Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
125
Рис. 77. Схема кислородно-ацетиленовой горелки
личного типа горелок (для сварки и резки металлов, резки бетона, пайки стекла и кварца) или газовых печей (металлургия и термообработка металлов), но и для работы двигателей внутреннего сгорания, реактивных двигателей авиационного типа и др.
Все реакции полимеризации, используемые для синтеза промыш-ленно важных полимеров (полиэтилен, полипропилен, тефлоны, каучуки, полистирол и т.д.), идут по механизму цепных реакций (см. гл. 15).
Для того чтобы использовать цепные реакции в стационарных условиях, необходимо уметь управлять ими и регулировать процесс в соответствии с заданным режимом. Основные элементы управления заключены в самой природе этих процессов и сводятся к следующему: 1) регулировать число активных центров; 2) соразмерять скорость цепного процесса с общей скоростью химической реакции.
Рассмотрим эти два принципа на самом простом примере — конструкции газовой горелки для сварки или резки металлов (рис. 77). Кислород и ацетилен подаются к месту горения по тонким трубам из хорошо проводящего тепло металла (медь). Благодаря их малым диаметрам создается большая удельная поверхность стенки, которая является местом исчезновения активных центров, что необходимо для того, чтобы не пропустить развитие цепной реакции внутрь прибора («проскок»).
Давление кислорода и ацетилена регулируют так, чтобы скорость истечения газов из сопла соответствовала скорости распространения пламени. Как видно из "приведенных на рис. 78 кривых зависимости скорости распространения пламени в газовых смесях, максимальная скорость соответствует стехиометрическому составу, так как избыток какого-либо компонента можно рассматривать как примесь. Скорость распространения пламени в воздушных смесях (N2 — примесь) значительно ниже, чем в чистом кислороде.
Если скорость истечения газовой смеси из сопла приблизительно равна скорости распространения фронта пламени, мы получим стабильное горение (рис. 79, а). Если скорость истечения выше, чем скорость горения, то пламя сорвется с горелки и будет гореть на некотором расстоянии от среза сопла (рис. 79, б) или вообще исчезнет. Если скорость истечения газов меньше скорости горения, то пламя затягивается внутрь («проскок»).
Нормальное пламя не является однородным. На рис. 79, а показаны его отдельные зоны.
Зона 1 — место зарождения активных центров за счет диссоциации молекул и их возбуждения. Температура в этой зоне не высокая, так как развиваются в ней главным образом эидотермич-ные процессы. Это «голубой конус» обычных газовых горелок лабо-
126
раторного и бытового назначения. В ацетилено-кислородном пламени он не виден, так как находится внутри зоны 2.
3 о н а 2 — активное горение за счет высокой концентрации активных центров, выбрасываемых из зоны 1 потоком газа. Это зона наиболее высокой температуры. Наивысшая температура пламени (для ацетилена ~ 3300 К) находится в верхней части зоны.
3 о н а 3 — область догорания или ореол пламени с постепенно понижающейся температурой.
Расчет конструкции горелки или процесса в цилиндре двигателя внутреннего сгорания сложен и требует специальных знаний.
Влияние на скорость цепных реакций в газах внешних физических условий (Т; р) весьма велико. Для реакций горения смесей газов или паров наиболее важной характеристикой является температура самовоспламенения. При низких температурах вероятность зарождения активных частиц настолько мала, что цепная реакция самопроизвольно, развиваться не может и поэтому, например, даже смесь водорода с кислородом не представляет собой опасность. При температуре самовоспламенения зарождение активных частиц становится возможным, и _______ ____
далее цепная реакция разви- #
вается самопроизвольно с возрастающей скоростью. Рис- 7Э- Пламя горелки:
1 гг. а - нор мил ыки' горение; б - пламя горелки
1емпература самовоспламеие- перед «срышш»
177
р, кПа
ния является функцией давления (р) и при малых давлениях для самовоспламенения -требуется более высокая температура, так как, несмотря на большую продолжительность жизни активной частицы, число ее активных столкновений будет мало. Однако и при больших давлениях для самовоспламенения все равно требуется высокая температура, так как возрастание концентрации газовых молекул увеличивает вероятность обрыва цепи за счет большего числа столкновений и уменьшает продолжительность жизни активной частицы. Зависимость температуры самовоспламенения от давления может быть передана уравнением
683 703
763 ТК
Рис. 80. Зависимость температуры самовоспламенения от давления для гремучего газа
п А
(5.22)
где р — давление; Т0 — температура самовоспламенения; А, В, п — постоянные величины; Т — температура опыта.
На рис. 80 приведена типичная кривая зависимости температуры самовоспламенения гремучего газа 2Н2 + 02 от давления газовой смеси («полуостров воспламенения»). Аналогичные кривые построены и для других горючих газовых смесей. Рассмотрение хода кривой на рис. 80 показывает невозможность самовоспламенения в вакууме.
