Põlemine on füüsikaline ja keemiline protsess, millega kaasneb soojuse eraldumine ja valguse eraldumine. Põlemine võib olla mis tahes eksotermiline keemiline reaktsioon, nii ainete kombinatsioon kui ka nende lagunemine. Näiteks atsetüleeni plahvatus on selle lagunemise reaktsioon.
Põlemisprotsess eeldab teatud tingimusi: süttiv aine, mis võib pärast süüteallika eemaldamist iseseisvalt põleda, õhk (hapnik) ja süüteallikas, millel on kindel temperatuur ja piisav soojusvaru. Kui üks neist tingimustest puudub, siis põlemisprotsessi ei toimu.
Tuleohtlik aine võib olla mis tahes agregatsiooni olekus (tahke, vedel, gaasiline). Süüteallikaks võib olla leek, säde, kuumenenud keha ja keemilise reaktsiooni tulemusena, mehaanilise töö käigus, juhtidevahelisest elektrikaarest eralduv soojus jne.
Pärast põlemist on pidevaks süüteallikaks põlemistsoon, st piirkond, kus toimub reaktsioon soojuse ja valguse vabanemisega. Põlemine on võimalik põleva aine ja oksüdeerija teatud kvantitatiivse suhte korral. Näiteks põlemistsooni õhus olevate ainete leekpõlemisel peab hapniku kontsentratsioon olema vähemalt 16-18%.Põlemine peatub, kui hapnikusisaldus õhus langeb alla 10%. Kuid hõõgumine võib tekkida ka siis, kui õhk sisaldab 3% hapnikku.
Erandiks on peamiselt plahvatusohtlikud ained, mille põlemine toimub nende koostises sisalduvate oksüdeerivate ainete tõttu. Ainete molekulid nagu kloraadid, nitraadid, kromaadid, oksiidid, peroksiidid ja teised sisaldavad vabu hapnikuaatomeid. Kuumutamisel ja mõnikord ka veega kokkupuutel eraldavad need ained hapnikku, mis toetab põlemist.
Plahvatus on põlemise erijuhtum, mille käigus eraldub koheselt suur hulk soojust ja valgust. Tekkivad gaasid, mis kiiresti paisuvad, tekitavad keskkonnale tohutu surve, millesse tekib suurel kiirusel liikuv sfääriline õhulaine. Teatud tingimustel võivad gaaside, aurude ja tolmu segud õhuga kujutada endast plahvatusohtu. Plahvatuse toimumise tingimused on teatud kontsentratsiooni gaasi, tolmu või auru-õhu segu olemasolu ja impulss (leek, säde, löök), mis on võimeline segu kuumutama isesüttimistemperatuurini.
Põlemine on keeruline keemiline protsess, mis võib toimuda mitte ainult siis, kui ained oksüdeeritakse hapnikuga, vaid ka siis, kui need ühinevad paljude teiste ainetega. Näiteks fosfor, vesinik, purustatud raud (saepuru) põlevad klooris, leelismetallide karbiidid süttivad kloori ja süsinikdioksiidi atmosfääris, vask põleb väävliaurus jne.
Erineva keemilise koostisega ained põlevad erinevalt. Näiteks süttivad vedelikud tekitavad soojust 3-10 korda kiiremini kui puit ja seetõttu on neil suur tuleoht. Olenemata agregatsiooni algolekust läheb enamik tuleohtlikke aineid kuumutamisel gaasifaasi ja õhuhapnikuga segunedes moodustavad tuleohtliku keskkonna. See! protsessi nimetatakse pürolüüsiks. Ainete põlemisel eraldub süsinikdioksiid, vingugaas ja suits. Suits on segu väikestest tahketest aineosakestest – põlemisproduktidest (kivisüsi, tuhk). Süsinikdioksiid ehk süsinikdioksiid on inertgaas. Selle olulise kontsentratsiooniga ruumis (8-10% mahust) kaotab inimene teadvuse ja võib surra lämbumise tõttu. Süsinikoksiid on tugevate mürgiste omadustega värvitu lõhnatu gaas. Kui süsinikmonooksiidi mahuosa siseõhus on 1% või rohkem, saabub surm peaaegu kohe.
Põlevainete tuleohtlikud omadused määratakse mitmete iseloomulike näitajatega.
Välk on aine aurude segu õhuga kiire põlemine, kui sellele tuuakse lahtine leek. Leekpunktiks nimetatakse süttiva aine madalaimat temperatuuri, mille juures selle pinna kohal tekivad aurud või gaasid, mis võivad välisest süüteallikast õhus süttida. Spetsiaalsetes katsetingimustes määratud leekpunkt on indikaator, mis määrab ligikaudselt termilise režiimi, mille juures süttiv aine muutub ohtlikuks.
Süttimine on põlemine, mis toimub süüteallika mõjul ja millega kaasneb leegi ilmumine. Süttiva aine temperatuuri, mille juures pärast süttimist toimub stabiilne põlemine, nimetatakse süttimistemperatuuriks.
Isesüttimine on aine süttimine ilma sellele süüteallikat andmata, millega kaasneb leegi ilmumine. Madalaimat temperatuuri, mille juures see protsess algab, st kui aeglane oksüdatsioon läheb üle põlemiseks, nimetatakse isesüttimistemperatuuriks. See temperatuur on oluliselt kõrgem aine süttimistemperatuurist.
Tulekahju vältimise meetmete väljatöötamisel võetakse arvesse mõningate ainete, mida nimetatakse pürofoorseteks (taimsed saadused, kivisüsi, tahm, õlised kaltsud, mitmesugused laevavarud jne), võimet isesüttida termiliste, keemiliste või mikrobioloogiliste protsesside käigus.
Kõigi ohtlike ainete füüsikalised ja keemilised omadused, mis võivad üksteisega segamisel, aine kokkupuutel teiste toimeainetega isesüttida, ja muu teave on sätestatud ohtlike kaupade mereveo eeskirjas (RID), mida kasutatakse merenduses. Ohtlike kaupade transportimisel juhendatakse kõiki meeskonnaliikmeid järgima ettevaatusabinõusid käsitlemisel: konkreetsed veetavad ained.
Põlemise intensiivsus oleneb ka aine füüsikalisest olekust. Purustatud ja hajutatud ained põlevad intensiivsemalt kui massiivsed või tihedad.
Tööstuslik tolm kujutab endast märkimisväärset tuleohtu. Sellel on suur pindala ja elektriline võimsus, mistõttu sellel on omadus omandada staatilise elektri laenguid nii tolmuosakeste liikumise, hõõrdumise ja löökide tagajärjel kui ka õhuosakeste vastu. Seetõttu tuleb puistlasti käsitsemisel järgida tuletõkkemeetmeid vastavalt juhistele.
Tuleohtlikkuse astme järgi jagunevad kõik ained ja materjalid nelja kategooriasse: mittesüttivad, raskesti süttivad, raskesti süttivad (isekustuvad) ja põlevad.
Tuleohtlikud vedelikud jagatakse tinglikult kolme kategooriasse sõltuvalt leekpunktist, mis määratakse kindlaks spetsiaalsete laboratoorsete testide tingimustes: I - mille auru leekpunkt on alla + 23 ° C; II - auru leektemperatuur on vahemikus +23 kuni +60 °C; III - auru leekpunkt üle +60°C.
Tuleohtlikud vedellastid jaotatakse tuleohtlikeks vedelikeks (FLL) ja tuleohtlikeks vedelikeks (FL).
Väga tuleohtlikud vedelikud jagunevad omakorda sõltuvalt leekpunktist ja tuleohust kolme kategooriasse: eriti ohtlikud, pidevalt ohtlikud, ohtlikud kõrgendatud õhutemperatuuril.
Põlemisprotsessidesse kaasati kodu- ja välismaa teadlased ja insenerid. Kaasaegse soojuspõlemismudeli asutaja on V.A. Mihhelson. Põlemismehhanismi põhimõtete aluseks oleva hargnenud ahelreaktsioonide teooria autor on N.N. Semenov. Uuriti keemiliste põlemisreaktsioonide kineetikat (kiirust) - V.N. Kondratjev, N.M. Emanuel, Zeldovitš, Frank-Kamenetski, Predvoditelev, Beljajev, Andrejev, Leipunski.
Mõelgem mõisted, terminid ja definitsioonid põlemise ja plahvatuse teoorias, põlemisprotsesside toimumise ja arengu tingimused, süttimise ja põlemise soojus- ja ahelmehhanismide alused.
Põlemise all mõistetakse kiiret füüsikalist ja keemilist redoksprotsessi, millega kaasneb soojuse eraldumine, mis on võimeline ise levima ja millega sageli kaasneb hõõgumine ja leegi teke. Põlemise klassikalisteks näideteks on orgaaniliste ainete või süsiniku oksüdatsioonireaktsioonid õhuhapnikuga: kivisöe, õli, küttepuude jne põletamine.
Põlemisprotsess on keeruline ja koosneb paljudest omavahel seotud üksikprotsessidest, nii füüsikalistest kui ka keemilistest.
Põlemise füüsika taandub reaktsioonitsoonis toimuvatele soojus- ja massiülekande- ja ülekandeprotsessidele.
Põlemiskeemia seisneb reaktsioonide toimumises, mis koosnevad paljudest elementaartoimingutest ja on seotud elektronide üleminekuga aine ühelt aatomilt teisele - redutseerijalt oksüdeerivaks aineks.
Redoks põlemisreaktsioonid võib olla intermolekulaarne ja intramolekulaarne :
- molekulidevaheline reaktsioonid toimuvad aatomite oksüdatsiooniastme muutumisega erinevates molekulides;
– intramolekulaarne Põlemisreaktsioonid toimuvad sama molekuli aatomite oksüdatsiooniastme muutumisel (tavaliselt on see ainete termilise lagunemise reaktsioon).
Põlemine - suhteliselt kiire protsess, seetõttu ei klassifitseerita kõiki reaktsioone põlemiseks. Aeglased reaktsioonid (madaltemperatuuriline oksüdatsioon, biokeemiline) ja liiga kiire (plahvatuslik muundumine) ei kuulu põlemise mõiste alla.
Põlemist põhjustavad reaktsioonid, mille kestust mõõdetakse tavaliselt sekundites või sekundi murdosades.
Põlemisega kaasneb soojuse eraldumine, mistõttu eksotermilised reaktsioonid põhjustavad põlemist. Põlemine on energiast tulenev isemajandav protsess, mistõttu põlemist põhjustavad need eksotermilised reaktsioonid, mille kogusoojus on piisav isepaljundamiseks. Praktikas kasutatakse põlemisreaktsioone, mille soojus on kasuliku efekti saavutamiseks piisav. Reaktsioonid, millega kaasneb soojuse kulutamine väljastpoolt, ei ole põlemine.
Põlemise mõiste hõlmab väga erinevaid keemilisi reaktsioone elementide ja nende ühendite vahel ning ühendite lagunemisreaktsioone.
Põlemine ei toimu mitte ainult oksiidide, vaid ka fluoriidide, kloriidide ja nitriidide tekke tõttu; lisaks - mitmete metallide boriidid, karbiidid, silitsiidid. Teatud elementide sulfiidide ja fosfiidide moodustumisel võib tekkida soojuse eraldumine ja põlemine.
energia, eraldub põlemisel keemiliste reaktsioonide tulemusena, kulutatakse põlemisprotsessi säilitamiseks ja osa sellest hajub ümbritsevasse ruumi . Statsionaarne (stabiilne) põlemine toimub siis, kui soojuse sisendi ja soojuse tarbimise võrdsus aine järgmiste osade põletamiseks ettevalmistamiseks.
IN põlemisprotsess nõutud 2 etappi :
– molekulaarse kontakti loomine reaktiivide ja
– molekulide koostoime reaktsiooniproduktide moodustumisega. Algtoodete lõpptoodeteks muutumise kiirus sõltub reaktiivide segunemise kiiruse ja keemilise reaktsiooni kiiruse kohta.
IN piirav juhtum Põlemisomadusi saab määrata ainult keemilise interaktsiooni kiiruse - kineetiliste konstantide ja teguritega ( kineetiline põlemisrežiim ), või ainult segamise kiirus - difusioon ( difusioonpõlemisrežiim ).
Põlemisel osalevad ained võivad olla gaasilises, vedelas ja tahkes olekus, omavahel segatuna või segamata.
Kui süsteemis ei ole reaktiivide vahel liideseid, siis sellist süsteemi nimetatakse homogeenne , kui liidesed on olemas – heterogeenne.
Põlemisega kaasneb sageli põlemisproduktide kuma ja leegi teke. Leek on gaasiline keskkond, sealhulgas hajutatud kondenseerunud saadused, milles toimuvad reaktiivide füüsikalised ja keemilised muundumised.
Gaasiliste süsteemide puhul toimub kogu põlemisprotsess leegis. Kondenseerunud süsteemide põlemisel võib osa füüsikalistest ja keemilistest transformatsioonidest (kuumutamine, sulamine, aurustumine, esialgne lagunemine ja reaktiivide koostoime toimuda väljaspool leeki. Tuntud on leegita põlemine, kui protsess toimub ainult kondenseerunud süsteemis, kus see praktiliselt puudub. gaasi moodustumine ja hajumine (metallide ja mittemetallide segu põletamine).
Leeki iseloomustab nähtav kiirgus, kuid tuntud on ka läbipaistvad leegid. Leegi kõrgeima temperatuuriga osa nimetatakse peamiseks reaktsioonitsooniks, leegi frondiks.
Pärast põlemisprotsessi käivitamist levib see kogu mahu ulatuses. Erinevalt plahvatusest levib põlemisprotsess kiirusega, mis ei ületa heli kiirust.
Kui reaktiive ei segatud enne põlemise algust, nimetatakse põlemist ja leeki difusioon , sest kütuse segamine oksüdeerijaga saavutatakse difusiooni teel. Lihtne näide on küünlaleek, siin on oksüdeerijaks (hapnik) ja põlevaks aineks taht orgaaniline aine (lina, puuvill).
Kui reagendid on eelnevalt segatud (homogeenne segu), nimetatakse põlemisprotsessi homogeenne põlemine . Heterogeenne põlemine toimub liideses. Üks reagentidest on kondenseerunud faasis, teine (hapnik) ja teine gaasifaasis. Heterogeense põlemise näideteks on kivisöe ja mittelenduvate metallide põletamine.
Põlemistehnoloogias ei ole reaktiivide täieliku eelsegamise tingimus alati täidetud ja võimalikud on ajutised põlemisrežiimid.
Sõltuvalt leegi moodustava gaasivoolu iseloomust eristatakse laminaarset ja turbulentset leeki. Laminaarses leegis on vool laminaarne, kihiline. Massiülekande ja -ülekande protsessid viiakse läbi molekulaarse difusiooni ja konvektsiooni tõttu.
Põlemine- keemiline protsess ainete ühendamiseks hapnikuga, millega kaasneb soojuse ja valguse eraldumine. Põlemiseks on vajalik tuleohtliku aine kokkupuude oksüdeeriva ainega (hapnik, fluor, kloor, osoon) ja süüteallikaga, mis on võimeline põlevsüsteemi vajaliku energiaimpulsi edasi kandma. Ained põlevad kõige kiiremini puhtas hapnikus. Kui selle kontsentratsioon väheneb, aeglustub põlemine. Enamik aineid lõpetab põlemise, kui hapniku kontsentratsioon õhus langeb 12...14%-ni ja hõõgumine peatub 7...8%-l (vesinik, süsinikdisulfiid, etüleenoksiid ja mõned teised ained võivad õhus põleda 5%-ni. hapnik).
Temperatuuri, mille juures aine süttib ja hakkab põlema, nimetatakse süttimistemperatuur. See temperatuur ei ole erinevate ainete puhul sama ja sõltub aine olemusest, atmosfäärirõhust, hapniku kontsentratsioonist ja muudest teguritest.
Isesüttimine - põlemisprotsess, mis on põhjustatud välisest soojusallikast ja aine kuumutamisest lahtise leegiga kokku puutumata.
Isesüttimistemperatuur - põleva aine madalaim temperatuur, mille juures toimub eksotermiliste reaktsioonide kiiruse järsk tõus, mis lõpeb leegi tekkega. Isesüttimistemperatuur sõltub rõhust, lenduvate ainete koostisest ja tahke aine jahvatusastmest.
Eristatakse järgmist tüüpi põlemisprotsesse: välk, põlemine, süttimine, isesüttimine.
Välklamp- põleva segu kiire põlemine, millega ei kaasne surugaaside moodustumist.
Leekpunkt- põleva aine madalaim temperatuur, mille juures selle pinna kohal tekivad aurud või gaasid, mis võivad süttida süttimisallikast, kuid nende moodustumise kiirus on siiski ebapiisav järgnevaks põlemiseks.
Tulekahju- põlemine süüteallika mõjul.
Süütamine- tulekahju, millega kaasneb leegi ilmumine.
Leekpunkt– aine madalaim temperatuur, mille juures erilistes katsetingimustes eraldub ainest tuleohtlikke aure ja gaase sellisel kiirusel, et pärast nende süttimist toimub stabiilne leekpõlemine. Süttimistemperatuur on alati veidi kõrgem kui leekpunkt.
Isesüttimine - teatud ainete isekuumenemise ja järgneva põlemise protsess ilma avatud süüteallikaga kokku puutumata.
Keemiline isesüttimine on ainete interaktsiooni tulemus õhus, vees või ainete endi vahel hapnikuga. Taimsed õlid, loomsed rasvad ja kaltsud, kaltsud ja neisse immutatud vatt on altid isesüttimisele. Nende ainete kuumutamine toimub oksüdatsiooni- ja polümerisatsioonireaktsioonide tõttu, mis võivad alata normaalsetel temperatuuridel (10...30 °C). Atsetüleen, vesinik, metaan, mis on segatud klooriga, süttivad päevavalguses iseeneslikult; suruhapnik põhjustab mineraalõlide iseeneslikku süttimist; lämmastikhape - puidulaastud, õled, puuvill.
TO mikrobioloogiline isesüttimine Sellele on altid paljud taimekasvatussaadused - toores vili, hein jne, milles teatud niiskuse ja temperatuuri juures intensiivistub mikroorganismide elutegevus ja moodustub ämblikuvõrkuline gley (seen). See põhjustab ainete temperatuuri tõusu kriitiliste väärtusteni, mille järel toimub eksotermiliste reaktsioonide isekiirenemine.
Termiline isesüttimine tekib aine esialgsel välisel kuumutamisel teatud temperatuurini. Poolkuivavad taimeõlid (päevalille-, puuvillaseemned jne), tärpentinlakid ja -värvid võivad isesüttida temperatuuril 80...100 °C, saepuru, linoleum - 100 °C juures. Mida madalam on isesüttimise temperatuur, seda tuleohtlikum on aine.
Tulekahju on ajas ja ruumis arenev kontrollimatu põlemine, mis on inimestele ohtlik ja põhjustab materiaalset kahju.
Inimestele ohtlikud tulekahjutegurid on lahtine leek, sädemed, kõrgem temperatuur, mürgised põlemissaadused, suits, hapnikusisalduse vähenemine ja hoonete või rajatiste kokkuvarisemine.
Põlemine on kiiresti toimuv füüsikaline ja keemiline reaktsioon, millega kaasneb soojuse ja suitsu eraldumine, leegi ilmumine või hõõgumine. Tavalistes tingimustes on põlemine põleva aine oksüdeerumise või õhuhapniku kombineerimise protsess. Mõned ained (näiteks kokkusurutud atsetüleen, lämmastikkloriid, osoon) võivad aga ilma hapnikuta plahvatada, tekitades soojust ja leeki. Järelikult võib põlemine tuleneda mitte ainult kombineerimise, vaid ka lagunemise reaktsioonidest. Samuti on teada, et vesinik ja paljud metallid võivad põleda kloori atmosfääris, vask väävliaurus, magneesium süsinikdioksiidis jne.
Kõige ohtlikum põlemine toimub siis, kui süttiv aine oksüdeerub õhuhapniku toimel. Sel juhul peab olema süüteallikas, mis oleks võimeline varustama põleva süsteemi vajaliku koguse energiaga. Levinumad süüteallikad on: elektriseadmete rikke, metallkehade löögi, keevitamise, sepistamise ajal tekkivad sädemed; hõõrdumisest tekkiv soojus; tehnoloogilised kütteseadmed; laskeseadmed; adiabaatilise kokkusurumise soojus; staatilise elektri sädelahendused; elektrikontaktide ülekuumenemine; keemilised reaktsioonid, mis tekivad soojuse eraldumisel.
Nende allikate küttetemperatuur on erinev. Seega võib metallkehade löögist tekkiva sädeme temperatuur olla kuni 1900 ° C, tiku leek on umbes. 800°C, lintkonveieri ajamitrummel libisemisel on kuni 600°C ning elektrilahenduse kuumuses ulatub temperatuur 10 000°C-ni ning keemilised reaktsioonid kulgevad peaaegu silmapilkselt.
Põlemine võib olla täielik või mittetäielik. Täieliku põlemise korral hapniku ülejäägis on reaktsiooniproduktideks süsinikdioksiid, vesi, lämmastik ja vääveldioksiid. Mittetäielik põlemine toimub hapnikupuuduse korral, põlemissaadused on sel juhul mürgised ja tuleohtlikud ained - süsinikoksiid, alkoholid, ketoonid, aldehüüdid jne. Põleva aine täielikuks põlemiseks on vaja teatud kogust õhku : 1 kg puitu - 4,18, turvast - 5 ,8, propaani - 23,8 m3.
Põlemisprotsessi võib ette kujutada järgmiselt. Termoimpulsi sisseviimisel külm süttiv keskkond soojeneb, toimub süttiva keskkonna intensiivne oksüdeerumine hapnikuga ja eraldub lisasoojust. See omakorda toob kaasa külgneva tuleohtliku aine kihi kuumenemise, mille käigus toimub ka intensiivne keemiline reaktsioon. Sellise põleva aine kiht-kihilise põlemise korral põlemistsoon liigub; selle liikumise kiirus määrab põlemisprotsessi intensiivsuse ja on selle kõige olulisem omadus. Kihtide kaupa kuumutamise, oksüdatsiooni ja põlemise protsess jätkub, kuni kogu põleva aine maht on ammendatud.
Kitsast tsooni, milles ainet kuumutatakse ja keemiline reaktsioon toimub, nimetatakse leegifrondiks.
Põlevad süsteemid võivad olla keemiliselt homogeensed või heterogeensed. Keemiliselt homogeensed süsteemid on tuleohtlike gaaside, aurude või tolmu segud õhuga, milles süttiv aine ja õhk on ühtlaselt segunenud. Selliste süsteemide põlemist nimetatakse homogeenseks. Keemiliselt heterogeensetes süsteemides ei segune süttiv aine ja õhk ning neil on liides. Enamasti on tegemist tahkete põlevate materjalidega ja nende põlemist nimetatakse heterogeenseks.
Põlevsegu kogu põlemisaeg tg koosneb ajast, mis kulub põleva aine ja hapniku kokkupuuteks τ to, ja ajast, mille jooksul toimub keemiline oksüdatsioonireaktsioon ise τ x
Sõltuvalt nende kahe termini vahekorrast eristatakse põlemist difusioonil ja kineetilisel. Tahkete põlevate ainete põletamisel on hapniku tungimiseks (difusiooniks) aine pinnale kuluv aeg palju pikem kui keemilise reaktsiooni aeg, seetõttu määrab üldise põlemiskiiruse täielikult hapniku difusioonikiirus. põlev aine. Selliste ainete põlemine toimub kõige sagedamini tulekahjudes ja seda nimetatakse difusiooniks. Põlemist, mille kiiruse määrab keemilise reaktsiooni kiirus, nimetatakse kineetiliseks. Seda tüüpi põlemine on tüüpiline homogeensete põlevate süsteemide jaoks.
Seal on kalorimeetrilised, teoreetilised ja tegelikud põlemistemperatuurid.
Kalorimeetriline põlemistemperatuur on temperatuur, milleni täielikult põlemissaadused kuumutatakse, kui kogu eralduv soojus kulub nende soojendamisele, õhuhulk on võrdne teoreetiliselt vajalikuga, toimub ainete täielik põlemine ja algtemperatuur on 0 °C. Eeldatakse, et soojuskaod on null. Kui põleva aine ja õhu algtemperatuur on 0°C, siis kalorimeetriline põlemistemperatuur
kus Qn on põleva aine madalam põlemissoojus, kcal/kg; V - põlemisproduktide maht, m3/kg; с - põlemisproduktide keskmine mahuline soojusmaht, kcal/m3 deg.
Järelikult sõltub kalorimeetriline põlemistemperatuur ainult põleva aine omadustest ja ei sõltu selle kogusest. Teoreetiline põlemistemperatuur võtab arvesse dissotsiatsioonist tingitud soojuskadu põlemisel. Kalorimeetriline põlemistemperatuur on põleva aine kõrgeim ja seda kasutatakse kvalitatiivseks hindamiseks. Tegelikkuses on põlemisel alati soojuskadu, mis on tingitud kiirgusest, liigse õhu kuumenemisest ja keskkonnast.
Tegelik põlemistemperatuur on tulekahju temperatuur. Tulekahju sise- ja välistemperatuuril on vahet. Välise tule temperatuur on leegi temperatuur ja sisemise tule temperatuur ruumis oleva suitsu temperatuur. Tegelikud temperatuurid, mis tekivad tulekahju ajal soojuskao tõttu keskkonda, põlemisproduktide ja konstruktsioonide kuumenemisest
alati vähem kui teoreetiline 30...50%. Näiteks bensiini teoreetiline põlemistemperatuur on 1730°C ja tegelik põlemistemperatuur 1400°C.
Tuleohtlike aurude ja gaaside segu oksüdeerijaga on võimeline põlema ainult siis, kui see sisaldab teatud kogust kütust.
Tuleohtliku gaasi madalaimat kontsentratsiooni, mille juures põlemine on juba võimalik, nimetatakse alumiseks tuleohtliku kontsentratsiooni piiriks (LCFL). Suurimat kontsentratsiooni, mille juures põlemine on veel võimalik, nimetatakse ülemiseks tuleohtliku kontsentratsiooni piiriks (UCL). Nendes piirides asuvat kontsentratsioonipiirkonda nimetatakse süttimispiirkonnaks. Süütamine on süttimine (põlemise algus), millega kaasneb leegi ilmumine. See on stabiilne, pikaajaline põlemine, mis ei lõpe isegi pärast süüteallika eemaldamist. Alumise ja ülemise süttivuspiiri väärtused sõltuvad gaasi-, auru- ja tolmuõhusegude omadustest ning inertsete komponentide sisaldusest põlevas segus. Inertgaaside lisamine tuleohtlikule segule kitsendab süttimisala ja muudab selle lõpuks mittesüttivaks. Mõned põlemisreaktsiooni aeglustavad lisandid kitsendavad oluliselt süttivuspiire. Kõige aktiivsemad neist on halogeenitud süsivesinikud. Mõlemat märgitud omadust kasutatakse põlemise peatamiseks. Segu rõhu langetamine alla atmosfääri ahendab ka süttimisala ja teatud rõhul muutub segu mittesüttivaks. Põlevsegu rõhu tõus laiendab süüteala, kuid reeglina ebaoluliselt. Põlevsegu temperatuuri tõus suurendab süttimisala. Süttimiskontsentratsiooni piirväärtusi mõjutab ka süüteallika võimsus.
Puuduvad mitte ainult kontsentratsioonipiirid, vaid ka süttimistemperatuuri piirid.
Õhus olevate aurude süttimise temperatuuripiirid on sellised põleva aine temperatuurid, mille juures selle küllastunud aurud moodustavad kontsentratsiooni, mis vastab süttimise alumisele või ülemisele kontsentratsioonipiirile. Süttimistemperatuur on madalaim temperatuur, mille juures aine süttib või hakkab hõõguma ja jätkab põlemist või hõõgumist pärast süüteallika eemaldamist. Süttimistemperatuur iseloomustab aine võimet iseseisvalt põleda. Kui ainel ei ole tuleohtlikku temperatuuri, klassifitseeritakse see vähesüttivaks või mittesüttivaks.
Oksüdatsioonireaktsiooni kiirenemine temperatuuri mõjul põhjustab isesüttimist. Erinevalt põlemisprotsessist, mille käigus süttib vaid piiratud osa mahust - pinnast, toimub isesüttimine kogu aine mahu ulatuses. Isesüttimistemperatuur on madalaim temperatuur, milleni ainet tuleb kuumutada, et see edasise iseoksüdatsiooni tagajärjel süttiks. Isesüttimine on võimalik ainult siis, kui oksüdatsiooniprotsessi käigus eralduv soojushulk ületab soojusülekande keskkonda.
Aine isesüttimistemperatuur ei ole konstantne, kuna see sõltub suuresti selle määramise tingimustest. Võrdlevate andmete saamiseks on standarditud katseseadmed ja meetodid gaaside ja aurude isesüttimistemperatuuri määramiseks (GOST 13920-68). Standardmeetodil määratud minimaalset temperatuuri, milleni tuleb gaaside ja aurude segu õhuga ühtlaselt kuumutada, et see süttiks ilma välist süüteallikat sisse viimata, nimetatakse standardseks isesüttimistemperatuuriks.
Isesüttimise liik on isesüttimine, s.o põlemine isesüttimise tagajärjel ilma süüteallika mõjuta. Isesüttimise ja isesüttimise erinevus seisneb temperatuuris. Isesüttimine toimub ümbritseva õhu temperatuuril ja isesüttimiseks on vaja ainet soojendada väljastpoolt.
Originaaldokument?
PÕLEMISPROTSESSIDE FÜÜSIKALISED JA KEEMILISED ALUSED
Keemilised protsessid põlemisel. Tuleohtlike ainete olemus. 3. loeng
Tule- ja plahvatusoht ained ja materjalid- see on omaduste kogum, mis iseloomustab nende võimet põlemist algatada ja levitada.
Põlemise tagajärjeks võib olenevalt selle kiirusest ja toimumistingimustest olla tulekahju või plahvatus.
Tule- ja plahvatusohtaineid ja materjale iseloomustavad näitajad, mille valik sõltub aine (materjali) koondseisundist ja selle kasutustingimustest.
Määramisel tule- ja plahvatusoht Ained ja materjalid jagunevad järgmistesse agregatsiooniolekutesse:
gaasid - ained, mille küllastunud auru rõhk normaaltingimustes (25°C ja 101325 Pa) ületab 101325 Pa;
vedelikud - ained, mille küllastunud aururõhk normaaltingimustes (25°C ja 101325 Pa) on alla 101325 Pa. Vedelikud hõlmavad ka tahkeid sulamisaineid, mille sulamis- või tilkumispunkt on alla 50 °C;
tahked ained ja materjalid- üksikud ained ja nende segakoostised sulamis- ja tilkumispunktiga üle 50°C, samuti ained, millel puudub sulamistemperatuur (näiteks puit, kangad, turvas);
tolm - hajutatud ained ja materjalid, mille osakeste suurus on alla 850 mikroni.
Põlemine kui hapnikku sisaldavate ainete oksüdatsiooni keemiline reaktsioon
Põlemine - üks esimesi keerulisi füüsikalisi ja keemilisi protsesse, millega inimene oma arengu koidikul kokku puutus. Protsess, mille valdamisel saavutas ta tohutu üleoleku teda ümbritsevate elusolendite ja loodusjõudude ees.
Põlemine - üks energia saamise ja muundamise vorme, paljude tehnoloogiliste tootmisprotsesside alus. Seetõttu õpib inimene pidevalt põlemisprotsesse ja õpib neid tundma.
Põlemisteaduse ajalugu algab M.V. avastamisega. Lomonosov: "Põlemine on aine ja õhu kombinatsioon." See avastus oli aluseks ainete massi jäävuse seaduse avastamisele nende füüsikaliste ja keemiliste muundumiste ajal. Lavoisier täpsustas põlemisprotsessi määratlust: "Põlemine on aine kombinatsioon mitte õhuga, vaid õhus oleva hapnikuga."
Seejärel andsid Nõukogude ja Venemaa teadlased A. V. olulise panuse põlemisteaduse uurimisse ja arendamisse. Mikhelson, N.N. Semenov, Ya.V. Zeldovia, Yu.B. Khariton, I.V. Blinov ja teised.
Põlemisprotsess põhineb eksotermilistel redoksreaktsioonidel, mis järgivad keemilise kineetika, keemilise termodünaamika ja muid põhiseadusi (massi, energia jäävuse seadus jne).
Põlemine on keeruline füüsikalis-keemiline protsess, mille käigus süttivad ained ja materjalid astuvad kõrgete temperatuuride mõjul keemilisele vastasmõjule oksüdeeriva ainega (õhuhapnik), muutudes põlemissaadusteks ning millega kaasneb intensiivne soojuse eraldumine ja valgus sära.
Põlemisprotsess põhineb keemilisel oksüdatsioonireaktsioonil, s.o. algpõlevate ainete ühendid hapnikuga. Keemiliste põlemisreaktsioonide võrrandites võetakse arvesse ka õhus sisalduvat lämmastikku, kuigi see põlemisreaktsioonides ei osale. Tavaliselt eeldatakse, et õhu koostis on konstantne, sisaldades 21% mahust hapnikku ja 79% lämmastikku (massi järgi vastavalt 23% ja 77% lämmastikku), s.o. Iga 1 mahuosa hapniku kohta on 3,76 mahuosa lämmastikku. Või 1 mooli hapniku kohta on 3,76 mooli lämmastikku. Siis saab näiteks metaani põlemisreaktsiooni õhus kirjutada järgmiselt:
CH 4 + 2О 2 + 2´ 3,76 N2 = CO2 + 2H2O + 2 ´ 3,76 N 2
Lämmastikku tuleb keemiliste reaktsioonide võrrandites arvestada, sest see neelab osa põlemisreaktsioonide tulemusena eralduvast soojusest ja on osa põlemissaadustest- suitsugaasid.
Vaatleme oksüdatsiooniprotsesse.
Vesiniku oksüdatsioon viiakse läbi reaktsiooniga:
N 2 + 0,5O 2 = H2O.
Eksperimentaalsed andmed vesiniku ja hapniku vahelise reaktsiooni kohta on arvukad ja mitmekesised. Igas reaalses (kõrgtemperatuurilises) leegis vesiniku ja hapniku segus on võimalik radikaal * OH ehk vesinikuaatomite H ja hapniku O moodustumine, mis käivitavad vesiniku oksüdeerumise veeauruks.
Põlemine süsinik . Leekides tekkiv süsinik võib olla gaasiline, vedel või tahke. Selle oksüdatsioon, olenemata selle agregatsiooni olekust, toimub hapnikuga suhtlemise tõttu. Põlemine võib olla täielik või mittetäielik, mille määrab hapnikusisaldus:
C + O 2 = CO 2(täis) 2C + O 2 = 2CO (mittetäielik)
Homogeenset mehhanismi ei ole uuritud (süsinik gaasilises olekus). Kõige enam on uuritud süsiniku vastasmõju tahkes olekus. Seda protsessi saab skemaatiliselt kujutada järgmistes etappides:
1. oksüdeeriva aine (O 2 ) viimine liidesele molekulaarse ja konvektiivse difusiooni teel;
2. oksüdeerivate molekulide füüsikaline adsorptsioon;
3. adsorbeeritud oksüdeeriva aine vastastikmõju pinna süsinikuaatomitega ja reaktsioonisaaduste teke;
4.reaktsiooniproduktide desorptsioon gaasifaasi.
Põlemine vingugaas . Süsinikmonooksiidi kogu põlemisreaktsioon kirjutatakse CO + 0,5O 2 = CO 2, kuigi vingugaasi oksüdatsioonil on keerulisem mehhanism.Vingugaasi põlemise põhiprintsiipe saab selgitada põlemismehhanismi põhjal. vesiniku, sealhulgas süsinikmonooksiidi interaktsiooni reaktsiooni süsteemis moodustunud hüdroksiidi ja aatomi hapnikuga, s.o. See on mitmeetapiline protsess:
* OH + CO = CO 2 + H; O + CO = CO 2
Otsene reaktsioon CO + O 2 -> CO 2 on ebatõenäoline, kuna tõelisi CO ja O 2 kuivsegusid iseloomustab äärmiselt madal põlemiskiirus või need ei saa üldse süttida.
Algloomade oksüdatsioon süsivesinik V.Metaan põleb, moodustades süsinikdioksiidi ja veeauru:
CH 4 + O 2 = CO 2 + 2H 2 O.
Kuid see protsess hõlmab tegelikult tervet rida reaktsioone, milles osalevad kõrge keemilise aktiivsusega molekulaarosakesed (aatomid ja vabad radikaalid): * CH 3, * H, * OH. Kuigi need aatomid ja radikaalid eksisteerivad leegis lühikest aega, tagavad nad kiire kütusekulu. Maagaasi põlemisel tekivad süsiniku, vesiniku ja hapniku kompleksid ning süsiniku ja hapniku kompleksid, mille hävitamisel tekib CO, CO 2, H 2 O. Arvatavasti võib metaani põlemisskeemi kirjutada järgmiselt. järgmine:
CH 4 → C 2 H 4 → C 2 H 2 → süsiniku produktid + O 2 →C x U y O z → CO, CO 2, H 2 O.
Termiline lagunemine, tahkete ainete pürolüüs
Kui tahke põleva materjali temperatuur tõuseb, purunevad keemilised sidemed lihtsamate komponentide (tahke, vedel, gaasiline) moodustumisega. Seda protsessi nimetatakse termiline lagunemine või pürolüüs . Orgaaniliste ühendite molekulide termiline lagunemine toimub leegis, s.o. kõrgendatud temperatuuridel põlemispinna lähedal. Lagunemismustrid ei sõltu ainult kütusest, vaid ka pürolüüsi temperatuurist, selle muutumise kiirusest, proovi suurusest, kujust, lagunemisastmest jne.
Vaatleme pürolüüsi protsessi kõige tavalisema tahke põleva materjali näitel- puit
Puit on segu suurest hulgast erineva struktuuri ja omadustega ainetest. Selle põhikomponendid on hemitselluloos (25%), tselluloos (50%), ligniin (25%). Hemitselluloos koosneb pentasaanide (C 5 H 8 O 4), heksasaanide (C 6 H 10 O 5), polüuroniidide segust. Ligniin See on oma olemuselt aromaatne ja sisaldab aromaatsete rõngastega seotud süsivesikuid. Puit sisaldab keskmiselt 50% C, 6% H, 44% O. See on poorne materjal, mille pooride maht ulatub 50-ni.- 75%. Puidu kõige vähem kuumakindel komponent on hemitselluloos (220- 250°C), kõige kuumuskindlam komponent- ligniin (selle intensiivset lagunemist täheldatakse temperatuuril 350 ° C- 450 °C). Niisiis koosneb puidu lagunemine järgmistest protsessidest:
| № lk | Temperatuur, °C | Protsessi omadused |
| kuni 120 - 150 | kuivatamine, füüsiliselt seotud vee eemaldamine |
|
| 150 - 180 | Kõige vähem stabiilsete komponentide (luminiinhapete) lagunemine CO 2, H 2 O vabanemisega |
|
| 250 - 300 | puidu pürolüüs CO, CH 4, H 2, CO 2, H 2 O jne vabanemisega; saadud segu on võimeline süttima süüteallikast |
| 350 - 450 | Intensiivne pürolüüs suurema osa tuleohtlike ainete vabanemisega (kuni 40% kogumassist); gaasiline segu koosneb 25% H2-st ja 40% küllastunud ja küllastumata süsivesinikest; tagatakse lenduvate komponentide maksimaalne tarnimine leegi tsooni; protsess selles etapis on eksotermiline; eralduv soojushulk ulatub 5-ni- 6% madalamast kütteväärtusest Q ≈ 15000 kJ/kg |
|
| 500 - 550 | Termilise lagunemise kiirus väheneb järsult; lenduvate komponentide eraldumine peatub (pürolüüsi lõpp); 600 °C juures gaasiliste saaduste eraldumine peatub |
Söe ja turba pürolüüs toimub sarnaselt puiduga. Lenduvate ainete eraldumist täheldatakse aga muudel temperatuuridel. Kivisüsi koosneb kõvematest kuumuskindlatest süsinikku sisaldavatest komponentidest ning selle lagunemine toimub vähem intensiivselt ja kõrgematel temperatuuridel (joonis 1).
Metallide põletamine
Põlemise olemuse järgi jagunevad metallid kahte rühma: lenduvad ja mittelenduvad. Lenduvatel metallidel on T pl.< 1000 K ja T kip.< 1500 K . Nende hulka kuuluvad leelismetallid (liitium, naatrium, kaalium) ja leelismuldmetallid (magneesium, kaltsium). Metalli põletamine toimub järgmiselt: 4 Li + O 2 = 2 Li2O . Mittelenduvatel metallidel on T pl. > 1000 K ja T kip. > 2500 K.
Põlemismehhanismi määravad suuresti metalloksiidi omadused. Lenduvate metallide temperatuur on madalam kui nende oksiidide sulamistemperatuur. Pealegi on viimased üsna poorsed moodustised. Kui metalli pinnale tuua süütesäde, siis see aurustub ja oksüdeerub.
Kui auru kontsentratsioon jõuab alumise süttimiskontsentratsiooni piirini, süttib see. Difusioonpõlemistsoon rajatakse pinnale, suur osa soojusest kantakse üle metallile ja see kuumutatakse keemistemperatuurini.
Saadud aurud, mis hajuvad vabalt läbi poorse oksiidkile, sisenevad põlemistsooni. Metalli keetmine põhjustab oksiidkile perioodilist hävimist, mis intensiivistab põlemist. Põlemissaadused (metallioksiidid) ei difundeeru mitte ainult metalli pinnale, soodustades metalloksiidkooriku teket, vaid ka ümbritsevasse ruumi, kus nad kondenseeruvad ja moodustavad tahkeid osakesi valge suitsu kujul. Tiheda valge suitsu teke on visuaalne märk lenduvate metallide põlemisest.
Kõrge faasisiirdetemperatuuriga mittelenduvates metallides tekib põletamisel pinnale väga tihe oksiidkile, mis haakub hästi metallipinnaga. Selle tulemusena väheneb järsult metalliauru difusioonikiirus läbi kile ja suured osakesed, näiteks alumiinium või berüllium, ei suuda põleda. Reeglina tekivad selliste metallide tulekahjud, kui need sisestatakse laastude, pulbrite ja aerosoolide kujul. Nad põlevad ilma tihedat suitsu tekitamata. Tiheda oksiidkile moodustumine metalli pinnale viib osakese plahvatuseni. See nähtus, mida eriti sageli täheldatakse osakeste liikumisel kõrge temperatuuriga oksüdeerivas keskkonnas, on seotud metalliaurude kogunemisega oksiidkile alla, millele järgneb selle äkiline plahvatus. See toob loomulikult kaasa põlemise järsu intensiivistumise.
Tolmu põlemine
Tolm - see on hajutatud süsteem, mis koosneb gaasilisest hajutatud keskkonnast (õhk) ja tahkest faasist (jahu, suhkur, puit, kivisüsi jne).
Leegi levik tolmu kaudu toimub külma segu kuumenemise tõttu leegi frondist tuleva kiirgusvoo toimel. Tahked osakesed, mis neelavad kiirgusvoost soojust, soojenevad ja lagunevad, vabastades tuleohtlikke tooteid, mis moodustavad õhuga tuleohtlikke segusid.
Väga väikeste osakestega aerosool põleb kiiresti süttimisel süttimisallikast mõjutatud piirkonnas. Leegi tsooni paksus on aga nii väike, et selle kiirguse intensiivsus on osakeste lagunemiseks ebapiisav ning leegi statsionaarset levikut üle selliste osakeste ei toimu.
Ka suuri osakesi sisaldav aerosool ei ole võimeline paikselt põlema. Kui osakeste suurus suureneb, väheneb soojusvahetuse eripind ja pikeneb aeg, mis kulub nende soojendamiseks lagunemistemperatuurini.
Kui tahke materjali osakeste lagunemise tõttu leegifrondi ees süttiva auru-õhu segu tekkeaeg on pikem kui leegifrondi eksisteerimise aeg, siis põlemist ei toimu.
Tolmu-õhu segude kaudu leegi levimise kiirust mõjutavad tegurid:
1. tolmu kontsentratsioon (maksimaalne leegi levimiskiirus esineb segudel, mis on veidi kõrgemad stöhhiomeetrilisest koostisest, näiteks turbatolmu puhul kontsentratsioonil 1- 1,5 kg/m3);
2. tuhasisaldus (tuhasisalduse suurenemisega tuleohtliku komponendi kontsentratsioon väheneb ja leegi levimise kiirus väheneb);
Tolmu klassifitseerimine plahvatusohu järgi:
I klass - kõige plahvatusohtlikum tolm (kontsentratsioon kuni 15 g/m 3);
II klass - plahvatusohtlik kuni 15-65 g/m 3
III klass - kõige tuleohtlikum > 65 g/m 3 T St ≤ 250°C;
IV klass - tuleohtlik > 65 g/m 3 T St > 250°C.
Hapnikuvaba põlemine
On mitmeid aineid, mille temperatuur tõuseb üle teatud taseme keemiliselt, mille tulemusena tekib leegist vaevu eristatav gaas. Püssirohi ja mõned sünteetilised materjalid võivad põleda ilma õhuta või neutraalses keskkonnas (puhas lämmastik).
Tselluloosi põlemine (link - C6H7O2 (OH) 3 - ) võib kujutada sisemise redoksreaktsioonina hapnikuaatomeid sisaldavas molekulis, mis võib reageerida tselluloosiüksuse süsiniku ja vesinikuga.
Kaasas tulekahju ammooniumnitraat, saab säilitada ilma hapnikuvarustuseta. Need tulekahjud tekivad tõenäoliselt kõrge ammooniumnitraadisisalduse (umbes 2000 tonni) korral orgaanilise aine, eelkõige paber- või pakkekottide juuresolekul.
Näiteks on õnnetus 1947. aastal. Laev “Suurlaager"asus Texas City sadamasse umbes 2800 tonnise ammooniumnitraadi lastiga. Tuli sai alguse paberkottidesse pakitud ammooniumnitraati sisaldanud kaubaruumist. Laeva kapten otsustas tuld veega mitte kustutada, et lasti mitte rikkuda, ning püüdis tuld kustutada tekiluugid liistudes ja auru lastiruumi lastes. Sellised meetmed aitavad kaasa olukorra halvenemisele, intensiivistades tulekahju ilma õhu juurdepääsuta, kuna ammooniumnitraati kuumutatakse. Tulekahju sai alguse kell 8 hommikul ja kell 9. 15 minuti pärast toimus plahvatus. Selle tagajärjel hukkus üle 200 sadamas tunglenud ja tulekahju pealt vaadanud inimese, sealhulgas laeva meeskond ja kahe laeva ümber tiirutanud neljamehelise lennuki meeskond.
Järgmisel päeval kell 13.10 toimus plahvatus ka teisel ammooniumnitraati ja väävlit vedanud laeval, mis süttis eelmisel päeval esimesest laevast.
Marshall kirjeldab 1961. aastal Frankfurdi lähedal puhkenud tulekahju. Konveierilindi põhjustatud spontaanne termiline lagunemine süütas 8.. tonni väetist, millest kolmandiku moodustas ammooniumnitraat ja ülejäänu- väetisena kasutatavad inertsed ained. Põleng kestis 12 tundi. Põlengu tagajärjel eraldus suures koguses mürgiseid gaase, mille hulgas oli ka lämmastikku.