1.9 Горение жидкостей

Процесс горения жидкостей начинается с воспламе­нения паро-воздушной смеси. Однако, не все жидкости при обычных условиях имеют над своей поверхностью достаточную концентрацию паров и такую скорость их образования, чтобы после воспламенения установился процесс горения. Стационарный процесс горения уста­навливается только при определенной температуре жид­кости, однако, и при более низких температурах жидкости уже могут представлять пожарную опасность, так как над поверхностью их может создаться взрывоопасная концентрация паров.

Горение жидкостей характеризуется двумя взаимосвя­занными явлениями: испарением и сгоранием паро-воз­душной смеси над поверхностью жидкости.

Испарению принадлежит исключительно важная роль, поскольку в конечном итоге оно определяет ско­рость сгорания жидкости.

Испарение - это переход жидкости в пар со свобод­ной поверхности при температурах ниже точки кипения жидкости. Испарение происходит в результате теплового движения молекул жидкости. Скорость движения моле­кул колеблется в широких пределах, сильно отклоняясь в обе стороны от ее среднего значения. Часть молекул, имеющих достаточно большую кинетическую энергию, вырывается из поверхностного слоя жидкости в газовую (воздушную) среду. Избыточная энергия теряемых жидкостью молекул затрачивается на преодоление сил взаи­модействия между молекулами и работу расширения (увеличения объема) при переходе жидкости в пар.

Испарение является эндотермическим процессом. Если к жидкости не подводится извне тепло, то в ре­зультате испарения она охлаждается. Скорость испаре­ния определяется количеством пара, образующегося за единицу времени на единице поверхности жидкости. Она выражается в кг/(с·м²) или моль/(с·м²). Скорость испарения зависит от температуры жидкости. Это необ­ходимо учитывать в производствах, связанных с приме­нением, получением или переработкой легковоспламе­няющихся жидкостей. Увеличение скорости испарения при повышении температуры приводит к более быстрому образованию взрывоопасных концентраций паров. Мак­симальная скорость испарения наблюдается при испа­рении в вакуум и в неограниченный объем.

Жидкость, находящаяся в закрытом сосуде, испаря­ясь, образует насыщенный пар. Насыщенным называется пар, находящийся в динамическом равновесии с жидко­стью. Динамическое равновесие при данной температуре наступает, когда число испаряющихся молекул жидкости равно числу конденсирующихся молекул. Насыщенный пар, выходя из открытого сосуда в воздух, разбавляется им и становится ненасыщенным. Следовательно, в воз­духе помещений, где находятся емкости с горючими жидкостями, имеется ненасыщенный пар этих жид­костей.

Насыщенные и ненасыщенные пары оказывают дав­ление на стенки сосудов. Давлением насыщенного пара называют давление па­ра, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре.

Давление насыщенного пара всегда выше, чем нена­сыщенного. Оно не зависит от количества жидкости, ве­личины ее поверхности, формы сосуда, а зависит только от температуры и природы жидкости. С повышением температуры давление насыщенного пара жидкости уве­личивается; при температуре кипения давление пара равно атмосферному. Для каждого значения температу­ры давление насыщенного пара индивидуальной (чистой) жидкости постоянно. Давление насыщенного пара смесей жидкостей (нефть, бензин, керосин и др.) при одной и той же температуре зависит от состава смеси. Оно уве­личивается с увеличением содержания в жидкости низ­кокипящих продуктов.

Для большинства жидкостей давление насыщенного пара при различной температуре известно. Давление насыщенных паров некото­рых жидкостей при различных температурах приведено в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Давление насыщенных паров веществ при различных температурах

Вещество	Давление насыщенных паров в Па при температуре
	-20 oС	-10 oС	-0 oС	+10 oС	+20 oС	+30 oС	+40 oС
Ацетон	-	5159,6	8439,3	14705,4	24531,2	37330,2	55901,9
Бензол	986,6	1946,5	3546,4	5959,5	9865,8	15785,3	24197,9
Бутилацетат	-	480,0	933,3	1853,2	3333,1	5692,8	9452,5
Бакинский авиационный бензин	-	-	11732,3	15198,7	20531,6	20531,6	37730,1
Метиловый спирт	826,6	1786,5	3573,0	6692,8	11812,3	19998,3	32463,9
Сероуглерод	6466,1	10799,1	18531,8	27064,4	40236,6	58261,7	82259,7
Скипидар	-	-	266,6	386,6	586,6	919,9	1439,9
Толуол	226,6	453,3	893,3	1693,2	2973,1	4959,5	7906,0
Этиловый спирт	333,3	746,6	1626,5	3173,1	5866,2	10412,4	17785,2
Этиловый эфир	8932,6	14972,1	24584,6	38236,7	57688,4	84632,8	120923
Этилацетат	866,6	1719,9	3226,4	5706,2	9705,8	15825,3	24491,3

Давление насыщенного пара жидкостей обусловлено числом молекул, ударяющихся о стенки сосуда, или кон­центрацией паров над поверхностью жидкости. Чем вы­ше концентрация насыщенного пара, тем больше будет его давление. Связь между концентрацией насыщенного пара и его парциальным давлением можно найти сле­дующим образом.

Допустим, что удалось бы отделить пар от воздуха, причем давление в той и другой части осталось бы рав­ным общему давлению . Тогда объемы, занимаемые паром и воздухом, соответственно уменьшились бы. Со­гласно закону Бойля - Мариотта, произведение давле­ния газа на его объем при постоянной температуре есть величина постоянная, т. е. для нашего гипотетического случая получим:

, (1.18)

(1.19)

Если объем смеси принять за 100 %, то содержание па­ра в объемных процентах может быть найдено из пропорции:

- 100 %

- С

Откуда:

, (1.20)

С помощью этой формулы (1.20) можно определять концентрацию паров жидкости в резервуарах, бочках, цистернах и других емкостях.

Основными видами жидкого топлива являются продукты переработки нефти: бензин, керосин, соляровое масло, мазут. Температура кипения отдельных фракций, входящих в состав жидких углеводородных топлив, ниже температуры термического разложения.

Интенсификация испарения жидкостей достигается путем увеличения площади удельной поверхности. Общепринятым способом увеличения площади поверхности испарения является дробление жидкого топлива на мельчайшие частицы (капли), называемое распылением. При распылении образуются частицы размером от нескольких микрометров до десятых долей миллиметра. Для распыления жидких топлив применяют различной конструкции форсунки.

Первой стадией горения жидкого вещества является нагревание и испарение горючего. Затем образовавшиеся пары горючего смешиваются с воздухом, и происходит нагревание, воспламенение и горение горючей смеси.

При горении жидкостей происходит не только хими­ческая реакция (взаимодействие горючего вещества с кислородом воздуха), но и наблюдаются физические явления, без которых горение невозможно.

Взаимодействие горючих паров с кислородом воздуха происходит в зоне горения, в которую непрерывно долж­ны поступать горючие пары и воздух. Это возможно, если жидкость будет получать определенное количество тепла, необходимое для испарения. Тепло в процессе горения поступает только из зоны горения (пламени), где оно непрерывно выделяется. Тепло от зоны горения к поверхности жидкости передается посредством излуче­ния. Передача тепла путем теплопроводности невозмож­на, так как скорость движения паров от поверхности жидкости к зоне горения больше скорости передачи теп­ла по ним от зоны горения к жидкости. Передача тепла конвекцией также невозможна, так как поток паров в объеме пламени направлен от поверхности менее на­гретой (жидкость) к поверхности более нагретой.

Количество тепла, излучаемое пламенем, зависит от степени черноты пламени и его температуры. Степень черноты пламени определяется концентрацией углерода, выделяющегося в пламени жидкости. Например, степень черноты пламени при горении нефти и нефтепродуктов в больших резервуарах близка к единице.

Количество тепла, поступающего от факела ( ) в единицу времени на единицу поверхности жидкости, может быть определено по формуле:

, (1.21)

где - степень черноты;

- постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,67·10^-8 Вт/(м²·К⁴);

- температура пламени факела, К;

- температура поверхности жидкости, К.

Это тепло расходуется на испарение жидкости ( ), ее нагревание от начальной температуры до температу­ры поверхности ( ), т. е. прогрев жидкости в глубину:

, (1.22)

, (1.23)

, (1.24)

где - удельное количество теплоты испарения, Дж/кг;

- плотность, кг/м³;

- ли­нейная скорость горения, м/с;

- скорость прогрева жидкости в глубину, м/с;

- температура поверхности жидкости, К;

- начальная температура жидкости, К;

- удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг · К).

Таким образом:

. (1.25)

В установившемся процессе горения (т.е. при постоян­ной температуре пламени) наблюдается равновесие меж­ду количеством сгоревшего в зоне горения (пламени) ве­щества и массой пара, поступающего в пламя. Это опре­деляет постоянную скорость испарения и, следовательно, выгорания жидкости в течение всего процесса горения.

Различают две скоро­сти горения жидкостей: весовую (массовую) и линейную.

Весовой скоростью называется масса жидкости, выго­рающей в единицу времени с единицы поверх­ности (1.26):

, (1.26)

Под линейной скоростью горения жидкости понимается высота ее слоя, выгорающего в еди­ницу времени (1.27):

, (1.27)

где - высота слоя сгоревшей жид­кости, м;

- время горения, с.

Зная или определив линейную скорость выгорания, можно вычислить весовую и наоборот.

Скорость горения жидкостей непостоянна и изме­няется в зависимости от начальной температуры, диа­метра резервуара, уровня жидкости в резервуаре, ско­рости ветра и других факторов. Для горелок малых диаметров скорость сгорания сравнительно велика. С увеличением диаметра скорость сгорания сначала уменьшается, а затем возрастает, пока не достигнет опре­деленного постоянного значения для данной жидкости. Такая зависимость обусловлена различными причинами. На скорость горения в малых горелках существенно влияют стенки, так как пламя, соприкасаясь с ними, на­гревает верхнюю кромку до высокой температуры. От верхней кромки тепло благодаря теплопроводности рас­пространяется по всей стенке и передается жидкости. Этот дополнительный приток тепла со стороны стенки увеличивает скорость испарения жидкости. Увеличение скорости горения с увеличением диаметра связано с пе­реходом от ламинарного режима горения к турбулент­ному. Этот переход сопровождается уменьшением полно­ты сгорания, а большое количество выделяющейся сажи способствует увеличению степени черноты пламени, что приводит к увеличению теплового потока от пламени. При турбулентном горении обеспечивается наиболее быстрый отвод паров от поверхности жидкости, увели­чивается скорость испарения.

Скорость горения в больших резервуарах увеличи­вается с ростом диаметра незначительно. Считают, что скорость горения в резервуарах диаметром больше 2 м практически одинакова.

Сильный ветер способствует смешиванию паров с воздухом, повышению температуры пламени, в резуль­тате чего интенсивность горения увеличивается.

По мере снижения уровня жидкости в резервуаре увеличивается расстояние от пламени до поверхности жидкости, вследствие чего уменьшается приток тепла к жидкости. При этом скорость сгорания постепенно уменьшается и при некотором критическом расстоянии поверхности жидкости от кромки борта может наступить самотушение. Это расстояние называется критической вы­сотой; она увеличивается с увеличением диаметра ре­зервуара. Для больших резервуаров зависимость ско­рости горения от высоты свободного борта практического значения не имеет, так как высота стандартных резер­вуаров всегда значительно меньше критической высоты. Так, расчет показывает, что самотушение в резервуаре диаметром 23 м может наступить при высоте его более 1000 м. Действительная высота резервуара 12 м.