Научная работа: Густой дым как поток продуктов горения
1. Горение и его виды
Горение – мощный процесс окисления, сопровождающийся значительным выделением энергии в форме тепла и света. При чем окислителем может являться не только привычный в этом деле – кислород. Вещества могут гореть в галогенах: во фторе, хлоре и некоторых смесях. В роли окислителя могут выступать и богатые кислородом соединения. Например, в некоторых взрывных устройствах в качестве окислителя используют даже NO2 – весьма вредный газ, оказывающий, однако увеселяющее воздействие на человека.
Горение – процесс более сложный, чем кажется. В общем случае, зажигание требует подогрева горючей поверхности до температуры, при которой данное вещество начинает разлагаться, испуская горючие газы. И лишь разогрев этих газов до температуры их воспламенения при доступе окислителя – приводит к собственно воспламенению вещества. Горящие газы еще сильнее разогревают поверхность, ускоряя процесс газообразования с поверхности и окисления этих газов. Поэтому пламя со временем достигает определенного размера и постепенно распространяется по поверхности тела (жидкости), как бы «ползет» по нему. Если же температура недостаточна для воспламенения образующихся газов, то продолжается разложение приповерхностных слоев и частичное окисление материала. Проявляется это в виде обугливания поверхности. В случае если температура достаточна для горения, но отсутствует окислитель, происходит полное разложение телесного вещества (термический распад или пиролиз) и выделяется масса горючих газов и паров летучих компонентов. Может образовываться и жидкость, в зависимости от материала. Пламени при этом не наблюдается. Примером подобного процесса может служить коксование.
Одно и то же вещество, находясь в различном состоянии горит с различными скоростями. Так как за горючесть отвечает способность материала выделять горючие газы, меньшее значение отношения площади поверхности к объему тела приводит к большему выходу газов, а результат – к большей горючести. Поэтому, измельченные вещества воспламеняются и горят лучше, чем монолиты. Пары бензина – горят со взрывом. Пламя по бензину, если концентрация паров над его поверхностью не велика – распространяется со значительной скоростью, но сам бензин – не взрывается. Процесс горения отличается наличием горячего очага, обычно обладающего свечением, в котором и происходят окислительные реакции. Под действием высоких температур в очаге горения или вблизи и внутри пламени идут как процессы окисления, так и термического распада, которые в свою очередь, отвечают за попадание в атмосферу компонентов, изначально не содержащихся в горючем веществе.
Важной особенностью, характеризующей тему горения конкретного вещества, часто является вопрос о том, как его потушить. Спирт легко можно залить водой, так как первый в воде хорошо растворяется и температура его горения не столь высока. Однако, бензин, керосин, ацетон и многие другие продукты нефтеперерабатывающей промышленности обычным заливанием водой не потушить. Эти жидкости имеют температуры горения, близкие к 1000°С малорастворимы в воде, и их плотность в среднем на 10% меньше, чем у воды. Поэтому, при поливании водой, просто пропускают ее сквозь свою толщу, не разбавляясь. Пламя при этом не сбивается. В результате вода накапливается под поверхностью горючих веществ, приподнимая их надо дном, что может привести к растеканию горючих жидкостей и дальнейшему распространению огня. При этом, температура пламени и приповерхностных слоев горючей жидкости может незначительно понижаться, но на интенсивность горения это влияет мало. Если удастся зажечь металл, то потушить его фактически невозможно. Например, если зажечь титан (а металл просто так не зажжешь), то он горит даже в воде, поглощая кислород из ее молекул.
1.1 Тление
Горение можно условно разделить на 2 типа: тление и горение с пламенем. Тление – медленный процесс окисления, сопровождающийся сравнительно низкими температурами. Характерен своей локальностью. Тление можно объяснить или слабым выделением горючих газов и малой температурой в области, либо недостатком окислителя. При тлении температура недостаточна, чтобы воспламенить выделяющиеся из поверхности горючие газы. Поэтому происходит интенсивное разложение вещества в приповерхностных слоях без интенсивного окисления самих молекул. В результате при тлении происходит выделение в воздух испарений углеводородов (в том числе смол) и несколько меньшее, чем при горении с пламенем образование оксидов.
Наиболее изучаемым благодаря своему вредному воздействию на организм примером тления, – является курение сигарет. Факторами, оказывающими влияние на температуру горящей сигареты, являются ее диаметр, вещество наполнителя, тип табака или смеси, плотность упаковки, величина частиц табака, качество сигаретной бумаги и фильтра и др. Температура тлеющего табака составляет около 300°С, а во время затяжки она достигает 900–1100°С. Температура табачного дыма примерно 40–60°С. Написанное показывает, на сколько влияет содержание кислорода и общая площадь зоны окисления на температуру тлеющей зоны. Увеличение притока кислорода при затяжке приводит к скачку температуры на 600 и более градусов! Курение демонстрирует и общий процент компонентов, избежавших полного окисления при тлении. Во время курения сгорает лишь около 60% смолы, остальное испаряется и переносится с дымом из очага тления.
Нехватка кислорода приводит к тлению, то его избыток или соприкосновение с другой поверхностью могут приводить к воспламенению. Так, после того, как очаг окисления угля соприкасается с легко воспламеняемым объектом (например, куском бумаги), происходит его воспламенение, а пламя способно увеличить общую температуру очага, и вызвать воспламенение тлеющего предмета. Мало того, тление может длиться часами, и быть при этом малозаметным для окружающих. Наверняка его выдаст только запах жженного, а сам очаг может быть скрытым от посторонних глаз. При длительном тлении в воздухе накапливаются угарный газ, оксиды и испарения. Об этом так же нужно помнить. Попадание уголька на кучу опилков приведет к растянутому во времени тлению всей кучи. От частички к частичке, горячая зона будет распространяться по поверхности всей кучи. Толщина тлеющего слоя составит от 2 до 5 мм. В случае, если в это время в данном помещении находится спящий человек, он рискует отравиться или задохнуться. В 1970-ых годах в Куйбышевской области такой случай убил и поджарил жителя частного дома. О трагедии догадались по запаху. Снаружи видимых признаков пожара не наблюдалось. Внутри же обуглились опилки у печи, тряпки и диван, на котором и лежал несчастный. Этим и опасны тлеющие пожары.
Как уже говорилось, тление – процесс замедленный, и потому способен долго не затухать, потребляя мало кислорода. По одной из версий, гибели легендарного «Титаника» поспособствовал и пожар. По легенде, во время испытаний в одном из отсеков корабля начался пожар. Его пытались потушить своими силами несколько кочегаров. Капитан предложил задраить отделение, решив, что огонь погаснет сам собой из-за нехватки кислорода, а судно было отправлено в рейс. Не тут-то было! Пожар продолжался, по видимому, на уровне тления более недели! Предполагается, что при этом в отсеке накопилось значительное количество угарного газа. Столкновение с айсбергом нанесло повреждения, задев и горящий отсек. При этом, в помещение попал свежий воздух, накопившиеся газы мгновенно воспламенились, что привело к мощнейшему взрыву. Сторонники считают, что именно благодаря нему корабль получил достаточно повреждений, чтобы пойти на дно.
1.2 Горение с пламенем
В любом случае, горение – это более (с пламенем) или менее (без пламени, тление) активный локализованный процесс окисления, сопровождающийся испарением некоторых летучих веществ без горения, мощным выделением энергии. И если зоны горения мы видим в форме пламени или светящегося участка на угольке, то поток разогретых продуктов горения, имеющий меньшую плотность, чем окружающая среда, наблюдаем в виде струек дыма, поднимающихся над пламенем. Как процесс, горение характеризуется температурой, высотой пламени, устойчивостью пламени, скоростью распространения и скоростью горения. Скорость горения зависит от свойств горящего вещества, средней концентрации кислорода (или другого окислителя) в очаге горения, состояния (цельности) горючего тела и наличия условий препятствующих или способствующих горению. Под состоянием (целостностью) горючего тела в данном случае следует понимать то, является ли тело цельным, или, например, порошком или жидкостью. Это оказывает значительное влияние на скорость и интенсивность газообмена в зоне горения. Если тело цельное, то процесс долгое время осуществляется только на его поверхности, и лишь потом, по мере разрушения, затрагивает ее внутренние слои. Если тело той же массы и того же объема, сделанное из этого же материала превратить в порошок и поджечь, скорость горения будет на много выше. Чем мельче средний размер зерна, тем больше соотношение его площади к объему. А стало быть, чем меньше объем (правда, следует помнить и о форме частицы), тем быстрее и глубже разогреваются внутренние слои. Чем больше площадь, тем интенсивнее прогрев и большая скорость образования и выхода горючих газов. А стало быть – на полное сгорание такой частицы требуется меньше времени. И между прочим, это правило имеет свой частный случай – взрыв! Об этом ниже.
1.3 Взрывы
Взрыв – это частный случай горения, протекающего мгновенно с кратковременным выделением значительного количества тепла и света. В реальных условиях вследствие протекания внутренних процессов и при внешних осложняющих факторах происходит искривление фронта пламени, что приводит к росту скорости горения. При достижении скоростей распространения пламени до десятков и сотен метров в секунду, но не превышающих скорости звука в данной среде (300 – 320 м/сек) происходит взрывное (дефлеграционное) горение.
При взрывном горении продукты горения нагреваются до 1,5–3 тысячи °С, а давление в закрытых системах увеличивается до 0,5–0,9 МПа. Продолжительность реакции горения до взрывного режима составляет примерно для газов ~0,1 сек, паров ~0,2–0,3 сек, пыли ~0,5 сек. Применительно к случайным промышленным взрывам под дефлебрацией обычно понимают горение облака с видимой скоростью порядка 100 – 300 м/сек, при которой генерируются ударные волны с максимальным давлением 20–100 кПа.
В определенных условиях взрывное горение может перейти в детонационный процесс, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1–5 км/сек. Это происходит при сильной турбулизации материальных потоков, вызывающей значительное искривление фронта пламени большое увеличение его поверхности.
При этом возникает ударная волна, во фронте которой резко повышается плотность, давление температура смеси. При возрастании этих параметров смеси до самовоспламенения горячих веществ возникает детонационная волна, являющаяся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой быстрореагирующей (самовоспламеняющейся) смеси. Избыточное давление в пределах детонирующего облака смеси может достигать 2 МПа или 20 атмосфер.
Процесс химического превращения горючих веществ, который вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии, называется детонацией. При детонационном режиме горения облака ГВ большая часть энергии взрыва переходит в воздушную ударную волну, при дефлеграционном горении со скоростью распространения пламени ~200 м/сек переход энергии в волну составляет от 30 до 40%.
2. Секреты пламени
2.1 Цвет пламени
По цвету пламени можно кое-что сказать об элементах, попадающих очаг горения. Для того, чтобы пламя изменило свой цвет, необходимо, чтобы атомы вещества отделялись от поверхности предмета и уносились с пламенем. У некоторых (особенно щелочных металлов), отделение атомов от основного материала происходит самостоятельно, что приводит к заметному окрасу. У некоторых элементов отделение атомов происходит с трудом, и для катализации процесса, требуется воздействие различных кислот. Цвета окраса пламени, характерные для различных элементов приведены в таблице.
| Цвет пламени | Эле-мент | Название элемента | Примечание |
| Светло-зеленый | Sb | Сурьма | |
| Зеленый | Tl | Таллий | |
| Зеленый | Cu | Медь | (после смачивания в HNO3 ) |
| Фосфор | P | Густо-зеленый | |
| сине-зеленый | B | Бор | |
| сине-зеленый | Te | Теллур | |
| желто-зеленый | Ba | Барий | |
| желто-зеленый | Mo | Молибден | |
| Интенсивно-желтая | Na | Натрий | |
| Оранжевый | Ca | Кальций | От оранжевого до кирпично-красного |
| Оранжевый | СО | Угарный газ!!! | Какую бы железяку или вообще не металл вы не поместите в пламя, прыгающий оранжевый цвет свидетельствует о недостатке кислорода и образовании угарного газа! |
| Карминово-красный | Li | Литий | |
| Карминово-красный | Sr | Стронций | |
| Синий | As | Мышьяк | |
| Голубой | Cu | медь | После смачивания в HCl |
| Фиолетовый | K | Калий | При наблюдении через фиолетовое стекло |
Проблемы с идентификацией вещества возникают тогда, когда в пламя попадает сразу несколько элементов. В этом случае или разные стороны пламени неравномерно окрашиваются в различные цвета, или окраска пламени определяется лишь доминирующим компонентом. По этому, для определения в пламени отдельных цветов используют светофильтры. Для калия этим фильтром является фиолетовое стекло.
Таблица спектральных линий некоторых элементов. Длина волны нейтральных атомов и их ионов указаны в нанометрах.
| Элемент | Нейтральный атом | Ион |
| Al | 396.1 | 266.9 |
| Ba | 553.5 | 455.4 |
| Bi | 306.7 | 282.0 |
| Ca | 422.6 | 393.3 |
| Co | 345.3 | 228.6 |
| Cu | 324.7 | 213.6 |
| Fe | 371.9 | 238.2 |
| K | – | 766.4 |
| Na | – | 589.0 |
| Sm | – | 442.4 |
| Sr | 460.7 | 407.7 |
2.2 Электрические свойства пламени
Наглядно иллюстрирует общую сложность процессов тот факт, что пламя обладает значительными электрическими свойствами. Экспериментально установлено, что в пламени существует разделение зарядов, причём положительный объёмный заряд сосредоточен в реакционной зоне (во фронте пламени), а отрицательный – в предпламенной зоне. Предполагается, что разделение зарядов обусловлено амбиполярной диффузией. Носителями отрицательного заряда в пламени являются электроны и отрицательные ионы.
По имеющимся данным, образование ионов происходит как при термическом распаде веществ, так и в результате химических реакций. Предполагается так же, что незначительный вклад (доли процентов) в образование ионов могут вносить мелкие углеродистые частицы, обладающие работой выхода 4,35 кВ.
Так, ещё в 1909 г. Ф. Габер предположил, что ионы в пламени образуются в результате химической ионизации в реакции с участием радикалов С2 , СН, ОН. В зависимости от условий горения и вида топлива, концентрация ионов в пламени составляет около 1010 -1012 см-3 , т.е. на 4–6 порядков превышает концентрацию, которая должна была бы наблюдаться при чисто термическом механизме ионизации.
Максимум ионизации соответствует фронту пламени, где протекают химические процессы, причём концентрация заряженных частиц резко падает по выходе в зону продуктов сгорания, хотя в этой зоне и наблюдается максимальная температура. Соотношение концентрации ионов в этих зонах оценивают как 1000:1.
При механизме хемиоионизации частицы претерпевают химическую перегруппировку, при которой освобождается количество энергии, достаточное для ионизации одного из продуктов реакции. Предполагается, что в случае пламени такой процесс идёт как побочная реакция между частицами, участвующими в основной реакции горения. Имеется довольно большое число возможных с энергетической точки зрения реакций, в которых участвуют две частицы в основном состоянии или одна в основном, а другая – в возбуждённом состоянии. Поэтому предполагается, что хемоионизация, независимо от того, сопровождается она образованием возбуждённых частиц или нет, является наиболее вероятным источником ионизации пламени.
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--