Diffusion et combustion cinétique. Combustion cinétique et diffusionnelle des gaz Fondements de la théorie de la diffusion et de la combustion cinétique

Les systèmes combustibles peuvent être chimiquement homogènes ou hétérogènes. À chimiquement homogène Il s'agit notamment des systèmes dans lesquels les substances inflammables et l'air sont uniformément mélangés (mélanges de gaz, vapeurs ou poussières inflammables avec l'air). À chimiquement hétérogène Il s'agit notamment des systèmes dans lesquels les matières inflammables et l'air ne sont pas mélangés et présentent des interfaces : matières combustibles solides et liquides dans l'air, jets de gaz et vapeurs inflammables entrant dans l'air, etc.

Un exemple de combustion de vapeurs et de gaz (combustion homogène) est la combustion de vapeurs s'élevant de la surface libre d'un liquide, ou la combustion de gaz sortant d'un tuyau. Étant donné que la pression partielle de l'oxygène dans l'air est de 21,2 kPa et que la pression dans la zone de combustion est nulle, l'oxygène de l'air se diffuse à travers la couche de produits de combustion jusqu'à la zone de combustion. Par conséquent, la vitesse de la réaction de combustion dépend de la vitesse de diffusion de l’oxygène.

Un exemple de combustion à la surface d'un solide (combustion hétérogène) est la combustion de l'anthracite, du coke et du charbon de bois. Dans ce cas, la diffusion de l'oxygène vers la zone de combustion est également entravée par les produits de combustion, comme le montre le schéma. La concentration en oxygène dans le volume d'air (C 1) est nettement supérieure à sa concentration à proximité de la zone de combustion (Co). En l'absence d'une quantité suffisante d'oxygène dans la zone de combustion, la réaction chimique de combustion est inhibée.

Ainsi, le temps de combustion total d'un système combustible chimiquement inhomogène comprend le temps nécessaire à l'apparition d'un contact physique entre la substance combustible et l'oxygène de l'air f, et
temps consacré à la réaction chimique elle-même x

Dans le cas d'une combustion homogène, la valeur de φ est appelée temps de formation du mélange, et dans le cas d'une combustion hétérogène, temps de transport de l'oxygène de l'air vers la surface de combustion solide.

Selon le rapport de φ et x, la combustion est appelée diffusion ou cinétique. Lors de la combustion de systèmes combustibles chimiquement inhomogènes, le temps de diffusion de l'oxygène vers la substance combustible est disproportionnellement plus long que le temps nécessaire pour que la réaction chimique se produise, c'est-à-dire φ >> x, et pratiquement φ x. Cela signifie que le taux de combustion est déterminé par le taux de diffusion de l'oxygène vers la substance combustible. Dans ce cas, le processus se déroulerait dans la région de diffusion. Ce type de combustion est appelé diffusion. Tous les incendies sont des combustions par diffusion.

Si la durée de l'étape physique du processus s'avère disproportionnellement inférieure au temps nécessaire pour que la réaction chimique se produise, c'est-à-dire<< х, то можно принять г х. Скорость процесса практически определяется только скоростью химической реакции. Такое горение называется cinétique. C'est ainsi que brûlent les systèmes combustibles chimiquement homogènes, dans lesquels les molécules d'oxygène sont bien mélangées aux molécules de la substance combustible et aucun temps n'est consacré à la formation du mélange. Étant donné que la vitesse de réaction chimique à haute température est élevée, la combustion de tels mélanges se produit instantanément et a le caractère explosion.

Flamme de diffusion

L'espace dans lequel les vapeurs et les gaz brûlent s'appelle flamme ou une torche. La flamme peut être cinétique ou diffusive selon qu'un mélange préalablement préparé de vapeurs ou de gaz avec de l'air brûle ou qu'un tel mélange se forme dans la flamme pendant le processus de combustion. En cas d'incendie, les gaz, les liquides et les solides brûlent par diffusion de flammes.

La structure de la flamme de diffusion dépend de manière significative de la section transversale du flux de vapeurs et de gaz inflammables et de sa vitesse. En fonction de la nature de l'écoulement, on distingue les flammes à diffusion laminaire et turbulente. Une flamme laminaire se produit lorsque de petites sections du flux de vapeurs ou de gaz se déplacent à faible vitesse (la flamme d'une bougie, une allumette, du gaz dans un brûleur de petit diamètre, etc.). Lors d'incendies, des flammes turbulentes se forment. Il a été moins étudié et les principes de la théorie de la flamme laminaire sont utilisés pour expliquer ce phénomène.

La flamme est constituée d'une zone de combustion et d'une zone de vapeur, cette dernière
occupe presque tout le volume de la flamme. Une flamme de structure similaire se forme également lors de la combustion de gaz et de solides, si la vitesse de déplacement des gaz et des vapeurs correspond au régime laminaire.

La zone de combustion dans une flamme de diffusion est une couche très fine dans laquelle se produit la réaction de combustion. La transformation des substances et le dégagement de chaleur dans cette couche provoquent l'apparition d'une diffusion moléculaire dans les couches adjacentes d'air et de carburant. La cause de la diffusion moléculaire est la différence de pressions partielles et de températures des gaz impliqués dans la combustion.

La distribution des concentrations de gaz et de vapeurs dans une flamme à diffusion laminaire et son environnement reflète les processus de diffusion se produisant dans la flamme. Émergent
dans la zone de combustion, les produits de combustion se diffusent à la fois dans l'air et dans des vapeurs et gaz inflammables. Dans une flamme de petite taille, les produits de combustion se retrouvent dans tout le volume de la zone de vapeur et de gaz, et dans une flamme de grande taille uniquement dans la couche adjacente à la zone de combustion. La concentration en oxygène dans la zone de combustion est nulle car elle réagit complètement. En raison de
Cependant, l’oxygène ne peut pas diffuser dans la zone de vapeur et il n’y a pas de combustion dans celle-ci.

Une flamme turbulente diffère d'une flamme laminaire en ce qu'elle n'a pas de contours clairs et une position constante du front de flamme. Sa température lors de la combustion de produits pétroliers est de : 1 200 °C pour l'essence, 1 100 °C pour le kérosène de tracteur, le carburant diesel, le pétrole brut et 1 000 °C pour le fioul. Lors de la combustion de bois en tas, la température de la flamme turbulente est de 1 200 à 1 300 °C.

Consommation d'air de combustion

La quantité minimale d'air requise pour la combustion complète d'une unité de masse (kg) ou de volume (m 3) d'une substance combustible est dite théoriquement nécessaire et est désignée V o c.

Substance inflammable -

Pour ces substances inflammables, quel que soit leur état d'agrégation, la quantité d'air théoriquement requise est déterminée à partir des équations de réaction de combustion. Sur m kmol de substance combustible représenté n kmol d'oxygène et d'azote de l'équation de la réaction de combustion. Ayant désigné la masse (en kg) d'une substance inflammable, numériquement égale à sa masse moléculaire, par M, constituer la proportion

MT kg- n 22,4 m3

1 kg - V o en m 3,

où 22,4 est le volume de 1 kmol de gaz (à O °C et 101325 Pa).

Théoriquement, le volume d'air requis pour la combustion de 1 kg de substance est égal (à partir de la proportion)

Si le volume d'air obtenu selon la formule (1) doit être amené à d'autres conditions, alors utilisez la formule

Où T- régler la température du gaz, K ;

r- pression de réglage, Pa.

Le volume d'air théoriquement requis pour la combustion de 1 m 3 de gaz combustibles est déterminé par la formule

Substance inflammable -

Ces substances sont le bois, la tourbe, le charbon, etc. Pour déterminer le volume d'air théoriquement requis, vous devez connaître la composition élémentaire de la substance combustible, exprimée en pourcentage en masse, c'est-à-dire la teneur en C, H, O, S, N, cendres (A), humidité (W). La composition élémentaire d'une substance est déterminée dans un laboratoire d'analyse. Pour calculer V o in , Écrivons l'équation de la réaction de combustion du carbone, de l'hydrogène et du soufre et le rapport massique des réactifs

C + O 2 = CO 2 2H 2 + O 2 = 2H 2 O S + O 2 = SO 2

12 + 32 = 44 4 + 32 = 36 32 + 32 = 64

Si la combustion de 12 kg de carbone nécessite 32 kg d'oxygène, alors pour 0,01 kg de carbone, soit 1% (poids), il faudra de l'oxygène 0,01 32/12 = 0,01 8/3 kg, pour l'hydrogène, respectivement 0,01 ·32/4 = 0,01,8 kg il faudra et pour le soufre 0,01·32/32 = 0,01·1 kg d'oxygène.

Pour une combustion complète de 1 kg de substance combustible, de l'oxygène est nécessaire (en kg)

[C] + 8 0,01 [N] + 0,01 [S] - 0,01 [O]

où [C], [H], [S], [O] est la teneur en carbone, hydrogène, soufre et oxygène d'une substance combustible, % (masse).

Pour la quantité calculée d’oxygène dans l’air, il y a 77/23 fois plus d’azote. La somme de l'azote et de l'oxygène est la masse d'air L o in (en kg) nécessaire à la combustion de 1 kg de substance

Après transformation on obtient

L o in = 0,3478 (4)

Pour exprimer la quantité d'air en unités volumétriques, il faut diviser le côté droit de l'expression (4) par la masse de 1 m3 d'air dans des conditions normales, soit par 1,293 kg/m3. En conséquence nous obtenons

V o v = 0,269 (5)

Substance inflammable - mélange de gaz.

Ce groupe de substances comprend les gaz inflammables, par exemple les gaz naturels, les hauts fourneaux, le coke, etc. Tous contiennent du CO, CH 4, H 2, H 2 S, C 2 H 4, etc. les gaz sont généralement exprimés en pourcentage volumique. Pour dériver la formule de calcul de V o in, nous écrivons l'équation
réactions de combustion des gaz les plus courants :

CH 4 + 2O 2 = C0 2 + 2H 2 O H 2 S + 1,5O 2 = H 2 O + S0 2

2CO + 0 2 = 2CO 2 2H 2 + O 2 = 2H 2 O

Si la combustion de 1 m 3 de méthane nécessite 2 m 3 d'oxygène, comme le montre l'équation, alors la combustion de 0,01 m 3 de méthane, soit 1 % (vol.), nécessitera 0,01,2 m 3 de oxygène. Pour la combustion de 1 m 3 de monoxyde de carbone, il faut 0,01/2 m 3 d'oxygène, la même quantité d'oxygène est nécessaire pour la combustion de 1 m 3 d'hydrogène, et pour la combustion de sulfure d'hydrogène, 0,01·1,5 m 3 d'oxygène sont nécessaires.

Pour une combustion complète de 1 m 3 de gaz combustible, de l'oxygène est nécessaire (en m 3)

0,01 2[CH4] +

où [CH 4 ], [H 2 ], [CO], [H 2 S] et est la teneur en méthane, hydrogène,
monoxyde de carbone, sulfure d'hydrogène et oxygène, % (vol.).

Dans l'air, ce volume d'oxygène représente 79/21 fois plus d'azote. La somme de l'azote et de l'oxygène est le volume (m3) d'air nécessaire à la combustion de 1 m3 de gaz

Après transformation on obtient

Comme le montre l'équation (6), les nombres de son numérateur sont les coefficients de l'oxygène dans les équations des réactions de combustion. Par conséquent, si le gaz contient d’autres composants inflammables, ils peuvent être mis dans l’équation (6) avec des coefficients tirés de leurs équations de combustion.

En pratique, la combustion lors d’un incendie consomme beaucoup plus d’air que ce qui est théoriquement nécessaire. La différence entre la quantité d'air pratiquement consommée pour la combustion et la quantité théoriquement requise est appelée excès d'air. Le rapport entre la quantité d'air pratiquement consommée pour la combustion (V inc) et la quantité théoriquement nécessaire est appelé coefficient d'excès d'air et est noté

Considérant que la concentration en oxygène dans l'air est de 21 % (vol.) et que le pourcentage d'oxygène libre dans les produits de combustion est déterminé à partir de l'analyse, vous pouvez facilement trouver le coefficient d'excès
air

Produits de combustion. Fumée

Les produits de combustion sont des substances gazeuses, liquides et solides résultant de la combinaison d'une substance combustible avec de l'oxygène au cours du processus de combustion. Leur composition dépend de la composition de la substance en combustion et de ses conditions de combustion. Lorsqu'ils brûlent dans une quantité d'air suffisante et à haute température, les produits d'une combustion complète se forment : CO 2, H 2 0, N 2. Lors d'une combustion dans une quantité d'air insuffisante ou à basse température, en plus des produits de combustion complète, des produits de combustion incomplète se forment : CO, C (suie).

Les produits de combustion sont des substances inorganiques telles que le soufre, le phosphore, le sodium, le potassium, le calcium, l'aluminium, le titane, le magnésium, etc.
dans la plupart des cas, ce sont des substances solides, par exemple P 2 O 5, Na 2 O 2, CaO, MgO. Ils se forment à l'état dispersé, ils s'élèvent donc dans l'air sous forme de fumée dense. Les produits de combustion de l'aluminium, du titane et d'autres métaux sont en fusion pendant le processus de combustion.

La fumée est un système dispersé constitué de minuscules particules solides en suspension dans un mélange de produits de combustion avec l'air. Le diamètre des particules de fumée varie de 1 à 0,01 microns.

La fumée contient des produits de décomposition thermo-oxydante de substances inflammables. Ils se forment lors du chauffage de substances inflammables qui ne brûlent pas encore et se trouvent dans un environnement d'air ou de fumée contenant de l'oxygène.

Les produits d'une combustion incomplète et d'une décomposition thermo-oxydante sont, dans la plupart des cas, des substances toxiques, c'est pourquoi l'extinction des incendies dans les locaux est effectuée uniquement avec des masques à gaz isolants à oxygène.

Substance inflammable - composé chimique individuel.

Dans ce cas, le calcul est effectué sur la base de l'équation de la réaction de combustion. Le volume de produits de combustion humide par unité de masse (kg) d'une substance combustible dans des conditions normales est calculé à l'aide de la formule

V p..s. = (9)

où V p..s. - volume de produits de combustion humides, m 3 /kg ; m co2, m n2o, m N 2, m montagnes - le nombre de kilomoles de dioxyde de carbone, de vapeur d'eau, d'azote et de substances combustibles dans l'équation de la réaction de combustion ; M.- masse de substance inflammable, numériquement égale au poids moléculaire, kg.

Substance inflammable - mélange complexe de composés chimiques.

Si la composition élémentaire d'une substance combustible complexe est connue, la composition et la quantité de produits de combustion de 1 kg de substance peuvent être déterminées à partir de l'équation de la réaction de combustion des éléments individuels. Pour ça
composer des équations pour la réaction de combustion du carbone, de l'hydrogène, du soufre et déterminer le volume de produits de combustion pour 1 kg de substance combustible. L'équation de la réaction de combustion du carbone a la forme

C + O 2 + 3,76 = CO 2 + 3,76 N 2

Quand 1 kg de carbone est brûlé, le résultat est 22,4/12 = 1,86 m3
CO 2 et 22,4 · 3,76/12 = 7,0 m 3 N 2.

Lorsque le carbone, l’hydrogène et le soufre brûlent, l’oxygène provient de l’air. Cependant, la substance combustible peut contenir de l'oxygène, qui participe également à la combustion. Dans ce cas, moins d’air est consommé pour la combustion de la substance.

La substance combustible peut contenir de l'azote et de l'humidité qui, pendant le processus de combustion, deviennent des produits de combustion. Pour les prendre en compte, il faut connaître le volume de 1 kg d'azote et de vapeur d'eau dans des conditions normales. Le volume de 1 kg d'azote est de 0,8 m3 et le volume de vapeur d'eau est de 1,24 m3.

Dans l'air à 0°C et sous une pression de 101325 Pa, pour 1 kg d'oxygène il y a 3,76 · 22,4/32 = 2,63 m 3 d'azote.

Sur la base des données fournies, déterminez la composition et le volume des produits de combustion de 1 kg de substance combustible

Substance combustible - un mélange de gaz.

La quantité et la composition des produits de combustion pour un mélange de gaz sont déterminées par l'équation de la réaction de combustion des composants qui composent
mélange. Ensuite, la composition et la quantité de produits de combustion du mélange gazeux sont déterminées.

L'analyse des produits de combustion issus des incendies dans différentes pièces montre qu'ils contiennent toujours une quantité importante d'oxygène. Si un incendie se produit dans une pièce avec une fenêtre, une porte ou d'autres ouvertures fermées, l'incendie en présence de combustible peut se poursuivre jusqu'à ce que la teneur en oxygène du mélange d'air avec les produits de combustion dans la pièce diminue à 14-16 % (vol. ). Ainsi, lors d'incendies dans des espaces clos, la teneur en oxygène des produits de combustion peut varier de 21 à 14 % (vol.).

Chaleur de combustion

Les réactions accompagnées d'absorption de chaleur, ainsi que les composés formés au cours de ce processus, sont appelées endothermiques. Sans chauffage externe, la réaction endothermique s'arrête.

Les réactions accompagnées d'un dégagement de chaleur, ainsi que les composés formés au cours de ce processus, sont appelés exothermiques. Toutes les réactions de combustion sont exothermiques. En raison du dégagement de chaleur, ceux-ci, apparus à un moment donné, sont capables de se propager à toute la masse des substances en réaction.

la loi de Hess est la suivante : l'effet thermique d'une transformation chimique ne dépend pas du chemin parcouru par la réaction, mais dépend uniquement des états initial et final du système, à condition que la température et la pression (ou le volume) au début et la fin de la réaction est la même.

Le méthane peut être produit à partir de 1 mole de carbone et 2 moles d'hydrogène. Lorsque le méthane est brûlé, il produit 2 moles d’eau et 1 mole de dioxyde de carbone.

C + 2H 2 = CH 4 + 74,8 kJ (Q)

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q montagnes

Les mêmes produits sont formés par la combustion de l'hydrogène et du carbone. Au cours de ces réactions, la quantité totale de chaleur dégagée est de 963,5 kJ.

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + 570,6 kJ

C+ O2 = CO2 + 392,9 kJ

963,5 kJ (Q)

Puisque les produits initial et final sont les mêmes dans les deux cas, leurs effets thermiques totaux doivent être égaux selon la loi de Hess, c'est-à-dire

Q 1 + Q montagnes = Q

Q montagnes = Q - Q 1

par conséquent, la chaleur de combustion du méthane sera égale à

Montagnes Q = 963,5 - 74,8 = 888,7 kJ/mol

Ainsi, la chaleur de combustion d'un composé chimique (ou de leur mélange) est égale à la différence entre la somme des chaleurs de formation des produits de combustion et la chaleur de formation du composé chimique brûlé (ou des substances qui composent le mélange combustible ). Par conséquent, pour déterminer la chaleur de combustion des composés chimiques, il est nécessaire de connaître la chaleur de leur formation et la chaleur de formation des produits obtenus après combustion.

La chaleur de combustion est déterminée expérimentalement dans une bombe calorimétrique et un calorimètre à gaz. Il existe des valeurs calorifiques supérieures et inférieures. Pouvoir calorifique plus élevé Q in est la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion complète de 1 kg ou 1 m 3 d'une substance combustible, à condition que l'hydrogène qu'elle contient brûle pour former de l'eau liquide.

Pouvoir calorifique inférieur Qn est la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion complète de 1 kg ou 1 m 3 d'une substance combustible, à condition que l'hydrogène soit brûlé jusqu'à ce que de la vapeur d'eau se forme et que l'humidité de la substance combustible soit évaporée.

Les chaleurs de combustion supérieures et inférieures des substances combustibles solides et liquides peuvent être déterminées à l'aide des formules de D. I. Mendeleev

Q en = 339,4 + 1257 - 108,9 (12)

Qn = 339,4 + 1257 - 108,9 - 25,1(9 + W), (13)

où Q in, Q n - pouvoir calorifique supérieur et inférieur, kJ/kg ; [S], [N],
[O], [S], W - teneur en carbone, hydrogène,
oxygène, soufre combustible et humidité, %.

Il existe une limite inférieure du pouvoir calorifique en dessous de laquelle les substances deviennent incapables de brûler dans l'atmosphère. Les expériences montrent que les substances sont ininflammables à moins qu'elles ne soient classées comme
explosifs et si leur pouvoir calorifique inférieur dans l'air ne dépasse pas 2100 kJ/kg. Par conséquent, la chaleur de combustion peut servir d’estimation approximative de l’inflammabilité des substances. Il convient toutefois de noter que l’inflammabilité des solides et des matériaux dépend en grande partie de leur état. Ainsi, une feuille de papier, facilement enflammée par la flamme d'une allumette, lorsqu'elle est appliquée sur la surface lisse d'une plaque métallique ou d'un mur de béton, devient difficile à brûler. Par conséquent, l'inflammabilité des substances dépend également du taux d'évacuation de la chaleur de la zone de combustion.

Si de la suie se forme lors de la combustion, la substance combustible émet par conséquent moins de chaleur que la quantité indiquée dans les tableaux. Pour les substances riches en carbone, le coefficient de sous-combustion est de 0,8 à 0,9. Par conséquent, lors d'incendies lors de la combustion de 1 kg de caoutchouc, ce n'est pas 33 520 kJ qui peuvent être libérés, mais seulement 33 520 0,8 = 26 816 kJ.

La taille d'un incendie est généralement caractérisée par la zone de l'incendie. La quantité de chaleur dégagée par unité de surface d'un incendie par unité de temps est appelée la chaleur du feu Q p

où v m est le taux d'épuisement massique, kg/(m 2 s).

Température de combustion

La température à laquelle les produits de combustion sont chauffés pendant le processus de combustion est appelée température de combustion. Il existe des températures de combustion calorimétriques, théoriques et réelles. La température de combustion réelle en cas d'incendie est appelée température du feu.

Par température calorimétrique de combustion, on entend la température à laquelle sont chauffés les produits de combustion complète dans les conditions suivantes :

I) toute la chaleur dégagée lors de la combustion est dépensée en chauffage
réduction des produits de combustion (la perte de chaleur est nulle) ;

2) températures initiales de l'air et de la substance combustible
égal à 0°C ;

3) la quantité d'air est égale à la quantité théoriquement requise ( =1) ;

4) une combustion complète se produit.

La température calorimétrique de combustion dépend uniquement de la composition de la substance combustible et ne dépend pas de sa quantité.

Pour évaluer les conditions d'incendie, seule la température calorimétrique est utilisée.
température de combustion et température du feu. Il existe une distinction entre les températures d'incendie internes et externes.

La température interne du feu est la température moyenne des fumées dans la pièce où se produit l'incendie.

Température du feu externe - température de la flamme.

Lors du calcul de la température calorimétrique de combustion et de la température du feu interne, on suppose que la chaleur de combustion inférieure Qn de la substance combustible est égale à l'énergie qg nécessaire pour chauffer les produits de combustion de 0°C à la température calorimétrique de combustion.

La quantité q g sera classiquement appelée contenu calorifique des produits de combustion

q g = С´ pm ·t g

où V p.s. - volume de produits de combustion, m 3 /kg ; С´ pm - volume moyen -
capacité thermique des produits de combustion, kJ/(m 3 K) ; t g - température de combustion, °C.

Les produits de combustion étant constitués de plusieurs substances gazeuses dont la capacité calorifique est différente, leur contenu calorifique total peut être exprimé comme suit :

q g =q RO2 + q H2O + q N2 = V RO2 C´ CO2 t g + V H2O C´ H2O t g + V N2 C´ N2 t g

où V RO2, V H2O, V N2 sont les volumes de composants des produits de combustion
(RO 2 = CO 2 + S0 2) ; С´СО2, С´Н2О, С´N2 - capacité calorifique des composants des produits de combustion (la capacité calorifique du CO 2 est prise pour le mélange CO2
et S0 2).

Pour déterminer t g, le contenu calorifique des produits de combustion est calculé à plusieurs températures et deux valeurs sont sélectionnées, entre lesquelles se situe la valeur de la chaleur inférieure de combustion de la substance. La température souhaitée est ensuite déterminée par interpolation.

Afin de juger de la nature des changements de température lors d'un incendie en fonction des différentes conditions de combustion, la notion de température moyenne non volumétrique du feu a été introduite, qui s'entend comme la valeur moyenne de la valeur
températures mesurées par des thermocouples en différents points d'un incendie interne.

Combustion homogène et hétérogène.

D'après les exemples considérés, en fonction de l'état d'agrégation du mélange combustible et comburant, c'est-à-dire selon le nombre de phases dans le mélange, on obtient :

1. Combustion homogène gaz et vapeurs de substances inflammables dans un environnement gazeux comburant. Ainsi, la réaction de combustion se produit dans un système constitué d'une seule phase (état global).

2. Combustion hétérogène substances solides inflammables dans un environnement comburant gazeux. Dans ce cas, la réaction se produit à l’interface, tandis qu’une réaction homogène se produit dans tout le volume.

Il s'agit de la combustion des métaux, du graphite, c'est-à-dire matériaux pratiquement non volatils. De nombreuses réactions gazeuses sont de nature homogène-hétérogène, lorsque la possibilité d'une réaction homogène est due à l'origine simultanée d'une réaction hétérogène.

La combustion de toutes les substances liquides et de nombreuses substances solides, à partir desquelles des vapeurs ou des gaz (substances volatiles) sont libérées, se produit en phase gazeuse. Les phases solides et liquides jouent le rôle de réservoirs de produits réactifs.

Par exemple, la réaction hétérogène de combustion spontanée du charbon passe à la phase homogène de combustion de substances volatiles. Les résidus de coke brûlent de manière hétérogène.

En fonction du degré de préparation du mélange combustible, on distingue la diffusion et la combustion cinétique.

Les types de combustion considérés (hors explosifs) concernent la combustion par diffusion. Flamme, c'est-à-dire La zone de combustion d'un mélange de carburant et d'air doit être constamment alimentée en carburant et en oxygène afin d'assurer sa stabilité. L'approvisionnement en gaz combustible dépend uniquement de la vitesse de son acheminement vers la zone de combustion. Le taux d'entrée du liquide inflammable dépend de l'intensité de son évaporation, c'est-à-dire sur la pression de vapeur au-dessus de la surface du liquide et, par conséquent, sur la température du liquide. Température d'inflammation est la température la plus basse d'un liquide à laquelle la flamme au-dessus de sa surface ne s'éteint pas.

La combustion des solides diffère de la combustion des gaz par la présence d'une étape de décomposition et de gazéification avec inflammation ultérieure des produits volatils de pyrolyse.

Pyrolyse- Il s'agit du chauffage de substances organiques à des températures élevées sans accès à l'air. Dans ce cas, il se produit la décomposition, ou la division, de composés complexes en composés plus simples (cokéfaction du charbon, craquage du pétrole, distillation sèche du bois). Par conséquent, la combustion d'une substance combustible solide en un produit de combustion n'est pas concentrée uniquement dans la zone de flamme, mais a un caractère en plusieurs étapes.

Le chauffage de la phase solide provoque la décomposition et le dégagement de gaz qui s'enflamment et brûlent. La chaleur de la torche chauffe la phase solide, la gazéifiant et le processus se répète, entretenant ainsi la combustion.

Le modèle de combustion solide suppose la présence des phases suivantes (Fig. 17) :

Riz. 17. Modèle de combustion

matière solide.

Réchauffer la phase solide. Pour les substances fondantes, la fusion se produit dans cette zone. L'épaisseur de la zone dépend de la température de conductivité de la substance ;

Pyrolyse, ou zone de réaction en phase solide, dans laquelle se forment des substances gazeuses inflammables ;

Pré-flamme en phase gazeuse, dans laquelle se forme un mélange avec un comburant ;

Flamme, ou zone de réaction en phase gazeuse, dans laquelle les produits de pyrolyse sont transformés en produits de combustion gazeux ;

Produits de combustion.

Le taux d'apport d'oxygène à la zone de combustion dépend de sa diffusion à travers le produit de combustion.

En général, étant donné que la vitesse de la réaction chimique dans la zone de combustion dans les types de combustion considérés dépend de la vitesse d'entrée des composants réactifs et de la surface de la flamme par diffusion moléculaire ou cinétique, ce type de combustion est appelé diffusion.

La structure de la flamme de combustion par diffusion se compose de trois zones (Fig. 18) :

La zone 1 contient des gaz ou des vapeurs. Il n'y a pas de combustion dans cette zone. La température ne dépasse pas 500 0 C. Il se produit une décomposition, une pyrolyse des substances volatiles et un échauffement jusqu'à la température d'auto-inflammation.

Riz. 18. Structure de la flamme.

Dans la zone 2, un mélange de vapeurs (gaz) avec l'oxygène de l'air se forme et une combustion incomplète se produit en CO avec réduction partielle en carbone (peu d'oxygène) :

C n H m + O 2 → CO + CO 2 + H 2 O;

Dans la 3ème zone extérieure, une combustion complète des produits de la deuxième zone se produit et la température maximale de flamme est observée :

2CO+O2 =2CO2 ;

La hauteur de la flamme est proportionnelle au coefficient de diffusion et au débit de gaz et inversement proportionnelle à la densité du gaz.

Tous les types de combustion par diffusion sont inhérents aux incendies.

Cinétique La combustion est la combustion de gaz, de vapeur ou de poussières inflammables pré-mélangés avec un comburant. Dans ce cas, la vitesse de combustion dépend uniquement des propriétés physico-chimiques du mélange combustible (conductivité thermique, capacité thermique, turbulence, concentration de substances, pression, etc.). Par conséquent, la vitesse de combustion augmente fortement. Ce type de combustion est inhérent aux explosions.

Dans ce cas, lorsque le mélange combustible est enflammé à un moment donné, le front de flamme se déplace des produits de combustion vers le mélange frais. Ainsi, la flamme lors d'une combustion cinétique est le plus souvent instable (Fig. 19).

Riz. 19. Schéma de propagation de la flamme dans un mélange combustible : - source d'inflammation ; - sens de déplacement du front de flamme.

Cependant, si vous mélangez d'abord le gaz inflammable avec de l'air et que vous l'introduisez dans le brûleur, une flamme stationnaire se formera une fois allumée, à condition que le débit du mélange soit égal à la vitesse de propagation de la flamme.

Si la vitesse d'alimentation en gaz augmente, la flamme se détache du brûleur et peut s'éteindre. Et si la vitesse est réduite, la flamme sera attirée dans le brûleur avec une possible explosion.

Selon le degré de combustion, c'est-à-dire exhaustivité de la réaction de combustion jusqu'aux produits finaux, la combustion se produit complet et incomplet.

Ainsi dans la zone 2 (Fig. 18) la combustion est incomplète, car L'apport d'oxygène est insuffisant, qui est partiellement consommé dans la zone 3, et des produits intermédiaires se forment. Ces derniers brûlent dans la zone 3, où il y a plus d'oxygène, jusqu'à combustion complète. La présence de suie dans la fumée indique une combustion incomplète.

Autre exemple : en cas de manque d'oxygène, le carbone brûle en monoxyde de carbone :

Si vous ajoutez O, alors la réaction se termine :

2СО+O 2 =2СО 2.

La vitesse de combustion dépend de la nature du mouvement des gaz. On distingue donc la combustion laminaire et turbulente.

Ainsi, un exemple de combustion laminaire est la flamme d’une bougie dans un air calme. À combustion laminaire des couches de gaz circulent en parallèle, sans tourbillonner.

Combustion turbulente– mouvement vortex des gaz, dans lequel les gaz de combustion sont intensément mélangés et le front de flamme est flou. La frontière entre ces types est le critère de Reynolds, qui caractérise la relation entre les forces d'inertie et les forces de frottement dans l'écoulement :

Où: toi- vitesse d'écoulement du gaz ;

n- viscosité cinétique ;

je– taille linéaire caractéristique.

Le nombre de Reynolds auquel se produit la transition d'une couche limite laminaire à une couche turbulente est appelé Re cr critique, Re cr ~ 2320.

La turbulence augmente le taux de combustion en raison d'un transfert de chaleur plus intense des produits de combustion vers le mélange frais.

Le processus de combustion dépend de nombreuses conditions, dont les plus importantes sont :

· composition du mélange combustible ;

· pression dans la zone de combustion ;

· température de réaction ;

· dimensions géométriques du système ;

· état d'agrégation du combustible et du comburant, etc.

Selon l'état d'agrégation du combustible et du comburant, on distingue les types de combustion suivants :

· homogène;

· hétérogène;

· combustion d'explosifs.

Une combustion homogène se produit dans les systèmes combustibles à gaz ou à vapeur (Fig. 1.1) (le carburant et le comburant sont uniformément mélangés les uns aux autres).

Étant donné que la pression partielle de l'oxygène dans la zone de combustion est (également) proche de zéro, l'oxygène pénètre assez librement dans la zone de combustion (il s'y trouve pratiquement), donc la vitesse de combustion est déterminée principalement par la vitesse de la réaction chimique, qui augmente avec l’augmentation de la température. Une telle combustion (ou combustion de tels systèmes) est appelée cinétique.

Figure 1.1. Schéma du processus de combustion des vapeurs ou des gaz

Le temps de combustion total dans le cas général est déterminé par la formule

t р = t Ф + t Х,

où t Ф est le temps de l'étape physique du processus (diffusion d'O 2 vers la source à travers la couche) ; t X – temps de l'étape chimique (réaction).

Lors de la combustion de systèmes homogènes (mélanges de vapeurs, de gaz avec de l'air), le temps de l'étape physique du processus est disproportionnellement inférieur à la vitesse des réactions chimiques, donc t P » t X - la vitesse est déterminée par la cinétique du produit chimique la réaction et la combustion sont appelées cinétique.

Lors de la combustion de systèmes chimiquement inhomogènes, le temps de pénétration de l'O 2 dans la substance combustible à travers les produits de combustion (diffusion) est disproportionnellement plus long que le temps de la réaction chimique, déterminant ainsi la vitesse globale du processus, c'est-à-dire t P » t F. Une telle combustion est appelée diffusion.

Des exemples de combustion par diffusion (Fig. 1.2) sont la combustion du charbon, du coke (les produits de combustion empêchent la diffusion de l'oxygène dans la zone de combustion)

Figure 1.2. Schéma de diffusion de l'oxygène dans la zone de combustion d'une substance solide

(combustion hétérogène)

La concentration en oxygène dans le volume d'air C1 est nettement supérieure à sa concentration à proximité de la zone de combustion C0. En l'absence d'une quantité suffisante d'O 2 dans la zone de combustion, la réaction chimique est inhibée (et est déterminée par le taux de diffusion).

Si la durée de la réaction chimique et l'étape physique du processus sont comparables, alors la combustion se produit dans la région intermédiaire (la vitesse de combustion est influencée à la fois par des facteurs physiques et chimiques).

À basse température, la vitesse de réaction dépend légèrement de la température (la courbe monte lentement vers le haut). À des températures élevées, la vitesse de réaction augmente considérablement (c'est-à-dire que la vitesse de réaction dans la région cinétique dépend principalement de la température des réactifs).

La vitesse de la réaction d'oxydation (combustion) dans la région de diffusion est déterminée par la vitesse de diffusion et dépend très peu de la température. Le point A est la transition de la région cinétique à la région de diffusion (Fig. 1.3).

Le processus de combustion de toutes les substances et matériaux, quel que soit leur état d'agrégation, se produit généralement en phase gazeuse (le liquide s'évapore, les substances combustibles solides libèrent des produits volatils). Mais la combustion des solides comporte plusieurs étapes. Sous l'influence de la chaleur - échauffement de la phase solide - décomposition et dégagement de produits gazeux (destruction, substances volatiles) - combustion - la chaleur réchauffe la surface du solide - entrée d'une nouvelle portion de gaz inflammables (produits de destruction) - combustion.

Riz. 1.3. Dépendance de la vitesse V cinétique (1)

et diffusion (2) sur la température. Point A – transition

de la région cinétique à la région de diffusion

De nombreuses substances combustibles solides (bois, coton, paille, polymères) contiennent de l'oxygène. Leur combustion nécessite donc moins d’oxygène de l’air. Et la combustion d'une substance explosive ne nécessite pratiquement aucun comburant externe.

Ainsi, la combustion d'un explosif est l'auto-propagation d'une zone de réaction exothermique de sa décomposition ou l'interaction de ses composants par transfert de chaleur de couche en couche.

Plus de 90 % de toute l’énergie utilisée par l’humanité aujourd’hui est générée par la combustion. La recherche scientifique sur la théorie de la combustion a commencé avec le scientifique russe V.A. Mikhelson.

Combustion– un processus physico-chimique complexe de conversion des substances et matériaux combustibles initiaux en produits de combustion, accompagné d'un dégagement intense de chaleur, de fumée et d'émission de lumière d'une flamme.

Pour qu'une telle réaction physique et chimique, à l'origine de tout incendie, se produise, la présence de trois composants essentiels est nécessaire : un milieu inflammable, une source d'inflammation et un comburant.

Environnement combustible– un milieu capable de brûler de façon autonome après le retrait de la source d'inflammation.

Source d'allumage est une source de chaleur avec une température, une énergie et une durée d'action suffisantes pour s'enflammer.

Il existe une combustion cinétique et diffusionnelle.

Combustion cinétique représente la combustion de gaz combustibles pré-mélangés et d’un comburant.

Combustion par diffusion– il s’agit d’une combustion dans laquelle le comburant pénètre dans la zone de combustion depuis l’extérieur. La combustion par diffusion, quant à elle, peut être laminaire (calme) et turbulente (inégale) dans le temps et dans l’espace.

Selon l'état d'agrégation de la substance combustible initiale, on les distingue homogène, combustion hétérogène Et combustion de systèmes condensés.

À combustion homogène le comburant et le combustible sont dans le même état d'agrégation. Ce type comprend la combustion de mélanges gazeux (gaz naturel, hydrogène, propane, etc. avec un comburant - généralement l'oxygène de l'air).

À combustion hétérogène les substances de départ (par exemple combustible solide ou liquide et comburant gazeux) se trouvent dans des états d'agrégation différents. Les substances solides transformées en poussières (charbon, textile, plante, métal), lorsqu'elles sont mélangées à l'air, forment des mélanges poussière-air explosifs.

Combustion systèmes condensés associé à la transition d'une substance d'un état condensé à un gaz.

Selon la vitesse de propagation de la flamme, la combustion peut être déflagration− à une vitesse de plusieurs m/s, explosif− vitesse de l'ordre de dizaines et centaines de m/s et détonation− des centaines et des milliers de m/s.

Pour déflagration ou la propagation normale de la combustion est caractérisée par un transfert de chaleur d'une couche à l'autre. En conséquence, le front de flamme se déplace vers le mélange combustible.

Explosif la combustion est un processus de combustion avec libération rapide d'énergie et formation d'une surpression (supérieure à 5 kPa).

À détonation Lors d'une combustion (détonation), la flamme se propage à une vitesse proche ou supérieure à la vitesse du son.

Détonation est un processus de transformation chimique du système oxydant - réducteur, qui est une combinaison d'une onde de choc se propageant à vitesse constante et suivant le front de la zone de transformations chimiques des substances de départ. L’énergie chimique libérée par l’onde de détonation alimente l’onde de choc, l’empêchant de s’éteindre.

La vitesse de l’onde de détonation est une caractéristique spécifique de chaque système. Les systèmes hétérogènes se caractérisent par une détonation à faible vitesse, en raison de la nature spécifique de la réaction gaz-solide. Lors de la détonation de mélanges gazeux, la vitesse de propagation de la flamme est de (1-3)∙10 3 m/s ou plus, et la pression dans le front d'onde de choc est de (1-5) MPa ou plus.

La combustion est caractérisée par des facteurs dangereux appelés risques d'incendie.

Sous feu fait référence à une combustion incontrôlée qui provoque des dommages matériels, porte atteinte à la vie et à la santé des citoyens, ainsi qu'aux intérêts de la société et de l'État.

À risques d'incendie(selon GOST 12.1.004-91) comprennent :

Flammes et étincelles ;

Augmentation de la température ambiante ;

Concentration réduite en oxygène ;

Produits de combustion toxiques

Décomposition thermique.

Flamme− il s'agit de la partie visible de l'espace (zone de flamme), à ​​l'intérieur de laquelle se produisent les processus d'oxydation, de formation de fumée et de génération de chaleur, ainsi que la génération de produits gazeux toxiques et l'absorption de l'oxygène de l'espace environnant.

La flamme est quantitativement caractérisée par les quantités suivantes :

Zone de combustion ( F 0 , m 2), - taux d'épuisement professionnel ( Ψ , kg/s), - puissance calorifique ( Q montagnes, W) - quantité optique de fumée ( ΨD, Néper∙m 2 ∙kg -1).

Les caractéristiques de la combustion dans un incendie, contrairement à d'autres types de combustion, sont : la tendance à la propagation spontanée du feu ; un degré relativement faible de complétude de la combustion et un dégagement intense de fumée contenant des produits d'oxydation complète et incomplète.

Trois zones se forment lors d'incendies :

- Zone de combustion Je fais partie de l'espace dans lequel se déroule la préparation des substances pour la combustion (chauffage, évaporation, décomposition) et la combustion elle-même.

- Zone affectée par la chaleur- une partie de l'espace adjacent à la zone de combustion, dans laquelle les effets thermiques entraînent un changement notable de l'état des matériaux et des structures, et où il est impossible pour les personnes de séjourner sans protection thermique particulière.

- Zone de fumée− partie de l'espace adjacent à la zone de combustion et située à la fois dans la zone affectée thermiquement et à l'extérieur de celle-ci et remplie de gaz de combustion à des concentrations menaçant la vie et la santé des personnes.

La combustion peut s'effectuer selon deux modes : combustion spontanée Et distribution devant flamme.

Propagation des flammes− le processus de propagation de la combustion à la surface d'une substance et de matériaux en raison de la conductivité thermique, du rayonnement thermique (rayonnement) et de la convection.

Évaluation dynamique de développement du feu Plusieurs de ses principales phases peuvent être distinguées :

- 1 phase(jusqu'à 10 minutes) - la phase initiale, comprenant la transition d'un incendie à un incendie en 1 à 3 minutes environ et la croissance de la zone de combustion en 5 à 6 minutes. Dans ce cas, une propagation du feu principalement linéaire se produit le long de substances et de matériaux inflammables, accompagnée d'une émission de fumée abondante.

- 2 phases− le stade de développement du feu volumétrique, qui dure 30 à 40 minutes, est caractérisé par un processus de combustion rapide avec transition vers une combustion volumétrique. Le processus de propagation de la flamme se produit à distance en raison du transfert d'énergie de combustion vers d'autres matériaux. La température (jusqu'à 800-900 o C) et le taux de combustion atteignent des valeurs maximales.

La stabilisation du feu à ses valeurs maximales se produit en 20 à 25 minutes et se poursuit pendant encore 20 à 30 minutes, tandis que la majeure partie des matériaux combustibles brûle.

- 3 phases− phases de décroissance du feu, c'est-à-dire postcombustion sous forme de combustion lente. Après quoi le feu s'arrête.

Selon la norme ISO n° 3941-77, les incendies sont répartis dans les classes suivantes :

- classe A− les incendies de substances solides, principalement d'origine organique, dont la combustion s'accompagne de combustion lente (bois, textiles, papier) ;

- classe B− incendies de liquides inflammables ou de solides en fusion ;

- classe C− les foyers à gaz ;

- classe D− incendies de métaux et de leurs alliages ;

- classe E− les incendies liés à des installations électriques en feu.

Caractéristiques mélange combustible en termes de risque d'incendie et d'explosion sont :

Groupes d'inflammabilité,

Limites de concentration de propagation de la flamme (inflammation),

Le point d’éclair est la température d’inflammation et d’auto-inflammation.

Groupe d'inflammabilité− indicateur applicable aux états globaux suivants des substances :

- gaz− substances dont la pression de vapeur absolue à une température de 50 o C est égale ou supérieure à 300 kPa ou dont la température critique est inférieure à 50 o C ;

- liquides− substances ayant un point de fusion (point de goutte) inférieur à 50 o C ;

- solides et les matériaux ayant un point de fusion (point de goutte) supérieur à 50 o C ;

- poussière− substances et matériaux dispersés dont la taille des particules est inférieure à 850 microns.

Inflammabilité− capacité d'une substance ou d'un matériau à brûler. En fonction de leur inflammabilité, ils sont divisés en trois groupes.

Ininflammable (ignifuger) - les substances et matériaux qui ne sont pas capables de brûler dans l'air. Les substances ininflammables peuvent présenter un risque d'incendie (par exemple, les comburants, ainsi que les substances qui libèrent des produits inflammables lorsqu'elles interagissent avec l'eau, l'oxygène de l'air ou entre elles).

Faible inflammabilité (résistant au feu) - substances et matériaux capables de s'enflammer dans l'air à partir d'une source d'inflammation, mais incapables de brûler de manière indépendante après son élimination.

Inflammable(combustible) - les substances et matériaux capables de s'enflammer spontanément, ainsi que de s'enflammer dans l'air à partir d'une source d'inflammation et de brûler indépendamment après son élimination.

De ce groupe il y a substances et matériaux hautement inflammables− capable de s'enflammer suite à une exposition de courte durée (jusqu'à 30 s) à une source d'inflammation à faible énergie (flamme d'allumette, étincelle, cigarette fumante, etc.).

Limites de concentration d'inflammabilité− concentration minimale et maximale (fraction massique ou volumique de carburant dans un mélange avec un milieu comburant), exprimée en %, g/m3 ou l/m3, en dessous (au-dessus) de laquelle le mélange devient incapable de propager la flamme.

Il existe des limites de concentration inférieure et supérieure de propagation de la flamme (respectivement NCPRP et VKPRP).

NCPRP (VKPRP)− teneur minimale (maximale) de carburant dans le mélange (substance combustible - milieu comburant), à laquelle la flamme peut se propager à travers le mélange à n'importe quelle distance de la source d'inflammation. Par exemple, pour un mélange de gaz naturel constitué principalement de méthane, la limite de concentration d'inflammation (combustion par détonation) est de 5 à 16 %, et une explosion de propane est possible lorsqu'il y a 21 litres de gaz dans 1 m 3 d'air, et la combustion est possible à 95 litres.

Point d'éclair (t vsp) - la température minimale d'une substance combustible à laquelle se forment à sa surface des gaz et des vapeurs qui peuvent s'enflammer dans l'air à partir d'une source d'inflammation, mais le taux de leur formation est encore insuffisant pour une combustion stable.

En fonction de la valeur numérique t vsp leurs liquides sont classés comme inflammable (inflammable) Et inflammable (GZh). À son tour LVZH sont divisés en trois catégories conformément à GOST 12.1.017-80.

Liquides inflammables particulièrement dangereux− ce sont des liquides inflammables avec t vspà partir de −18 o C et moins dans un espace fermé ou de −13 o C dans un espace ouvert. Ceux-ci incluent l'acétone, l'éther diéthylique, l'isopentane, etc.

Liquides inflammables constamment dangereux− ce sont des liquides inflammables avec t vsp de −18 o C à +23 o C dans un espace fermé ou de −13 o C à 27 o C dans un espace ouvert. Ceux-ci incluent le benzène, le toluène, l'alcool éthylique, l'acétate d'éthyle, etc.

Liquides inflammables dangereux à températures élevées− ce sont des liquides inflammables avec t vsp de 23 o C à 61 o C dans un espace fermé ou au-dessus de 27 o C à 66 o C dans un espace ouvert. Ceux-ci incluent la térébenthine, le white spirit, le chlorobenzène, etc.

Le point d'éclair est utilisé pour déterminer les catégories de locaux des bâtiments et d'installations externes pour les risques d'explosion et d'incendie conformément au NPB 105-03, ainsi que lors de l'élaboration de mesures pour assurer la sécurité incendie et explosion des processus

Température d'auto-inflammation− la température la plus basse d'une substance à laquelle se produit une forte augmentation du taux d'énergie.

La notion " explosion» utilisé dans tous les processus pouvant provoquer une augmentation significative de la pression dans l'environnement.

Basé sur GOST R 22.08-96 explosion− est un processus de libération d'énergie sur une courte période de temps associé à un changement physique et chimique instantané de l'état d'une substance, conduisant à une coup de bélier ou une onde de choc, accompagné de la formation de gaz ou de vapeurs comprimés capables de produire du travail .

Les types d'explosions suivants sont possibles sur des objets explosifs :

- procédés explosifs− libération soudaine et incontrôlée d'énergie dans un espace confiné ;

- explosion volumétrique− formation de nuages ​​de mélanges combustible-air ou d'autres mélanges gazeux, poussières-air et leurs transformations explosives rapides ;

- explosions physiques− explosions de canalisations, de récipients sous haute pression ou de liquide surchauffé.

Explosion d'urgence– une situation d'urgence qui survient dans une installation potentiellement dangereuse à tout moment dans un espace limité, spontanément, par coïncidence ou à la suite d'actions erronées du personnel qui y travaille

Les causes des explosions sont principalement :

Violation des réglementations technologiques ;

Influences mécaniques externes ;

Vieillissement des équipements et des installations ;

Erreurs de conception ;

Modifications de l'état de l'environnement scellé ;

Erreurs du personnel de service ;

Défaillance des dispositifs d'instrumentation, de contrôle et de sécurité.