем это торможение будет тем большим, чем больше скорость пламени.

На процесс развития последующих стадий горения оказывает влияние длина трубы. Удлинение трубы при­водит к появлению вибраций с образованием ячеистой структуры пламени, ударной и детонационных волн.

Рассмотрим ширину зоны прогрева перед фронтом пламени. В указанной зоне химическая реакция не про­текает и тепло не выделяется. Ширину зоны прогрева , м можно определить из зависимости:

,

где а — коэффициент температуропроводности, м² /с;

v — скорость рас­пространения пламени, м/с.

Для метано-воздушной смеси ширина зоны прогрева равна 6·10^{-4 м, для водородо-воздушной смеси она значи­тельно меньше - 3·10-6 м.}

Последующее горение проис­ходит в смеси, состояние которой уже изменилось за счет теплопроводности и диффузии из соседних слоев. Перемешивание продуктов реакции никакого специфического ка­талитического влияния на скорость перемещения пламе­ни не оказывает.

Рассмотрим теперь скорость перемещения фронта пламени по газовой смеси. Линейную скорость переме­щения , м/с можно определить по формуле:

,

где - массовая скорость горения, кг/(с · м² );

- плотность ис­ходной горючей смеси, кг/м³.

Линейная скорость перемещения фронта пламени не постоянна, она изменяется в зависимости от состава смеси, примеси инертных (негорючих) газов, температу­ры смеси, диаметра труб и др. Максимальная скорость распространения пламени наблюдается не при стехиометрической концентрации смеси, а в смеси с избытком горючего. При введении в горючую смесь инертных га­зов скорость распространения пламени снижается. Объ­ясняется это снижением температуры горения смеси, так как часть тепла расходуется на нагрев не участвующих в реакции инертных примесей. На скорость распростра­нения пламени влияет теплоемкость инертного газа. Чем больше теплоемкость инертного газа, тем больше он сни­жает температуру горения и тем сильнее уменьшает ско­рость распространения пламени. Так, в смеси метана с воздухом, разбавленной двуокисью углерода, скорость распространения пламени оказывается приблизительно в три раза меньше, чем в смеси, разбавленной аргоном.

Предварительный подогрев смеси увеличивает ско­рость распространения пламени. Установлено, что ско­рость распространения пламени пропорциональна квад­рату начальной температуры смеси.

С увеличением диаметра труб скорость распростране­ния пламени растет неравномерно. При увеличении диа­метра труб от 10^-1 до 1,5·10^{-1 м скорость растет довольно быст­ро, при дальнейшем увеличении диаметра труб она хотя и увеличивается, но до тех пор, пока диаметр не достиг­нет некоторого предельного диаметра, выше которого увеличение скорости не происходит.}

При уменьшении диаметра трубы скорость распространения пламени уменьшается, и при некотором «малом» диаметре пламя в трубе не распространяется. Это явление можно объяс­нить увеличением наблюдающихся тепловых потерь че­рез стенки трубы.

Следовательно, чтобы прекратить распространение пламени в горючей смеси, необходимо тем или иным способом понизить температуру смеси, охлаждая сосуд (в нашем примере трубу) извне или разбавляя смесь холодным инертным газом.

К газообразному топливу, которое широко применяется в промышленности и быту, относится природный газ газовых и газоконденсатных месторождений.

Углеводороды метанового ряда, входящие в состав природного газа, склонны к термическому разложению. Температура термического разложения углеводородных газов несколько выше температуры воспламенения газа. Поэтому при хорошем смесеобразовании, когда все молекулы горючего вступают в контакт с необходимыми для полного горения молекул окислителя, горение протекает до начала термического разложения углеводородных соединений и пиролиз их не происходит.

Если же количества окислителя недостаточно для полного окисления газа ( <1) или смесеобразование организовано плохо, то часть молекул газа, не имея контакта с молекулами окислителя, в зоне высоких температур подвергается термическому разложению с образованием более легких соединений и атомов углерода.

Например, разложение метана происходит по реакции:

СН₄ С+2Н₂

Атомы углерода, имея четыре свободные связи (валентности), отдельно не существуют и соединяются между собой, образуя твердые кристаллы графито-сажистые частицы (хлопья сажи).

Горение жидкостей

Процесс горения жидкостей начинается с воспламе­нения паро-воздушной смеси. Однако, не все жидкости при обычных условиях имеют над своей поверхностью достаточную концентрацию паров и такую скорость их образования, чтобы после воспламенения установился процесс горения. Стационарный процесс горения уста­навливается только при определенной температуре жид­кости, однако, и при более низких температурах жидкости уже могут представлять пожарную опасность, так как над поверхностью их может создаться взрывоопасная концентрация паров.

Горение жидкостей характеризуется двумя взаимосвя­занными явлениями: испарением и сгоранием паро-воз­душной смеси над поверхностью жидкости.

Испарению принадлежит исключительно важная роль, поскольку в конечном итоге оно определяет ско­рость сгорания жидкости.

Испарение - это переход жидкости в пар со свобод­ной поверхности при температурах ниже точки кипения жидкости. Испарение происходит в результате теплового движения молекул жидкости. Скорость движения моле­кул колеблется в широких пределах, сильно отклоняясь в обе стороны от ее среднего значения. Часть молекул, имеющих достаточно большую кинетическую энергию, вырывается из поверхностного слоя жидкости в газовую (воздушную) среду. Избыточная энергия теряемых жидкостью молекул затрачивается на преодоление сил взаи­модействия между молекулами и работу расширения (увеличения объема) при переходе жидкости в пар.

Испарение является эндотермическим процессом. Если к жидкости не подводится извне тепло, то в ре­зультате испарения она охлаждается. Скорость испаре­ния определяется количеством пара, образующегося за единицу времени на единице поверхности жидкости. Она выражается в кг/(с·м²) или моль/(с·м²). Скорость испарения зависит от температуры жидкости. Это необ­ходимо учитывать в производствах, связанных с приме­нением, получением или переработкой легковоспламе­няющихся жидкостей. Увеличение скорости испарения при повышении температуры приводит к более быстрому образованию взрывоопасных концентраций паров. Мак­симальная скорость испарения наблюдается при испа­рении в вакуум и в неограниченный объем.

Жидкость, находящаяся в закрытом сосуде, испаря­ясь, образует насыщенный пар. Насыщенным называется пар, находящийся в динамическом равновесии с жидко­стью. Динамическое равновесие при данной температуре наступает, когда число испаряющихся молекул жидкости равно числу конденсирующихся молекул. Насыщенный пар, выходя из открытого сосуда в воздух, разбавляется им и становится ненасыщенным. Следовательно, в воз­духе помещений, где находятся емкости с горючими жидкостями, имеется ненасыщенный пар этих жид­костей.

Насыщенные и ненасыщенные пары оказывают дав­ление на стенки сосудов. Давлением насыщенного пара называют давление па­ра, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре.

Давление насыщенного пара всегда выше, чем нена­сыщенного. Оно не зависит от количества жидкости, ве­личины ее поверхности, формы сосуда, а зависит только от температуры и природы жидкости. С повышением температуры давление насыщенного пара жидкости уве­личивается; при температуре кипения давление пара равно атмосферному. Для каждого значения температу­ры давление насыщенного пара индивидуальной (чистой) жидкости постоянно. Давление насыщенного пара смесей жидкостей (нефть, бензин, керосин и др.) при одной и той же температуре зависит от состава смеси. Оно уве­личивается с увеличением содержания в жидкости низ­кокипящих продуктов.

Для большинства жидкостей давление насыщенного пара при различной температуре известно. Давление насыщенных паров некото­рых жидкостей при различных температурах приведено в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Давление насыщенных паров веществ при различных температурах

Вещество	Давление насыщенных паров в Па при температуре
-20 oС	-10 oС	-0 oС	+10 oС	+20 oС	+30 oС	+40 oС
Ацетон	-	5159,6	8439,3	14705,4	24531,2	37330,2	55901,9
Бензол	986,6	1946,5	3546,4	5959,5	9865,8	15785,3	24197,9
Бутилацетат	-	480,0	933,3	1853,2	3333,1	5692,8	9452,5
Бакинский авиационный бензин	-	-	11732,3	15198,7	20531,6	20531,6	37730,1
Метиловый спирт	826,6	1786,5	3573,0	6692,8	11812,3	19998,3	32463,9
Сероуглерод	6466,1	10799,1	18531,8	27064,4	40236,6	58261,7	82259,7
Скипидар	-	-	266,6	386,6	586,6	919,9	1439,9
Толуол	226,6	453,3	893,3	1693,2	2973,1	4959,5	7906,0
Этиловый спирт	333,3	746,6	1626,5	3173,1	5866,2	10412,4	17785,2
Этиловый эфир	8932,6	14972,1	24584,6	38236,7	57688,4	84632,8
Этилацетат	866,6	1719,9	3226,4	5706,2	9705,8	15825,3	24491,3

Давление насыщенного пара жидкостей обусловлено числом молекул, ударяющихся о стенки сосуда, или кон­центрацией паров над поверхностью жидкости. Чем вы­ше концентрация насыщенного пара, тем больше будет его давление. Связь между концентрацией насыщенного пара и его парциальным давлением можно найти сле­дующим образом.

Допустим, что удалось бы отделить пар от воздуха, причем давление в той и другой части осталось бы рав­ным общему давлению . Тогда объемы, занимаемые паром и воздухом, соответственно уменьшились бы. Со­гласно закону Бойля - Мариотта, произведение давле­ния газа на его объем при постоянной температуре есть величина постоянная, т. е. для нашего гипотетического случая получим:

, (1.18)

(1.19)

Если объем смеси принять за 100 %, то содержание па­ра в объемных процентах может быть найдено из пропорции:

- 100 %

- С

Откуда:

, (1.20)

С помощью этой формулы (1.20) можно определять концентрацию паров жидкости в резервуарах, бочках, цистернах и других емкостях.

Основными видами жидкого топлива являются продукты переработки нефти: бензин, керосин, соляровое масло, мазут. Температура кипения отдельных фракций, входящих в состав жидких углеводородных топлив, ниже температуры термического разложения.

Интенсификация испарения жидкостей достигается путем увеличения площади удельной поверхности. Общепринятым способом увеличения площади поверхности испарения является дробление жидкого топлива на мельчайшие частицы (капли), называемое распылением. При распылении образуются частицы размером от нескольких микрометров до десятых долей миллиметра. Для распыления жидких топлив применяют различной конструкции форсунки.

Первой стадией горения жидкого вещества является нагревание и испарение горючего. Затем образовавшиеся пары горючего смешиваются с воздухом, и происходит нагревание, воспламенение и горение горючей смеси.

При горении жидкостей происходит не только хими­ческая реакция (взаимодействие горючего вещества с кислородом воздуха), но и наблюдаются физические явления, без которых горение невозможно.

Взаимодействие горючих паров с кислородом воздуха происходит в зоне горения, в которую непрерывно долж­ны поступать горючие пары и воздух. Это возможно, если жидкость будет получать определенное количество тепла, необходимое для испарения. Тепло в процессе горения поступает только из зоны горения (пламени), где оно непрерывно выделяется. Тепло от зоны горения к поверхности жидкости передается посредством излуче­ния. Передача тепла путем теплопроводности невозмож­на, так как скорость движения паров от поверхности жидкости к зоне горения больше скорости передачи теп­ла по ним от зоны горения к жидкости. Передача тепла конвекцией также невозможна, так как поток паров в объеме пламени направлен от поверхности менее на­гретой (жидкость) к поверхности более нагретой.

Количество тепла, излучаемое пламенем, зависит от степени черноты пламени и его температуры. Степень черноты пламени определяется концентрацией углерода, выделяющегося в пламени жидкости. Например, степень черноты пламени при горении нефти и нефтепродуктов в больших резервуарах близка к единице.

Количество тепла, поступающего от факела ( ) в единицу времени на единицу поверхности жидкости, может быть определено по формуле:

, (1.21)

где - степень черноты;

- постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,67·10^-8 Вт/(м²·К⁴);

- температура пламени факела, К;

- температура поверхности жидкости, К.

Это тепло расходуется на испарение жидкости ( ), ее нагревание от начальной температуры до температу­ры поверхности ( ), т. е. прогрев жидкости в глубину:

, (1.22)

, (1.23)

, (1.24)

где - удельное количество теплоты испарения, Дж/кг;

- плотность, кг/м³;

- ли­нейная скорость горения, м/с;

- скорость прогрева жидкости в глубину, м/с;

- температура поверхности жидкости, К;

- начальная температура жидкости, К;

- удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг · К).

Таким образом:

. (1.25)

В установившемся процессе горения (т.е. при постоян­ной температуре пламени) наблюдается равновесие меж­ду количеством сгоревшего в зоне горения (пламени) ве­щества и массой пара, поступающего в пламя. Это опре­деляет постоянную скорость испарения и, следовательно, выгорания жидкости в течение всего процесса горения.

Различают две скоро­сти горения жидкостей: весовую (массовую) и линейную.

Весовой скоростью называется масса жидкости, выго­рающей в единицу времени с единицы поверх­ности (1.26):

, (1.26)

Под линейной скоростью горения жидкости понимается высота ее слоя, выгорающего в еди­ницу времени (1.27):

, (1.27)

где - высота слоя сгоревшей жид­кости, м;

- время горения, с.

Зная или определив линейную скорость выгорания, можно вычислить весовую и наоборот.

Скорость горения жидкостей непостоянна и изме­няется в зависимости от начальной температуры, диа­метра резервуара, уровня жидкости в резервуаре, ско­рости ветра и других факторов. Для горелок малых диаметров скорость сгорания сравнительно велика. С увеличением диаметра скорость сгорания сначала уменьшается, а затем возрастает, пока не достигнет опре­деленного постоянного значения для данной жидкости. Такая зависимость обусловлена различными причинами. На скорость горения в малых горелках существенно влияют стенки, так как пламя, соприкасаясь с ними, на­гревает верхнюю кромку до высокой температуры. От верхней кромки тепло благодаря теплопроводности рас­пространяется по всей стенке и передается жидкости. Этот дополнительный приток тепла со стороны стенки увеличивает скорость испарения жидкости. Увеличение скорости горения с увеличением диаметра связано с пе­реходом от ламинарного режима горения к турбулент­ному. Этот переход сопровождается уменьшением полно­ты сгорания, а большое количество выделяющейся сажи способствует увеличению степени черноты пламени, что приводит к увеличению теплового потока от пламени. При турбулентном горении обеспечивается наиболее быстрый отвод паров от поверхности жидкости, увели­чивается скорость испарения.

Скорость горения в больших резервуарах увеличи­вается с ростом диаметра незначительно. Считают, что скорость горения в резервуарах диаметром больше 2 мпрактически одинакова.

Сильный ветер способствует смешиванию паров с воздухом, повышению температуры пламени, в резуль­тате чего интенсивность горения увеличивается.

По мере снижения уровня жидкости в резервуаре увеличивается расстояние от пламени до поверхности жидкости, вследствие чего уменьшается приток тепла к жидкости. При этом скорость сгорания постепенно уменьшается и при некотором критическом расстоянии поверхности жидкости от кромки борта может наступить самотушение. Это расстояние называется критической вы­сотой; она увеличивается с увеличением диаметра ре­зервуара. Для больших резервуаров зависимость ско­рости горения от высоты свободного борта практического значения не имеет, так как высота стандартных резер­вуаров всегда значительно меньше критической высоты. Так, расчет показывает, что самотушение в резервуаре диаметром 23 м может наступить при высоте его более 1000 м. Действительная высота резервуара 12 м.