Скорость тепловыделения в зоне реакции

При быстром протекании экзотермических реакций тепло ие успевает отводиться в окружающую среду и температура в зоне реакции начинает повышаться. По мере нагревания реагирующих веществ скорость реакции быстро увеличивается, а вместе с этим увеличивается и скорость тепловыделения. Одновременно растет и скорость теплоотдачи, но медленнее, чем скорость тепловыделения. Скорость реакции и, следовательно, скорость тепловыделения возрастают с повышением температуры по экспоненциальному закону (уравнение Аррениуса). Скорость теплоотдачи растет с температурой линейно, так как тепловой поток прямо пропорционален градиенту температуры. Начиная с некоторой температуры, теплоотдача отстает от теплообразования и реагирующая система саморазогревается, причем этот процесс идет ускоренно. В результате при повышении температуры реакция может закончиться воспламенением и взрывом. Температура, после достижения которой нарушается тепловое равновесие, называется температурой самовоспламенения она слун<ит характеристикой жидкого и газообразного топлива. [c.359]

При давлениях горючей смеси порядка атмосферного (или выше атмосферного) вследствие большой абсолютной скорости реакции температура пламени достигает. 2000—3000° К и мы имеем обычные горячие пламена с характерной для них структурой. Структура горячего пламени может быть различной в зависимости от условий горения. Наиболее простой структурой обладают пламена, горящие без доступа внешнего воздуха. Таковы пламена, горящие в трубах, в частности, пламя, получаемое при подаче горючей смеси через узкую короткую трубку в трубу большего диаметра, сообщающуюся с внешним воздухом только в верхней ее части. В этом слзгчае можно различить следующие три зоны пламени зону предварительного подогрева газовой смеси, зону горения (или зону реакции) и зону сгоравших газов. В зоне подогрева происходит постепенное повышение температуры, обусловленное передачей тепла от зоны горения и тепловыделением в результате медленных реакций, развивающихся вследствие повышения температуры и диффузии активных центров из зоны горения (см. ниже). При некоторой температуре (температура воспламенения) подогретая смесь воспламеняется — возникает зона горения с характерной для нее высокой температурой и обусловленной ею (а также высокой концентрацией активных центров) большой скоростью реакции. Протяженность (толщина) зоны горения обычно невелика и в случае обычных горячих пламен составляет величину порядка 0,1 мм (см., например, рис. 129). В этих случаях зону горения называют фронтом пламени. Вследствие большой скорости реакции концентрация активных центров во фронте пламени не успевает прийти к равновесию и обычно на несколько порядков превышает равновесную концентрацию при максимальной температуре пламени. Значительно превышающие равновесные значения имеют также концентрация электронов и интенсивность излучения фронта пламени. Однако абсолютные концентрации, активных частиц, как и концентрации электронов (и ионов) во фронте пламени, относительно невелики, а излучение света не играет существенной роли в тепловом балансе горячих пламен. Поэтому даже значительные отклонения концентраций атомов, радикалов и ионов и интенсивности излучения от равновесных значений не могут сказаться на величине конечной (максимальной) температуры Замени, устанавливающейся по завершению реакции горения на границе фронт пламени — зона сгоревших газов п определяющейся термодинамическим равновесием продуктов реакцип. [c.477]

Следует также заметить, что в данной задаче явление поджигания рассматривается не в том смысле, в каком оно трактовалось в предыдущем параграфе. Перед наиболее горячей зоной газ нагрет сильнее твердой фазы, и температура последней продолжает расти. Таким образом, в этом случае не может существовать стационарное состояние, при котором скорость теплоотдачи и скорость тепловыделения равны. Тем не менее использование понятия поджигания в смысле быстрого экспоненциального роста скорости реакции в кинетической области остается полезным. [c.181]

Здесь X — продольная координата Г[ — скорость образования -го вещества — скорость тепловыделения в единице объема реактора 7 — теплоемкость единицы объема реагирующей смеси q — скорость теплоотвода от единицы объема реакционной зоны, зависящая от температуры в зоне реакции Т и температуры теплоносителя Т . Выражение для скорости г должно учитывать диффузионное торможение реакций на отдельном зерне [см. формулу (VII.49)]. [c.283]

Взрывы при газовых реакциях могут происходить и в случае обычных нецепных реакций. Это характерно для быстро протекающих экзотермических реакций в условиях, когда выделяющееся тепло не успевает отводиться в окружающую среду. Благодаря этому в зоне реакции повышается температура, что приводит к дальнейшему ускорению тепловыделения, и скорость реакции становится неограниченно большой. Это приводит к взрывам, которые называются тепловыми. [c.139]

Из систем дифференциальных уравнений, описывающих тепловыделение и теплообмен в зоне реакции, может быть получено выражение нормальной скорости распространения пламени [c.139]

Коэффициент турбулентной диффузии Д в достаточно широких пределах можно варьировать за счет предварительной турбулизации, изменяя способ смешения, направление и скорость движения потоков реагентов и пр. [13-17. На рис. 3.15 представлена зависимость коэффициента турбулентной диффузии Д от скорости движения потока в рамках щ-г модели Навье - Стокса с учетом реальных значений вязкости раствора, его температуры, скорости тепловыделения и пр. В зависимости от скорости движения реакционных потоков (мономер, катализатор) коэффициент турбулентной диффузии увеличивается практически линейно [13]. Подставляя полученные по уравнению Навье - Стокса (рис. 3.15) численные значения Д в систему уравнений (3.1), описывающих изменение концентраций М и активных центров А, а также температуру в зоне реакции для трубчатого турбулентного реактора со спутным вводом реагентов, легко оценить влияние Д и V на основные параметры весьма быстрых процессов полимеризации [13-17 . [c.152]

Для ламинарного диффузионного факела характерно наличие четко очерченной тонкой зоны реакции — фронта пламени. При турбулентном течении зона горения представляет собой значительно более широкую нестационарную область, отличающуюся крайне сложной структурой [33, 51, 64, 86, 88 и др.]. Тем не менее (и это отражает специфику турбулентного движения) в объеме, занятом турбулентным факелом, который в свою очередь значительно больше объема, занятого ламинарным факелом, можно выделить относительно узкую в среднем стационарную зону, интенсивного тепловыделения, которая при напряженном горении может быть отождествлена с фронтом- пламени. Высокая интенсивность процессов переноса и повышенная теплонапряженность характерны для турбулентного факела. Отметим также весьма слабую зависимость ряда интегральных характеристик турбулентного факела от физико-химических свойств горючей смеси и скорости истечения. Это свидетельствует об определяющей роли молярного обмена в процессе турбулентного горения. [c.5]

В самой зоне химического реагирования скорость тепловыделения столь велика, что расходом тепла на нагрев смеси в небольшом интервале температур протекания реакций в пламени можно пренебречь и приближенно написать уравнение для зоны реакции в следующем виде [c.131]

В большинстве современных трубчатых реакторов температура бани постоянна по всей длине реакционной зоны. Это, однако, приводит к установлению весьма невыгодного распределения температур по длине трубки. В типичном экзотермическом процессе постоянной температуре бани соответствует ход изменения температуры ) по длине реактора г, представленный на рис. 1У.9 реагирующий поток сперва разогревается за счет тепла реакции а затем, когда скорость тепловыделения становится меньше скорости теплоотвода, температура в реакторе начинает падать, асимптотически приближаясь к температуре бани. При этом в точке температурного максимума появляется опасность оплавления и дезактивации катализатора или скачкообразного перехода процесса во внешнедиффузионную область у выхода из реактора процесс замедляется из-за слишком малой температуры. Если при проведении сложного процесса температуры распределяются так, как описано выше, то это может привести к сильному, или даже полному, падению избирательности. [c.166]

Рассматривая гомогенную газовую реакцию, скорость тепловыделения (т. е. количество тепла, выделяющееся в 1 сл реакционной зоны за [c.452]

Рассмотрим течение реакции в зависимости от условий, определяющих изменение температуры реакционной зоны в ходе реакции. Если эти условия таковы, что скорость тепловыделения отвечает кривой 1, то ъ начальный момент времени (момент впуска горючей смеси в реакционный сосуд) скорость тепловыделения будет превышать скорость теплоотвода, и температура реакционной зоны будет расти. Соответствующий рост величин и Ф будет при этом следовать кривым 1 ж4.Ъ точке пересечения этих кривых (Г = Тх) скорость тепловыделения равна скорости теплоотвода. Так как при Т Т величина Ф , то по достижении температуры [c.452]

Рассматривая гомогенную газовую реакцию, скорость тепловыделения (т. е. количество тепла, выделяющееся в 1 см реакционной зоны за 1 сек.) можно положить равной [c.537]

Рассмотрим течение реакции в зависимости от условий, определяющих изменение температуры реакционной зоны в ходе реакции. Если эти условия таковы, что скорость тепловыделения отвечает кривой /, то в начальный момент времени (момент впуска горючей смеси в реакционный сосуд) скорость тепловыделения будет превышать скорость теплоотвода, и темпе- [c.537]

Пламя гаснет благодаря снижению скорости реакции за счет поглощения активных центров. В результате обрыва цепей понижается суммарное тепловыделение в зоне реакции, что приводит при достаточно высокой концентрации галоидуглеводорода в газовой с.меси к быстрому ее охлаждению и затуханию пламени. [c.103]

Устойчивость горения в первую очередь зависит от температуры в зоне химической реакции, которая определяется условиями теплообмена с окружающей средой. В зависимости от соотношения между скоростью тепловыделений дг — йд1(И и теплопотерь Qt = — dQ dt для температуры в зоне горения /г возможны три случая [c.539]

На абсолютные значения скоростей тепловыделения и теплопотерь влияют такие факторы, как природа материала, наличие теплоотводящих поверхностей, давление окислителя и т. п. Природа материала определяет тепловой эффект реакции наличие теплоотводящих поверхностей — теплопотери из зоны горения. Давление оказывает прямое влияние на концентрацию окислителя в зоне реакции и поэтому определяет величину тепловыделения. [c.124]

Как и следовало ожидать, опыт показывает, что скорость распространения пламени в смеси горючего газа с воздухом (или с кислородом) находится в непосредственной связи с содержанием в ней горючего газа и при изменении соотношения между компонентами сильно изменяется. Действительно, чем интенсивнее тепловыделение в зоне реакции, тем быстрее при прочих равных условиях должен протекать процесс передачи тепла от фронта пламени к соседнему, еще не воспламененному слою смеси. Но ведь количество тепла, выделяемого при сгорании единицы обьема смеси, различно для разных смесей с воздухом одного и того же газа. Оно максимально при стехиомет- [c.485]

Тепловой эффект реакции создает необходимость подвода или отвода тепла из зоны реакции, а следовательно, вызывает требования к соответствующему конструктивному решению теплооб менной поверхности реактора. Иногда интенсивность тепловыделений бывает настолько большой, что имеющихся способов отвода тепла нехватает для поддержания заданной температуры реакции. В этом случае приходится искусственно снижать скорость реакции и производительность аппарата. [c.207]

Таким образом, критические явления характерны не только для теплового и цепного самовоспламенения, но и для процессов поджигания и распространения пламени. Распространение пламени возможно только при определенном составе смеси реагирующих молекул. С уменьшением давления концентрационные пределы сужаются и ниже некоторого давления воспламенение становится невозможным. Распространение пламени в газах и твердых горючих веществах возможно потому, что происходит распространение зоны реакции, разделяющей горящие продукты реакции и холодные исходные вещества. Для того чтобы была обеспечена возможность распространения пламени, необходимо, чтобы в горящем фронте соблюдалось равенство теплоотвода и тепловыделения. Последнее может быть обеспечено только при строго определенной скорости распространения пламени. При принудительном поджигании газа скорость распространения пламени устанавливается автоматически. Эту скорость можно вычислить, зная скорость протекания химической реакции. [c.272]

Согласно работам Д. А. Франк-Каменецкого [6, 7], термический режим реакции между твердой поверхностью и окислителем определяется соотношением между количеством тепла, выделившимся в результате реакции на единице поверхности в единицу времени, и интенсивностью теплоотвода из зоны реакции. Если удельная скорость выделения тепла в результате горения будет превышать удельные тепловые потери в окружающую среду, то установится режим стационарного горения. Если удельные тепловые потери окажутся больше скорости тепловыделения, то горение прекратится. [c.124]

Если не считать чисто цепного воспламенения — возникновения так называемых холодных пламен, то во всех практически важных технических процессах воспламенение представляет в конечном итоге тепловой взрыв, т. е. тепловое самоускоре-ние реакции. Необходимая для этого прогрессирующая аккумуляция тепла предполагает превышение скорости тепловыделения от реакции в какой-либо части нагретого объема (от искры, от стенок, от адиабатического сжатия) над теплоотводом через ограничивающую ее поверхность. Воспламенение есть по существу скачкообразный взрывной процесс, развивающийся в локализованном объеме распространение же ламинарного пламени есть непрерывный процесс самоускорения реакции при прохождении газа через узкую зону пламени. Качественное различие явлений воспламенения и распространения пламени наглядно демонстрируется в различии той роли, которую играют в них тепло- и массообмен реагирующего и свежего газа. Отвод тепла из объема воспламенения в окружающий газ, очевидно, тормозит аккумуляцию тепла и самоускорение реакции в этом объеме. В пламени же перенос тепла из зоны горения в свежий газ есть не потеря тепла, а условие самого процесса распространения реакции. Соответственно, увеличение коэффициента теплопроводности затрудняет воспламенение, но повышает скорость распространения пламени при прочих неизменных условиях. [c.140]

Как следует из детального анализа процесса перемешивания и горения, в турбулентном пламени в следе на некотором расстоянии от стабилизатора могут оказаться небольшие количества избыточного кислорода или горючего, если состав смеси в основном потоке является бедным или богатым соответственно. Эти реагирующие вещества в следе вступают в реакцию и увеличивают скорость тепловыделения в критическом объеме зажигания. Следовательно, горячий циркулирующий вихрь, протекая над соответствующей поверхностью стабилизатора, доставляет стабилизатору тепло. Это тепло теплопроводностью передается в верхнюю часть стабилизатора и нагревает слой предварительно перемешанной смеси, которая, перемещаясь по дуге в 80° от передней критической точки до точки отрыва, участвует в процессе формирования пограничного слоя. В результате образуется тепловой пограничный слой, который после отрыва образует с динамическим пограничным слоем соответствующую комбинацию свободных теплового и динамического слоев. На фиг. 6, а и б приводятся шлирен-фотографии градиента плотности в тепловом свободном слое, которые показывают, что положение слоя, начиная от точки отрыва, не зависит от присутствия пламени. Однако при горении отмечается небольшое утолщение шлирен-изображения в области светящейся вершины пламени. Мы полагаем, что наблюдаемый в более широкой области градиент плотности или тепловой градиент является следствием локального термически ускоренного процесса перемешивания и скорости переноса тепла в треугольной зоне перемешивания, заполненной мелкими вихрями. Как указывалось выше, мы считаем, что эта переходная зона является областью высокой проводимости, посредством которой горючие реагенты, имеющие среднюю температуру пограничного слоя, вырываются из этого [c.238]

Если скорость движения фронта равна скорости конвективного теплопереноса, то температура теоретически стремится к бесконечной, т.е. возникает сингулярность. При этом все тепло, выделившееся в реакционной зоне, не может быть отведено конвективным теплопере-носом из слоя, оно поглощается в нем полностью. Однако реально такое повышение температуры не может произойти, так как при увеличении скорости движения газового потока или уменьшении входных температуры либо концентрации реакционной смеси установится некоторая скорость движения зоны вследствие более сложного взаимодействия между тепловыделением в результате химической реакции и переносом вещества и тепла. [c.157]

В ряде теоретических работ сделана попытка модифицировать решение Зельдовича и Франк-Каменецкого (плп аналогичные решения) путем последовательного перехода от одной стадии к другой с учетом тепловыделения на данной стадии и потока тепла от других стадий (рассматривалась и более частная задача, когда имеется одна зона реакции и заданный поток тепла извне) (см. [203, 207 —212, 240, 241] и др.). При этом, однако, не удалось пока найти выражение, которое давало бы в явном виде зависимость скорости многостадийного горенпя от давления, начальной температуры и т. д. прн заданной кинетике реакции па каждой стадии. [c.69]

Для конденсированных систем наиболее широкое распространение получила приближенная тепловая теория горения Зельдовича — Беляева, кратким изложением которой мы и ограничимся. В этой теории принимается, что скорость реакции экспоненциально растет с температурой, и горение происходит в одной узкой зоне в газовой фазе. Основное тепловыделение сосредоточено в узком интервале температур шириной порядка ВТ11Е вблизи максимальной температуры горения Гг. Передача тепла из зоны реакции к непрореагировавшему веществу осуществляется путем теплопроводности. [c.43]

МПа зяачение, близкое к расчетному существенное отличие измеренной температуры пламени от расчетной в области низких давлений, которое определяется недореагированием окиси азота до конечных нродуктав сгорания температурный профиль по высоте пламени имеет характерную форму с тремя участками скорость тепловыделения по высоте пламени имеет два максимума первый максимум скорости тепловыделения расположен вблизи поверхности горения в зоне выгорания диспергированных частиц, второй — в зоне видимого пламени количество теплоты, выделяющейся в реакционном слое конденсированной фазы пороха за счет суммарно-экзотермических реакций, растет с давлением, составляя 80—90% тепла, необходимого для нагрева пороха до температуры поверхности. [c.285]

Для температур выше Тр в зоне реакции остается полное уравнение теплового баланса (12.8), решение которого должно дать искомую занисимость скорости горения от скорости реакции и физико-химических свойств смсси — плотности, теплопроводности, теплоемкости и теплоты сгорания. Одна из принципиальных трудностей нри решении уравнения (12.8), связанная с конечной протяженностью зоны реакции, охва-тываюп1 ей более или менее значительный интервал температур, устраняется фундаментальным для теории предположением, что тепловыделение от реакиии сосредоточено в очень узком интервале температур вблизи максимальной, так что [c.180]

Торможение реакции в пламени добавками, с одной стороны, снижает скорость объемного тепловыделения, а с другой, удлиняя зону реакции, усиливает теплоотвод, т. е. в конечном счете нриводит к возрастанию относительного теплоотвода из пламени. Но до сих пор не найдено веществ, добавка которых расшпряла бы концентрационные пределы без увеличения теплоты сгорания смеси. Необходимое для этого сокращение зоны реакции можно, вероятно, ожидать от добавки озона, на основании описанного в 13 его действия на скорость горения. [c.229]

Представление о том, что повышение температуры, обусловленное преобладанием скорости тепловыделения над скоростью теплоотвода, может явиться причиной приводящего к взрыву ускорения реакции, высказывалось еще в прошлом веке Вант-Гоффом [43], который считал возмон<ным выразить условие воспламенения в виде равенства теплоотвода из зоны реакции выделяемому реакцией количеству тепла. Нернст [1284] предложил математическую формулировку этого условия. Идеи Вант-Гоффа далее были развиты Таффанелем [1568,1569] и в конце 20-х годов Семеновым [1467] последним была дана детальная количественная теория теплового взрыва. [c.451]

Низкотемпературное самовоспламенение. Уже тот факт, что граница зоны низкотемпературного самовоспламенения (участок кривой 3 — 5 на рис. 8) не подчиняется нормальному соотношению между предельными величинами давления и температуры воспламенения, говорит о своеобразии этого явления. Напомним, что нормальное повышение давления самовоснламонеиия с понижением температуры (как на участке 1—=3) отражает то свойство теплового взрыва, что с повышением давления растет скорость тепловыделения и остается неизменной скорость теплоотдачи в случае переноса теила тенлонроводностью так, что превышение тепловыделения над теплоотводом наступает при тем более низкой температуре, чем выше давление [20]. Наблюдающийся в низкотемпературной зоне самовоспламенения обратный ход зависимости — понижение предельного давления с понижением температуры воспламенения — может означать лишь то, что в данном случае тепловой саморазгон реакции не является в какой-либо мере определяющим для всего явления самовоспламенения. [c.195]

В рассмотренном примере причиной взрыва служит накопление активных центров реакции, обусловленное ее разветвленным цепным механизмом и приводящее к быстрому нарастанию скорости реакции (при >Типд)до практически неизмеримой величины, т. е. к самовоспламенению горючей смеси. Чистый изотермический взрыв представляет, однако, довольно редкое явление. Действительно, лишь в немногих случаях область воснламенения простирается до столь низких давлений и температур, как это имеет место в случае гремучей смеси. В подавляющем большинстве случаев воспламенение наступает при давлениях в десятки и сотни миллиметров ртутного столба и при достаточно высоких температурах, когда, вследствие большой абсолютной скорости реакции, выделяемое реакцией количество тенла может быть очень велико. При большой скорости тепловыделения скорость отвода тепла может оказаться недостаточной, в результате чего температура реакционной зоны, а следовательно, и скорость реакции будут прогрессивно увеличиваться, и реакция закончится взрывом. Взрыв в таких случаях называют тепловым. [c.537]

В зависимости от условий протекания процесса — соотношения скорости диффузии и реакции — повышение уровня пульсаций может приводить либо к интенсификации горения, либо к снижению температуры и полноты сгорания. При напряженном высокотемпературном процессе (диффузионная область) наложение цульсаций интенсифицирует горение. Вследствие этого увеличение 5Ь сопровождается сокращением длины факела, ростом удельного тепловыделения и т. д. Такой процесс продолжается до тех пор, пока скорость реакции превышает скорость диффузии. При значительном увеличении смешения скорость подвода. реагентов к зоне горения может оказаться соизмеримой со скоростью реакции. В этом случае дальнейшее повышение интенсивности смешения ведет к переходу горения из диффузионной области в кинетическую, к снижению температуры и полноты сгорания вплоть до срыва горения — адиабатного потухания. [c.184]

Отвод тепла с помощью кипящих жидкостей происходит при практически постоянной (если не учитывать влияние гидростатического эффекта) температуре хладагента и обеспечивает поддержание изотермического режима лищь для реакций нулевого порядка. Профиль температур потока газа в слое катализатора для реакции первого порядка характеризуется максимумом в начальной зоне движения потока (рис. V-27). Реагирующий поток сначала разогревается за счет тепла реакции, а затем, когда скорость тепловыделения становится меньше скорости отвода тепла, температура потока газа падает, приближаясь к температуре теплоносителя. В точке температурного максимума имеется опасность оплавления катализатора. На выходе из слоя катализатора скорость реакции снижается ниже допустимого предела. [c.407]

Как известно, существует несколько источников тепловыделения. Если протекает экзотермическая химическая реакция, то, как правило, решается задача о распространении волны при наличии последовательных [228] или независимых [229] реакций. Узость зон реакций, которую часто можно обосновать, например в горении, дает возможность решать задачу в приближении поверхности горения. Такой подход позволяет выявить различные режимы распространения волны, условия их реализации, найти приближенное значение скорости и расстояние между зонами реакций. Так как скорость химической реакции мала при низких температурах, то время выхода на промежуточную асимптотику меньше времени вырождения волны, и волна от превращения второй реакции распространяется по продукту первой реакции. [c.149]

При давлении, близком к предельному, горящая поверхность образцов этих материалов имеет форму кратера (рис. 50,6). Образование кратерообразной формы поверхности горения фторопласта-4 и фторопласта-3 при давлении, близком к предельному, по-видимому, связано с небольшим тепловым эффектом сгорания этих материалов и значительными теплопоте-рями при горении в жидком кислороде. При переходе поверхности горения от конуса к кратеру площадь контакта зоны горения с окислителем уменьшается, что приводит к снижению теплопотерь из зоны реакции. Однако при этом более резко уменьшается скорость горения с понижением давления (см. рис. 49), что в свою очередь ведет к уменьшению тепловыделения из зоны горения. Поверхность горения принимает такую форму, при которой соотношение между тепловыделением и теплопотерями становится оптимальным. [c.116]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология