Диффузионное и кинетическое горение

Горючие системы могут быть химически однородными и неоднородными. К химически однородным относятся си­стемы, в которых горючее вещество и воздух равномерно перемешаны: смеси горючих газов, паров или пылей с воздухом. К химически неоднородным относятся системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны

Рис. 1. Схема зоны горения паров (гомогенное горение).

и имеют поверхности раздела: твердые горючие материалы и жидкости, находящиеся в воздухе, струи горючих газов и паров, поступающие в воздух, и т. д.

Примером горения паров и газов (гомогенное горение) является горение паров, поднимающихся со свободной поверхности жидкости (рис. 1), или горение газа, выходящего из трубы. Так как парциальное давление кислорода воздуха равно 21,2 кПа, а в зоне горения давление равно нулю, кислород из воздуха диффундирует через слой продуктов сгорания к зоне горения. Следовательно, скорость реакции горения зависит от скорости диффузии кислорода.

Примером горения на поверхности твердого вещества (гетерогенное горение) является горение антрацита, кокса, древесного угля. В этом случае диффузии кислорода к зоне горения также препятствуют продукты сгорания, что видно из схемы, показанной на рис. 2. Кон­центрация кислорода в объеме воздуха (Ci) значительно больше концентрации его вблизи зоны горения (С₀). В отсутствие достаточного количества кислорода в зоне горения химическая реакция горения тормозится.

Таким образом, полное время сгорания химически неоднородной горючей системы складывается из времени, необходимого для возникновения физического контакта

Рис. 2. Схема диффузии кислорода в зону горения твердого вещества (гетерогенное горение).

между горючим веществом и кислородом воздуха _ф, и времени, затрачиваемого на протекание- самой химической реакции _х

_Т = _х + _ф

В случае гомогенного горения величина _ф называется временем смесеобразования, а в случае гетерогенного горения — временем транспортировки кислорода из воздуха к твердой поверхности горения.

В зависимости от соотношения _ф и т_х горение называют диффузионным или кинетическим. При горении химически неоднородных горючих систем время диффузии кислорода к горючему веществу несоизмеримо больше времени, необходимого для протекания химической реакции, т. е. _ф >> _х, и практически _T ~_ф. Это значит, что скорость горения определяется скоростью диффузии кислорода к горючему веществу. В этом случае говорят, что процесс протекает в диффузионной области. Такое горение и называется диффузионным. Все пожары представляют собой диффузионное горение.

Если время физической стадии процесса оказывается несоизмеримо меньше времени, необходимого для протекания химической реакции, т. е. _ф <<_X, то можно принять _T «_X. Скорость процесса практически определяется только скоростью химической реакции. Такое горение называется кинетическим. Так горят химически однородные горючие системы, в которых молекулы кислорода хорошо перемешаны с молекулами горючего вещества, и не затрачивается время на смесеобразование. Так как скорость химической реакции при высокой температуре велика, горение таких смесей происходит мгновенно и носит характер взрыва. Если продолжительность химической реакции и физическая стадия процесса горения соизмеримы, то горение протекает в так называемой промежуточной области, в которой на скорость горения влияют как химические, так и физические факторы.

На рис. 3 показана зависимость скорости реакции горения от температуры в различных областях. Кривая 1 показывает изменение скорости реакции при кинетическом горении. При низких температурах скорость реакции окисления в смеси слабо зависит от изменения температуры, и кривая 1 на этом участке медленно поднимается вверх.

Рис. 3. Зависимость скорости кинетического (1) и диффузионного (2) горения от температуры

При более высоких температурах реакция окисления начинает сильно ускоряться с повышением температуры, и кривая 1 круто поднимается. Таким образом, скорость реакции в кинетической области зависит только от температуры реагирующих веществ.

Кривая 2 показывает изменение скорости реакции при диффузионном горении. При низких температурах ход кривой 2 одинаков с кривой 1, так как скорость реакции окисления меньше скорости диффузии кислорода в зону горения и, следовательно, реакция протекает в кинетической области. При повышении температуры реагирующих веществ, скорость реакции становится равной скорости диффузии кислорода в зону горения, а затем значительно превышает ее. В этих условиях скорость всего процесса определяется скоростью диффузии кислорода. Кривая 2 в точке А изменяет свое направление, отклоняясь вправо от кривой 1. Дальнейший ход кривой 2 показывает, что скорость процесса горения в диффузионной области, определяемая скоростью диффузии, очень мало зависит от температуры.