FIZYKOCHEMIA SPALANIA.doc

FIZYKOCHEMIA SPALANIA

(bryg. Urszula Strychalska)

UTLENIANIE A PROCES PALENIA

UTLENIANIE jest zjawiskiem bardzo powszechnie występującym w przyrodzie. Polega ono na egzotermicznej (wydzielanie ciepła)  reakcji chemicznej materiału z tlenem. Utlenianie może zachodzić w różnych temperaturach z różną szybkością. W warunkach normalnych proces utleniania zachodzi z niewielką szybkością np. rdzewienie metali, schnięcie farby, butwienie związków organicznych itp. W temperaturach wyższych szybkość utle­niania bardzo wzrasta. Proces utleniania może nastąpić nie tylko przez działanie samego tlenu, ale także związków bogatych w tlen lub zdolnych do oddawania go . Związki te noszą nazwę utleniaczy.

SPALANIE jest to złożony fizykochemiczny  proces wzajemnego oddziaływania materiału palnego (paliwa) i powietrza (utleniacza) charakteryzujący się wydzielaniem ciepła i światła a także gazów i dymów. Spalanie się jest procesem fizyko- chemicznym, w czasie którego następuje gwałtowne utlenianie materiału palnego (łączenie się z tlenem lub innymi utleniaczami np. z chlorem, bromem itp. ), połączone z wydzielaniem się  ciepła , światła  oraz produktów spalania takich jak gazy, dymy itp. Jest to proces fizykochemiczny gdyż obserwować możemy  zarówno przekształcenia materiału  charakterystyczne dla  przemian  fizycznych (np. utratę spoistości materiału, jego odkształcenia itp.) oraz chemicznych (np. powstawanie nowych substancji, które dotychczas  w otoczeniu nie występowały).   Aby mógł powstać i przebiegać proces spalania muszą występować następujące czynniki:

·         MATERIAŁ PALNY- Ciała stałe, ciekłe i gazowe wraz z parami, mgłami i pyłami pochodzenia organicznego, które w mieszaninie albo przy zetknięciu się z powietrzem lub tlenem pod wpływem określonego źródła ciepła mogą zacząć się palić. Przez pojęcie materiału palnego należy rozumieć każdy rodzaj materiały o określonym składzie chemicznym i stanie skupienia zdolnym do spalania się. Są to przede wszystkim substancje zawierające w swym składzie węgiel. Zdefiniowanie materiału palnego jest rzeczą trudną , przyjęto zatem że materiały, które nie kwalifikują się jako materiały niepalne są materiałami palnymi. Materiałem niepalnym nazywamy materiał, którego znormalizowana próbka poddana badaniu w określonym urządzeniu pomiarowym i w ciągu ustalonego czasu: nie zapala się,nie powoduje wydzielania palnych gazów, które można by zapalić za pomocą płomienia umieszczonego nad powierzchnią próbki.

·         UTLENIACZ- Utleniaczem jest najczęściej tlen występujący w powietrzu lub w związkach z innymi pierwiastkami (np. krzemem, glinem, żelazem). Występują również substancje zawierające w swoim składzie chemicznym utleniacz i wówczas do zapoczątkowania spalania wystarczy tylko czynnik inicjujący (np. materiały wybuchowe).

·         ŹRÓDŁO ZAPALENIA (nazywane również bodźcem termicznym czyli energią cieplną)- Każdy impuls cieplny, mający określoną temperaturę i zapas energii cieplnej w ilości wystarczającej do nagrzania układu palnego (mat. palny i tlen) w stopniu wystarczającym do zainicjowania procesu spalania. Do najczęściej spotykanych źródeł ciepła możemy zaliczyć:
- otwarty ogień,
- gorące powietrze,
- iskry i łuk elektryczny,
- tarcie mechaniczne,
- reakcje chemiczne,
- energie słoneczną.

·         WOLNE RODNIKI- Cząsteczki posiadające energie aktywacji.

INICJACJA PROCESU SPALANIA- Proces spalania może nastąpić w wyniku zapalenia, zapłonu lub samozapalenia.

TEMPERATURA ZAPALENIA jest to najniższa temperatura, do której należy ogrzać materiał palny aby zapali się on samorzutnie w całej masie bez udziału tzw. punktowego bodźca energetycznego.

W zależności od  temperatury zapalenia gazy i pary cieczy podzielone zostały na pięć grup:

-          G-1 o temperaturze zapalenia powyżej 450ºC

-          G-2 o temperaturze zapalenia               300 - 450ºC

-          G-3 o temperaturze zapalenia               200 - 300ºC

-          G-4 o temperaturze zapalenia               135 - 200ºC

-          G-5 o temperaturze zapalenia               100 - 135ºC

Ciała stałe w zależności od temperatury zapalenia podzielone zostały na cztery grupy:

-          grupa 1 o temperaturze zapalenia               do 200ºC

-          grupa 2 o temperaturze zapalenia               200 - 250ºC

-          grupa 3 o temperaturze zapalenia powyżej 250ºC (podatne za zapalenie)

-          grupa 4 o temperaturze zapalenia powyżej 400ºC (występujące w postaci niepodatnej na zapalenie)

TEMPERATURA ZAPŁONU jest to najniższa temperatura, do której należy podgrzać ciecz palną, aby nad jej powierzchnią powstała mieszanina par cieczy z powietrzem zdolna do zapalenia się, chociaż na krótką chwilę od przesuniętego płomienia tuż nad jej powierzchnią.

Ze względu na temperaturę zapłonu ciecze dzieli się na cztery klasy niebezpieczeństwa pożarowego:

-          klasa 1  o temperaturze zapłonu poniżej 21ºC

-          klasa 2  o temperaturze zapłonu  21ºC - 55ºC

-          klasa 3  o temperaturze zapłonu  55ºC - 100ºC

-          klasa 4  o temperaturze zapłonu  powyżej 100ºC

SAMOZAPALENIE (temperatura samozapalenia) jest to egzotermiczny proces zachodzący w wyniku zmian biologicznych, fizycznych lub chemicznych. Wytworzone ciepło powoduje zapalenie się materiału bez zewnętrznego bodźca energetycznego.

CHARAKTERYSTYKA PŁOMIENIA- płomień jest widzialnym efektem procesu spalania, stanowią go palące się gazy i pary wydzielane pod wpływem ciepła z materiału palnego.

Świecenie płomienia jest między innymi efektem żarzących się cząstek węgla oddzielających się od materiału palnego

RODZAJE SPALANIA- w zależności od stanu skupienia substancji palnych, rozróżnia się spalanie homogeniczne i heterogeniczne. Oraz spalenie dyfuzyjne i kinetyczne.

-         SPALANIEOMOGENICZNE (płomieniowe) (czworokąt spalania) – zachodzi wówczas, gdy układ palny składa się z jednej fazy(tzn. jest gazem lub znajduje się w fazie gazowej na skutek parowania) .Spalanie to, jest charakterystyczne dla mieszanin gazów i par cieczy z powietrzem. Przejawia się ono występowaniem płomienia.
SPALANIE PŁOMIENIOWE - proces spalania palnej fazy lotnej. SP ma miejsce podczas spalania gazów, cieczy i materiałów stałych, które podczas ogrzewania przechodzą w stan lotny.

-        SPALANIE HETEROGENICZNE (bezpłomieniowe)   (trójkąt spalania)– jest to spalanie na granicy tzn. rozdziału faz, tj. na powierzchni zetknięcia się ciała stałego z tlenem. Ten rodzaj spalania, odnosi się jedynie do ciał stałych. Cechą charakterystyczną tego rodzaju spalania, jest obok występowania płomieni, przede wszystkim świecenie ciała stałego (żarzenie) (np. spalanie węgla drzewnego, sadzy, niektórych metali).Spalanie dyfuzyjne – (powolne) ciecze i ciała stałe ,kinetyczne – (wybuchowe) gazy i pary. Spalanie bezpłomieniowe (tlenie)  - proces spalania niektórych paliw stałych, charakteryzujących się tym, ze w czasie spalania nie występuje płomień, tzn. nie tworzy się (lub w minimalnej ilości) palna faza lotna.

PROCES SPALANIA SIĘ CIAŁ STAŁYCH NA PRZYKŁADZIE DREWNA

Drewno pod wpływem ciepła ulega rozkładowi termicznemu wierzchniej warstwy tzw. pirolizie i przechodzi w stan gazowy, produkty gazowe rozkładu mieszają się nad powierzchnią drewna, z powietrzem i ulegają spalaniu płomieniowemu. Ciepło wytworzone w czasie tego spalania częściowo wraca do powierzchni drewna w postaci energii zwróconej, która podgrzewa drewno i powoduję dalszą jego pirolizę.

W strefie pirolizy drewna występują następujące procesy:

-          odparowywanie wody i olejków eterycznych

-          rozkład termiczny drewna na część gazową i część stałą

-          odparowywanie części lotnej do strefy spalania

-          spalanie bezpłomieniowe części stałej

Zapalenie się drewna następuję w temperaturze ok. 250 – 3000 C

SCHEMAT SPALANIA CIAŁ STAŁYCH:

PROCES SPALANIA SIĘ CIECZY:

Spalanie cieczy, przebiega znacznie łatwiej niż ciał stałych. Poprzedza je parowanie połączone z mieszaniem się par z powietrzem. Zapalenie nastąpi z chwilą gdy osiągnięte zostanie odpowiednie stężenie (nie niższe od dolnej granicy zapalności a tlenu w mieszaninie będzie nie mniej niż 12 % objętości) i pojawi się bodziec energetyczny.

SCHEMAT SPALANIA CIECZY:

PROCES SPALANIA GAZÓW:

Spalanie gazów może przebiegać dyfuzyjny lub kinetyczny (wybuchowe).Wydzielające się gazy z urządzeń technologicznych czy butli  na otwartą przestrzeń stwarzając niebezpieczeństwo rozprzestrzeniania się pożaru.

Schemat spalania gazów:

MACHANIZM SPALANIA GAZÓW- spalać się mogą zarówno dyfuzyjnie jak i kinetycznie. Największe zagrożenie znajduje się wtedy, gdy gaz spala się kinetycznie. W kinetycznym reżimie spalania, paliwo fazowe i powietrze (utleniacz) przed zapaleniem są wstępnie zmieszane. W celu zapoczątkowania reakcji spalania w mieszaninie palnej, niezbędne jest dostarczenie do mieszaniny energii cieplnej w postaci np. iskry elektrycznej. W wyniku zapalenia mieszaniny powstaje czoło płomienia przemieszczające się już samoczynnie poprzez całą pozostałość mieszaniny. W takich warunkach spalanie przebiega z dużymi szybkościami. Są one określone przede wszystkim szybkością utleniania a nie względnie wolnym, fizycznym procesem mieszania się paliwa z powietrzem, która to szybkość określa zachowania się paliw podczas spalania dyfuzyjnego.

Spalanie kinetyczne:

-bez wzrostu ciśnienia → zapłon→ ciśnienie zerowe→ prędkość spalania do 5 m\s

- ze wzrostem ciśnienia:

              *→ wyfuknięcie→ ciśnienie do 15 kPa→ prędkość spalania 4-10 m\s

              *→ wybuch → ciśnienie do 100 kPa → prędkość spalania do 100 m\s

              * → detonacja → ciśnienie do 1000 kPa→ prędkość  spalania powyżej 100 m\s

Niebezpieczeństwo wybuchu gazów i par w mieszaninie powietrza opisuje się przez podanie:

- szybkości rozprzestrzeniania się płomienia

- temperatury zapalenia

- granic wybuchowości

WYBUCH- jest to zespół zjawisk towarzyszących bardzo szybkiemu przejściu układu z jednego stanu równowagi w drugi z wyzwoleniem znacznej ilości energii. Wybuchy dzielą się ogólnie na:

- fizyczne- jest to taki wybuch, podczas którego składniki układu nie ulegają reakcjom chemicznym, np. wybuch kotła parowego, wybuch butli z tlenem, zbiornika ze skroplonym gazem itd. Czyli po wybuchu substancja w wyniku rozprężania której wybuch nastąpił, jest tą samą substancją, przykładowo podczas wybuchu fizycznego kotła parowego przed i po wybuchu jest ten sam związek chemiczny – para wodna(H2O).

- chemiczne- jest to bardzo szybko przebiegająca egzotermiczna reakcja spalania, której towarzyszy powstawanie dużej ilości gazowych produktów spalania. Np. podczas wybuchu 1 k pyłu skrobi tworzy się ok. 4 m3 produktów spalania, co w konsekwencji powoduje wzrost ciśnienia. W zależności od mechanizmu i prędkości przebiegu reakcji, wybuchy chemiczne dzielą się na:

* deflagracja - jest to taki wybuch chemiczny, podczas którego powstała energia cieplna, zgromadzona w produktach spalania, przekazywana jest od warstwy spalającej się do warstwy nieobjętej spalaniem, w drodze przewodnictwa i promieniowania. Prędkość linowa deflagracja zależna jest od ciśnienia zewnętrznego.

* detonacja- jest to zjawisko wybuchu przebiegające z dużą, stałą prędkością liniową. Detonacja charakteryzuje się powstanie tzw. fali detonacyjnej, czyli uderzeniowej, na czele której powstaje bardzo wysokie ciśnienie (rzędu kilkuset tysięcy KG/cm2) i bardzo wysoka temperatura.

Wysokość ciśnień tworzących się podczas detonacji zależy od szybkości spalania mieszaniny. Im jest ona wyższa tym powstają wyższe ciśnienia. Jest to spowodowane:

+ rozprężaniem się gazów powybuchowych, poruszających się odśrodkowo z wielką prędkością przesuwających warstwy otaczającego miejsce powstania detonacji powietrza,

·         rozprzestrzenianiem się fali uderzeniowej z prędkością naddźwiękową. W wyniku rozprzestrzeniania się fala detonacyjna stopniowo traci energię, zmniejsza prędkość i na dalszych odległościach przechodzi w falę akustyczną.

Granice wybuchowości są zmienne i zależą od:

·         ciśnienia,

·         temperatury,

·         bodźca termicznego,

·         ilości gazu obojętnego w mieszaninie,

·         składu,

·         miejsca zainicjowania zapłonu i dalszego kierunku rozprzestrzeniania się płomienia,

·         stężenia tlenu w mieszaninie,

Podział gazów ze względu na DGW:

·         do 10% - bardzo niebezpieczne,

·         ponad 10% - mniej niebezpieczne.

CIŚNIENIE - w miarę obniżania się ciśnienia, zakres granic wybuchowości mieszanin zwęża się aż do zrównania dolnej i górnej granicy wybuchowości, czyli dla każdej mieszaniny gazów istnieje pewne krytyczne ciśnienie, poniżej której właściwości wybuchowe i zdolność do zapalenia się przestają istnieć. Natomiast gdy ciśnienie rośnie, granice wybuchowości zdążają do określonych wartości lub w wielu przypadkach nie zmieniają się. Zmianę granic wybuchowości w zależności od zmiennego ciśnienia wytłumaczyć można zmianą szybkości rozprzestrzeniania się płomienia. Rozprzestrzenianie się płomienia na całą objętość mieszaniny może zaistnieć tylko w tym przypadku, kiedy od zapalonej warstwy gazu do jeszcze niezapalonej warstwy gazu przekazana będzie odpowiednia ilość ciepła.

TEMPERATURA ...