Диффузионное горение – это горение неперемешанных газо-, паровоздушных смесей с воздухом. Другими словами это режим горения, при котором газо-, паровоздушные смеси (газов, жидкостей) предварительно не перемешаны с воздухом (окислителем).
Оно свойственно конденсированным горючим веществам – жидкостям и твердым материалам.
Для диффузионного горения характерно наличие светящегося пламени. В зависимости от диаметра трубопровода, а также давления, при котором происходит истечение газов, диффузионное горение может быть ламинарным и турбулентным.
Для возникновения диффузионного горение необходимо, чтобы горючее вещество (материал) было нагрето источником зажигания до температуры воспламенения.
Диффузионное горение сопровождается, как правило, сажеобразованием, что характерно для турбулентных факелов, образуемых при горении нефтепродуктов в резервуарах.
К диффузионному горению относятся различные очаги пожаров.
Диффузионное горение характеризуется постоянным притоком горючего вещества в зону горения и смешением его с окислителем.
Большинство горючих веществ горит в газовой фазе (горючие жидкости, пластмассы и др.), т.е. при нагревании эти вещества создают над своей поверхностью паровое пространство, из которого частицы горючего вещества поступают в зону смешения с кислородом воздуха.
В случае диффузионного горения пламя, образующееся над горючим веществом, имеет три зоны (рис. 1), каждая из которых характеризуется различными составом и температурой.
Рис. 1. Схема диффузии кислорода в зоне горения газа
В 1 зоне – газы или пары. Горение не происходит. Температура не превышает 500 °С. Происходит разложение, пиролиз летучих и нагрев до температуры самовоспламенения.
Во 2 зоне – смесь паров (газов) с кислородом воздуха и происходит неполное сгорание до СО с частичным восстановлением до углерода (мало кислорода):
CnHm + O2 → CO + CO2 + Н2О;
2CO = CO + C.
В 3 внешней зоне – полное сгорание продуктов второй зоны и наблюдается максимальная температура пламени:
2CO+O2=2CO2;
C+O2=CO2.
Высота пламени пропорциональна коэффициенту диффузии и скорости потока газов и обратно пропорциональна плотности газа.
Диффузионное горение имеет место в условиях, когда горючее и окислитель диффундируют в зону реакции с противоположных сторон; таково, например, горение свечи, фитиля. Если при этом константа скорости k реакции горения много меньше константы скорости диффузии β, реагенты успевают перемещаться, и реакция протекает в обычном кинетическом режиме (относительно низкотемпературном). При k >> β реагенты взаимодействуют тотчас же после их поступления в зону реакции, прежде чем они полностью перемешаются, и реакция протекает в режиме горения, т.е. при высоких температурах.
Отношение диффузионных потоков реагентов определяется стехиометрией реакции; концентрации горючего и окислителя в зоне реакции малы, основной компонент смеси – продукты сгорания, которые диффундируют в области, занятые горючим и окислителем (рис. 2). Выделяющееся при реакции тепло передается горючему и окислителю, которые поступают в зону реакции нагретыми до высокой температуры. В отличие от горения перемешанных смесей, температура диффузионного горения зависит от отношения D/х. При D = х она совпадает с температурой горения перемешанной стехиометрической смеси горючего и окислителя, с уменьшением D/x – падает. По этой причине диффузионное горение не реализуется в конденсированных средах, для которых значения D/х очень малы; помимо газофазных систем, диффузионное горение характерно для гетерогенных реакций на поверхности (горение твердых веществ, гетерогенно-каталитическое горение).
Рис. 2. Распределение концентрации окислителя (1), горючего (2), продуктов реакции (3) и температуры смеси (4) во фронте диффузионного горения
где:
х – пространственная координата;
ТГ – адиабатическая температура горения.
Массовая скорость m диффузионного горения определяется скоростью диффузии реагентов в зону реакции. Рост m с увеличением скорости диффузии возможен лишь до определенного предела. Это предельное значение m близко по величине к массовой скорости горения в пламени, распространяющемся по стехиометрической смеси горючего и окислителя. По достижении предельного значения m реакция переходит в низкотемпературный кинетический режим (происходит срыв горения). От начальной температуры реагентов Т0 m практически не зависит, однако при некотором минимальном для данного набора остальных параметров значении Т0 диффузионное горение невозможно.
Дополнительно о кинетическом горении, его видах и характеристике
читайте в материале по ссылке >>
Источники: Диффузионное горение жидкостей. Блинов В.И., Худяков Г.Н. –М., 1961; Химическая энциклопедия в 5 томах. Том 1. Кнунянц И.Л., Зефиров Н.С., Кулов Н.Н.