Горение и взрыв

Содержание:

 

1. Пространственные неоднородности  как побудители вещественно-энергетического  переноса при горении. Перенос  энергии при горении. Перенос вещества при горении. Термодиффузия, бародиффузия, электродиффузия………………………………………………………………….2

2. Условия прерывания химического взаимодействия с участием кислорода воздуха и образованием продуктов сгорания в горючей системе и во внешней среде……………………………………………………………….....8

3.   Список используемой  литературы…………………………………...14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Пространственные неоднородности как побудители вещественно-энергетического переноса при горении. Перенос энергии при горении. Перенос вещества при горении. Термодиффузия, бародиффузия, электродиффузия.

 

       Основная и важнейшая особенность процесса горения- способность к распространению в пространстве. Вследствие процессов переноса (диффузии и теплопроводности) теплота или активные центры, накапливающиеся в горящем объёме, могут передаваться в соседние участки горючей смеси и инициировать там горение. В результате возникает движущийся в пространстве фронт горение, его скорость и называется линейной скоростью горения. Массовая скорость горение, где  - плотность исходной смеси. В отличие от детонации, где химическая реакция возникает в результате быстрого и сильного сжатия вещества ударной волной, скорость горения невелика (10-3-10 м/с), поскольку оно обусловлено сравнительно медленными процессами переноса. Если движение газовой среды турбулентно, то скорость горения увеличивается вследствие турбулентного перемешивания.

       Сущность явления термодиффузии, открытого К. Людвигом в 1856 г., состоит в том, что при наличии температурного градиента в смеси, состоящей из нескольких компонентов, возникает градиент концентраций. Заполнив U-образную трубку раствором сульфата натрия и поддерживая в одном ее колене температуру 0° С , а в другом 100° С, Людвиг обнаружил через некоторое время в холодном колене выпавшие в осадок кристаллы соли.

        После изобретения термодиффузионной колонки (1938 г.) термическую диффузию стали использовать для разделения смесей, трудноразделимых другими методами, в том числе нефтяных фракций. Термодиффузионные колонки состоят из двух коаксиальных цилиндров с зазором между ними 0,25—0,5 мм. Разделяемую смесь помещают в пространство между цилиндрами, один из которых нагревают, а другой охлаждают. При этом молекулы одного вещества перемещаются к холодной стенке или цилиндру и в результате конвекции опускаются вниз, а молекулы другого компонента направляются к горячему цилиндру и концентрируются в верхней части колонки. Основные закономерности процесса:

            1) к холодной стенке движется углеводород с наибольшим числом углеродных атомов и с наибольшей температурой кипения;

            2) при одинаковой температуре кипения к холодной стенке направляется компонент с наименьшим молярным объемом;

            3) при одинаковых молярных объемах и температурах кипения к холодной стенке движется компонент с наименьшей поверхностью молекул.       Как правило, термодиффузионному разделению подвергают сравнительно узкокипящие (25°—50° С) фракции, предварительно разделенные на алкан-циклоалкановую и ареновую части. При термической диффузии насыщенных углеводородов в верхней части колонки концентрируются алканы, в средних фракциях — моно- и бициклоалканы и в последних термодиффузионных фракциях (в нижней части колонки) — полициклоалканы. Таким образом, метод термодиффузии позволяет более или менее успешно решать следующие сложные задачи:

         - разделять смеси близкокипящих циклоалканов и алканов изостроения (например, можно разделять циклогексан и 2,4-ди-метилпентан, температуры кипения которых различаются всего на 0,24°С);

        -разделять смеси циклоалканов по числу циклов с получением концентратов моно-, би- и полициклоалканов;

         -разделять цис-, транс-изомеры, например цис- и транс-декалин, цис- и транс- 1,2-диметилциклогексан.

         Степень разделения компонентов повышается, если навить проволоку по винтовой линии на внутреннюю трубку колонки — при этом уменьшается влияние паразитной конвекции. К тому же эффекту приводит использование роторных диффузионных колонн, в которых внутренний цилиндр медленно вращается. Недостаток как роторных колонн, так и колонн со спиральной навивкой состоит в увеличении продолжительности достижения стационарного состояния, которое составляет, как правило, десятки часов.

       Невысокая производительность термодиффузиоиных колонн ограничивает возможности использования метода в промышленности. Тем не менее, предлагалось использовать термодиффузию для получения фракций масел с высоким индексом вязкости и низкой температурой застывания. Имеются зарубежные установки производительностью до 9 тонн в сутки смазочного масла с повышенным индексом вязкости. Разработаны автоматизированные аппараты непрерывного термодиффузионного разделении (АТР-3 и АТР-ЗМ), которые успешно используют для препаративного разделения нефтяных фракций и нефтехимических продуктов.

          Если в смеси имеет место градиент полного давления, то может возникнуть диффузия за счет неоднородности давления. Этот вид диффузии называют бародиффузией. При бародиффузии тяжелые молекулы стремятся перейти в область повышенного, а легкие — в область пониженного давления. Как и термодиффузия, бародиффузия сопровождается и обычным переносом массы, вызванным разностью концентрации. Диффузия от неоднородности давления происходит, например, в газе, вращающемся вокруг оси; в этом случае тяжелые молекулы стремятся перейти в области, наиболее удаленные от центра. С учетом концентрационной диффузии, термодиффузии и бародиффузии плотность потока массы компонента за счет молекулярного переноса описывается следующим уравнением:

 (1) ,

где Dт=kтD — коэффициент термодиффузии, (м2/с); Dб=kбD — коэффициент бародиффузии, (м2/с) ; р — давление смеси. Первый член суммы в уравнении (1) учитывает концентрационную диффузию, второй — термодиффузию и третий — бародиффузию. Составляющие потока массы нормальны к соответствующим им изопотенциальным поверхностям, т. е. поверхностям равных концентраций, изотермическим и изобарическим поверхностям. При grad p=0 и grad t=0 уравнение (1) переходит в закон Фика. Коэффициент kт=Dт/D называется термодиффузионным отношением, он безразмерен; kб=Dб/D — бародиффузионное отношение. Значение kт для смеси газов, как правило, меньше 0,1. Ввиду малости kт заметный поток массы будет иметь место только при больших градиентах температуры; особенно невелика термодиффузия, если концентрация одного из компонентов мала.

         Для бинарной смеси величина kб определяется следующим уравнением:

(2),

где M1, М2, М — молекулярные массы первого и второго компонентов и смеси. Бародиффузия должна проявляться при значительных перепадах давления, что в процессах теплообмена встречается редко. При равенстве молекулярных масс М1, и М2 бародиффузия отсутствует. Как следует из термодинамики необратимых процессов, бародиффузии должен сопутствовать и соответствующий термоэффект, представляющий собой возникновение разности температур. Таким образом, суммарный перенос массы какого-либо компонента путем молекулярной диффузии является следствием концентрационной диффузии, термической диффузии и бародиффузии (в общем случае в суммарный поток массы входит составляющая, возникающая в случае, если на компоненты смеси действуют различные внешние силы; примером является диффузия электрически заряженных частиц в частично ионизированном газе под действием электрического или магнитного поля; может также иметь место разделение смеси, вызванное процессом внутреннего трения: молекулы с большей массой перемещаются в направлении меньшей скорости).

       Электродиффузия – перенос вещества в расплавах с электронной или дырочной проводимостью (например, сплавов Na с К, Hg с Cd, Ga с As) при пропускании постоянного электрического тока. Наблюдается также в твердых телах, однако в этом случае происходит значительно медленнее. Известна электродиффузия изотопов в металлах; обычно более лёгкий изотоп мигрирует к аноду.

       Электродиффузия характеризуют электрическую подвижностью  ионов i-го компонента, равной скорости их направленного движения при напряжённости поля 1 В/см, и эффективным зарядом . Эти параметры связаны уравнением Эйнштейна:

                                              ui = zieDo/kT,

где Do – коэффициент молекулярной диффузии, е – элементарный электрический заряд.

        При достаточно длительном пропускании электрического тока электродиффузия уравновешивается обратной диффузией и конвекцией и достигается стационарное распределение концентрации с i-го компонента в образце, определяемое соотношением

                                           c2 = c1exp(uiΔφD),

где Δφ – разность электрических потенциалов между точками 2 и 1, D – эффективный коэффициент диффузии.

        При высоких значениях uiΔφD степень разделения компонентов при электродиффузии весьма велика. Одним из факторов, определяющих электродиффузию, является электронный ветер – увлечение ионов компонентов потоком электронов проводимости. В разбавленном бинарном растворе z2* = z2 - z1σ2/σ1, где z2 и z1 – истинные заряды ионов, σ2 и σ1 –сечения рассеяния ими электронов.

          В простейшем случае, когда перенос заряда и массы осуществляется одними и теми же частицами с зарядом q и концентрацией n, существует связь между электропроводностью σ и коэффициентом диффузии D, установленная Нернстом и Эйнштейном:

                                     σ/D = nq2/kT.

 

 

2. Условия прерывания химического взаимодействия с участием кислорода воздуха и образованием продуктов сгорания в горючей системе и во внешней среде.

 

        Горение углерода начинается при температуре около 8·108 K и плотности ~ 105 г/см3. Основные реакции горения углерода следующие:12C + 12C → 20Ne + α (Q = 4.62 МэВ)

23Na + p (Q = 2.24 МэВ)

24Mg + γ (Q = 13.93 МэВ)

23Mg + n (Q = -2.60 МэВ)

23Na + e+ + νe (Q = 8.51 МэВ).

(T1/2 = 12.1 c)

    Следующая стадия - горение кислорода - начинается  при температуре T = 2∙109 K. Основные  реакции:16O + 16O → 32S + γ (Q = 16.54 МэВ)

31P + p (Q = 7.68 МэВ)

31S + n (Q = 1.50 МэВ)

28Si + α (Q = 9.59 МэВ).

    Характерные особенности  реакций горения углерода и кислорода следующие:

     - большое число различных каналов реакции;

     - протоны, нейтроны, -кванты, образующиеся в конечном состоянии, быстро вступают в новые реакции, что значительно расширяет число возможных реакций и изотопов.

       Основным продуктом горения углерода и кислорода является ядро 28Si, соответствующее заполненной подоболочке 1d5/2. В этом случае удельная энергия связи имеет максимум.

        Резкое увеличение нейтринной светимости звезды при переходе от реакций горения углерода к реакциям горения кислорода. При изменении температуры в центре звезды от 0.5·109 K до 2.5·109 K нейтринная светимость Lν для массивной звезды возрастает на 6 порядков.

        При  адиабатическом горении, т.е. в отсутствие теплообмена между реагирующей системой и окружающей средой, могут быть рассчитаны:

   -количество выделившегося при горении тепла, температура ТГ, которая была бы достигнута при полном сгорании (точное название - адиабатическая температура горения), и состав продуктов, если известны состав исходной смеси и термодинамический функции исходной смеси и продуктов. Если состав продуктов заранее известен, ТГ м. б. рассчитана из условия равенства внутренней энергии системы (при пост. объеме) или ее энтальпии (при постоянном давлении) в исходном и конечном состояниях с помощью соотношения: ТГ = Т0 + Qr/C, где Т0-начальная температура смеси, С-средняя в интервале температура от Т0 до ТГ уд. теплоемкость исходной смеси (с учетом ее изменения при возможных фазовых переходах), (QГ-УД- теплота сгорания смеси при температуре ТГ. При относительном содержании а0 в смеси компоненты, полностью расходуемой в реакции (напр., горючего), QГ = Q*а0 где Q-тепловой эффект реакции горения. Значение Тр при пост, объеме больше, чем при пост. давлении, поскольку в последнем случае часть внутренней энергии системы расходуется на работу расширения. На практике условия адиабатического горения обеспечиваются в тех случаях, когда реакция успевает завершиться прежде, чем станет существенным теплообмен между реакции объемом и окружающей средой, направленна в камерах сгорания крупных реактивных двигателей, в больших реакторах, при быстро распространяющихся волнах горения.

Термодинамический расчет дает лишь частичную информацию о процессе - равновесный состав и температуру продуктов. Полное описание горения, включающее также определение скорости процесса и критических условий при наличии тепло-и массообмена с окружающей средой, можно провести только в рамках макрокинетический подхода, рассматривающего хим. реакцию во взаимосвязи с процессами переноса энергии и вещества . В случае заранее перемешанной смеси горючего и окислителя реакция горения может происходить во всем пространстве, занятом горючей смесью (объемное горение), или в сравнительно узком слое, разделяющем исходную смесь и продукты и распространяющемся по горючей смеси в виде т. наз. волны горения. В неперемешанных системах возможно диффузионное горение, при котором реакция локализуется в относительно тонкой зоне, отделяющей горючее от окислителя, и определяется скоростью диффузии реагентов в эту зону.

При полном расходе G через реактор условия баланса энтальпии смеси и содержания горючего при стационарном режиме горения могут быть записаны ур-ниями:

 

где w(а, Т)-скорость реакции горения, К-объем реактора. Используя выражение для термодинамич. ТГ, можно из (1) получить: а = а0(ТГ - Т)/(ТГ - Т0)и записать (2) в виде: