Реферат: Основи горіння палив та процеси утворення бензопірену и поліароматичних вуглеводнів

1 Основа горіння та реакції окислення горючих речовин палив

Основу горіння складають реакції окислення горючих речовин (пальне і окислювач) перетворюються в нові з іншими фізичними та хімічними властивостями, які називаються продуктами спалення. Характерною ознакою горіння є швидко протікаючий процес, що супроводжується інтенсивним виділенням теплоти, різким збільшенням температури та утворенням розжарених продуктів з різноманітною ступінню світності.

Для протікання хімічної реакції між горючими речовинами палива та окислювачем поперед всього необхідно утворити фізичний контакт між молекулами взаємодіючих речовин і довести молекули до такого стану, при якому стають можливими хімічні реакції між ними. Перше відбувається в процесі утворення горючої суміші, друге - при її запаленні. Таким чином, горіння є складним фізико-хімічним процесом, що включає низку послідовно та паралельно протікаючих фізичних і хімічних стадій.

Розрізняють горіння без втрат теплоти палива, чи повне, і горіння з втратами теплоти, чи неповне. При повному горінні всі горючі речовини палива беруть участь в окислювальних процесах, при цьому утворюються тільки оксиди - CO₂ , SO₂ , H₂ O.

Реальне горіння, як правило, є неповним. Розрізняють механічну і хімічну неповноту горіння. В першому випадку деяка кількість палива в процесі горіння не бере участі. Хімічні втрати з`являються у випадку хімічно неповноцінного окислення сполук, що вміщують вуглець, з утворенням оксиду вуглецю, а також у випадку, коли частина горючих газоподібних речовин, що отримуються при випарюванні та термічному розкладі рідкого палива (CO₂ , H₂ , CH₄ та ін), залишають камеру спалення до завершення окислювальних процесів.

В якості окислювача при горінні переважно використовується кисень атмосферного повітря, що пояснюється його доступністю і простотою використання.

Процес горіння газоподібного палива можна умовно поділити на дві стадії: перша - утворення горючої суміші (суміші палива та повітря); друга - нагрівання, запалення і горіння горючої суміші. Більш складно протікає горіння рідкого палива. Першою стадією горіння рідкого палива є нагрівання та випарювання пального. Потім пари пального, які утворилися, змішуються з повітрям і відбувається нагрів, запалення і горіння горючої суміші.

В залежності від агрегатних станів пального та окислювача розрізняють гомогенне та гетерогенне горіння. Якщо пальне і окислювач знаходяться в однакових агрегатних станах і між ними відсутня поверхня розділу фаз, то вони утворюють гетерогенну систему. В гетерогенній системі пртікає горіння рідкого палива.

Інтенсивність горіння газу та парів рідкого палива виражається кількістю пального, що визначається на одиницю об`єму за одиницю часу, кг/(м³ с) чи м³ /(м³ с)

, (1)

де - витрати пального, кг/с чи м³ /с;

- об`єм реагуючої системи, м

В реальних умовах інтенсивність горіння, що визначається за швидкістю витрат і горючих речовин, залежить не тільки від швидкості протікання хімічної реакції, але і від швидкості процесу сумішоутворення, визначним фактором якої є інтенсивність протікання турбулентної та молекулярної дифузії. Результуюча швидкість залежить від швидкості найбільш повільного процесу. В залежності від швидкості хімічної реакції та швидкості сумішоутворення розрізняють кінетичне та дифузійне горіння.

Якщо швидкість протікання хімічної реакції між пальним та окислювачем значно нижче швидкості утворення горючої суміші, то результуюча швидкість процесу горіння лімітується тільки швидкістю хімічної реакції, тобто процесами хімічної кінетики. Таке горіння називають кінетичним. Якщо швидкість підводу окислювача до пального значно менша швидкості хімічної реакції окислення, то сумарна швидкість горіння не залежить від швидкості реакції і лімітується тільки швидкістю процесу сумішоутворення, визначним фактором якого є процеси дифузії кисню до пального. Таке горіння називають дифузійним.

Швидкість протікання хімічних реакцій між молекулами пального і окислювача зі збільшенням температури прогресивно зростає. Разом із тим швидкість сумішоутворення, яка визначається процесами турбулентної та молекулярної дифузії в об`ємі газу, від температури практично не залежать. Швидкість прямої хімічної реакції можна записати в наступному вигляді

(2)

де - константа швидкості реакції, що залежить від температури та хімічної природи реагуючих речовин;

- відповідні поточні концентрації реагуючих речовин А та В в суміші;

- числа молей реагуючих речовин.

В свою чергу k значно залежить від температури процесу. Ця залежність має експоненціальний характер і виражається законом Арреніуса

(3)

де - передекспоненціальний множник;

- енергія активації;

- газова стала;

- абсолютна температура процесу.

До реагування здатні так звані активні молекули, які мають енергію, достатню для руйнування внутрішньомолекулярних зв`язків вихідних речовин. Цей рівень енергій називають енергією активації Е. Чим вищій рівень енергії активації, тим складніше проходить руйнування вихідних молекул та повільніше швидкість реакції.

Число активних молекул різко збільшується зі збільшенням температури. Енергія активації залежить не тільки від внутрішньоатомних зв`язків в молекулі, але і від того, з якою речовиною (в якому стані) відбувається реакція. При контакті, наприклад, молекули горючої речовини з часткою, яка має заряд типу ОН^- , Н⁺ , О^2- , енергія активації суттєво зменшується, а швидкість реагування дуже зростає.

Як правило, максимальна швидкість реакції відповідає стехіометричним концентраціям пального та окислювача.

Існує нижня межа концентрації пального (НМ), нижче якої горіння стає неможливим, та верхня межа (ВМ), коли вже відчувається нестача окислювача для підтримки горіння.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--