11 Дәріс - Қатты отынның жануы. Жанудың физика- химиялық негізі – 1 сағат
Жоспар:
Қатты отынның жануы
Жанудың физика- химиялық негізі
Бақылау сұрақтары
Қатты отынның жануы
Қатты отындың (жанармайдың) жануы екі кезеңді қамтиды: жылулық дайындық және жанудың өзі. Жылулық дайындық кезінде жанармай қызып, 100°С құрғатылып, кокстық қалдық қалтырумен қатар ұщқыш заттарды бөлуі басталады. Бұл кезеңнің ұзақтылығы жанармайдың ылғалдылығынан, оның бөлшектерінің өлшемінен, бөлшектерінің қоршаған жану ортасымен байланысынан тәуелді. Үрдістердің өтуі: Жылулық дайындық кезінде жылуды жұтумен байланысты,ең бастысы жанармайды құрғату мен қыздыруға байланысты.
Жану ұшқыш заттардың алаулауынан басталады, осы үрдіс кезінде бөлінетін жылу кокстық қалдықты алаулатуға жұмсалады.Бірақ кокстың алаулап, жануы ұшқыш заттардың жануынан көп уақытты керек етеді. Бұл ауадағы оттегінің ұшқыш заттардың алаулауы өзінің жолында ұшқыш заттардың бұлттарын кездестіріп, олардың жануына жұмсалады, кокстықө қалдыққа жетпеуіне байланысты болып отыр. Тек ұшқыш оттегі жанып болғаннан соң, кокстқ қалдыққа жетіп, соңғысы алаулап, жанып жылу бөледі. Бұл үрдіске жұмсалатын уақыт кокстық қалдықтың жануына жұмсалатын уақытымен анықталып, жанармайдың көп түріне жанудың 90% құрайтын уақытқа тең. Сонымен бірге қатты жанармайдын кокстық қалдығы көбіне көміртегінен тұрады (60-97% дейін жанармайдын органикалsқ массасы). Сонымен, кокс-көміртегі жану кезінде ең бастысы жылу болғандықтан, қатты жанармайдың жануы көміртегінің жану кинетикасы мен механизімімен анықталады.
Жанудың физика- химиялық негізі
Көміртегі жануы үстіңгі қабатта өтіп, ол гетерогендік реакцияға жатады. Бұл үрдіске оттегі де қатысады да, көміртегіге үстіңгі қабаттан беріліп, онымен химиялық түрде байланысады. Оттегі турбуленттік ағым шартында диффузиямен қабылдау қабатна жақындатылады, бірақ қабатқа міндетті түрде қозғалмалы ламинарлық қабат үстеледі, молекулалық диффузия орындалатын қышқылдатқыш. (сур. 7-3).
Турбулентті диффузия арқасында ламинарды қабатқа уақыт бірлігінен қабат бірлігіне берілетін оттегі саны:
(7-5)
Молекулалық дифузиямен ламинарлық қабат арқылы оттегінің сонша саны да беріледі:
(7-6)
1 –көміртегі бөлігінің қабаты; 2 –ламинарлық шекаралық қабат; 3 – турбуленттік ядро.
Сур. 6. Көміртегі бөлігінің жану схемасы.
В (7-5)
(7-6)
-ағымдағы оттегі концетрациясы;
-
желаминарлық шекара қабатында;
- жежанармай қабатында ;
-ламинарлық қабаттың қалындығы;
-молекулалық диффузия коэффиценті;
- турбулентті масса алмастыру коэффиценті
Ортақ шешу (7-5) және (7-6)теңдеуге әкеледі:
. (7-7)
Немесе
(7-7а)
мұнда 
-диффузия
жылдамдығның тұрақтысы.
(7-7а) формуласынан оттегіні қатты жанармайдың қабылдағыш қабатына беру диффузия жылдамдығының тұрақтысымен және қабылдағыш қабаттағы оттегі концетрациясының айырмашылғымен анықталады. Осы ретте диффузия жылдамдығының тұрақтысы жанармайдың қатт бөлімнің ағымынан, олардың өлшемінен және ағымның физикалық тұрақтысынан тәуелді(кинематикалқ байламнан). Бөлшектердің өлшемі мен олардың ағымының қатысты жылдамдығы қанша аз болса, диффузия жылдамдығының тұрақтысы да сонша көп болады.
Анықталған жану үрдісінде, диффузиямен қабылдау қабатына берілетін оттегі көлемі бұл қабатпен қабылданған оттегі көлеміне тең. Осыдан, химиялық реакцияның жылдамдығы қабылдау қабатына оттегіні дифузиялық беру жылдамдығына тең деген қорытынды шығады:
(7-8)
Көміртегі жану реакциясының жылдамдығы:
(7-8а)
(7-8а) және(7-8) ортақ шешу нәтижесінде реакция жылдамдығының мәнін аламыз:
(7-9)
Немесе
(7-10)
мұнда 
-жану
жылдамдығынң келтірілген тұрақтысы.
жану
жылдамдығының тұрақтысына кері мән
жану үрдісіне қарама- қайшылық тудырады.
Ол химиялық керіліктен(кинетикалық)
және физикалық керіліктен (диффузиялық)
тұрады.
Бұл керіліктердің қатынасы мен жану
жыдамдығына әсерінен гетерогендік жану
аймағында
кинетикалық және дифузиялық
түрлер ажыратылады.
Аррениус э заңына сәйкес, химиялық реакцияда жылдамдықты анықтайтын көрстекіш- үрдіс температурасы болып отыр. Қатысты жоғары емес температурада (800-10000С) қатты қабат жанындағы оттегі көптігіне қарамастан реакция баяу жүреді.Бұл жағдайда химиялық қарсылық үлкен және жану киентикалық реакциясымен тоқтатылады- бұл кинетикалық жану аймағы.Кинетикалық аймақта:
Немесе
,
Онда
(7-11)
Кинетикалық аймақта үрдістің баяу өтуі нәтижесінде диффузия арқылы берілетін оттегі толығымен жұмсалиайды, сондықтан оның концетрациясы қабылдау қабатында жүйеленеді. Онда кинетикалық жану жылдамдығы:
(7-12)
(7-12) үрдістегі белгіленген жағдайда жану жылдамдығына оттегі беруді үдетумен де аэродинамиканы жақсартумен де әсер етуге болмайды; үрдіс жылдамдығы кинетикалық фактолармен, ең бастысы температурамен анықталады.Бұл 7-4 суретте жақсы көрсетілген, онда кинетикалық жану жылдамдығы қисық сызықпен белгіленген 1, мұнда Аррениус заңына сәйкес, температра жоғарлауымен жану жылдамдығы өсуі аңғарылады. Жану жылдамдығының өсуі оттегі беруді керек етеді.Сонымен бірге оттегі беру диффузиямен анықталып, температура жоғарлауынан аз өзгереді. Температура жоғарлау нәтижесінде қабылдау қабаты жанындағы оттегі концетрациясы төмендейді және белгілі жағдайда химиялық реакция жылдамдығы оттегі беру жылдамдығына тең болады. Температураның одан әрі жоғарлауы жану жылдамдығның диффузия жылдамдығының жетіспеушілігімен немесе қаблдағыш қабатқа оттегіні беру мүмкіндігінің шектелуімен анықталуына әкеп соғады.үрдіс жылдадығы диффузиялық факторлардан тәуелділікті жанудың диффузиялық аймағы деп атайды.
Диффузиялық
аймақта физикалық қарсылық үлкен
немесе
,
онда
(7-13)
Ал диффузиялық жану жылдамдығы
(7-14)
Жанудың диффузиялық аймақта оттегінің берілуі қолданылу санынан кем болғандықтан, қабылдау қабатында ол нөлге тең. II диффузиялық аймақта(сур.7-4, қисық2-3) оттегі жетіспеуінен жану реакциясы теапература жоғарлаумен баяу жүреді.
Диффузиялқ және кинетикалық аймақты жанудың аралық аймағыIII бөледі(сызық1-2сур. 7-4),онда химиялық реакция жылдамдығы мен диффузиямен қышқылдату жылдамдығы тең, сондықтан олардың біреуін ғана ерекше деп қарастыруға болмайды. Бұл гетерогенді жану аймаққа бұл қатынас келеді:
Аррениус заңымен анықталатын, диффузиямен оттегі беру керекті отегіден аз, аралық және диффузиялық аймақта жану интенсификациясы оттегі беруді үдетумен қатар жанармайдың жанп жатқан бөліктерін қышқылдатқыш ағымымен үрлеу арқылы жүзеге асады. Ағмның жоғары жылдамдығында қалындық азайып, ламинарлық қабаттағы қарсылық азайып, қабатқа оттегі берілу күшейеді.Бұл жылдамдық қанша жоғары болса, оттегі мен жанармайдың араласуы да үлкен болады, жоғары температурада кинетикалық аймақтан аралық аймаққа, ал аралықтан диффузиялық аймаққа өту мүмкіндігі жоғары болады. (1'-2'-3', 1"-2"-3" сызықтар және т.б.сур. 7-4). Жану интенсифиациясы бөлімінде жанармай бөлшектерінің кішірейтумен алынады.Егер жану аралық немесе диффузиялық аймақтан өтсе, жанармай бөлшектерін кішірейтсе, үрдіс кинетикалық жану аймағына көшеді.
Температураның жоғарлауы диффузиялық аймаққа көшуді қамтамасыз етеді. Жанармайдың таза диффузиялық жану аймағы шектелген.Ол жоғары температуралық жануы бар ұйытқысы бар шырақта орналасады. Жану ұйтқысының шегі жану жылдамдығы температурадан тәелді кинетикалық не аралық аймақ болуы мүмкін.Жанудың кинетикалық және аралық аймақтары тозаңды әуелік ағымда алаулау аймағына көшуі мүмкін.
Газдық жанармайдан басқасын жағу үрдісі диффузиялық немесе аралық аймақта өтеді. Жанудың кинетикалық аймағында жану темпераутрасы мен жанармайдың реакциондық қасиетінен тәуелді химиялық реакция жылдамдығы басым роль атқарады.Жанудың бұл аймағында аэродинамикалық факторлардың әсері онша көп байқалмайды. Диффузиялық аймақта анықтаушы қоспа түзу факторы болып отыр(Ығысу бірдейлігі мен жанармай бөлшектерінің өлшемдері). Бұл аймақта температура және жанармайдың, қышқылдатқыштың қасиеттері сияқты анықтаушы рөлін жоғалтады.
Бақылау сұрақтары:
Қатты отынның жануы дегеніміз не?
Кинетикалық және диффузиялық түрлер