一级消防工程师《技术实务》基础考点:燃烧类型
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燃烧类型
由于可燃物质存在的状态不同,可分为均一系燃烧和非均一系燃烧。均一系燃烧指的是燃烧反应在同一相中进行,如氢气在氧气中燃烧。与其相反的燃烧反应在两相间即是非均一系燃烧,如石油、木材和塑料等液体和固体的燃烧。
可燃性气体的燃烧有混合燃烧和扩散燃烧之分。可燃性气体预先同空气(或氧气)混合,而后进行的燃烧即为混合燃烧。若可燃性气体与周围空气一边混合一边燃烧,则称为扩散燃烧,如可燃性气体自管中喷出在管口发生的燃烧,即为扩散燃烧。混合燃烧反应迅速,火焰传播速度也快,化学爆炸即属于这种形式。在扩散燃烧中,由于氧进入反应带只是部分参与反应,所以常产生不完全燃烧的碳黑。
可燃液体的燃烧有蒸发燃烧和分解燃烧之分。液体蒸发产生的蒸气进行燃烧叫蒸发燃烧。难挥发可燃液体的燃烧是受热后分解产生的可燃性气体进行燃烧,故称为分解燃烧。液体的蒸发燃烧和分解燃烧的机理和气体燃烧是相同的。
可燃固体燃烧,如木材和煤的燃烧,是由分解产生的可燃气体的燃烧,因此属于分解燃烧。像硫磺和萘这类可燃固体的燃烧,是先熔融蒸发而后进行燃烧。因此可看作蒸发燃烧。固体燃烧一般有火焰产生,故又称火焰型燃烧。当可燃固体燃烧到最后,分解不出可燃气体时,就剩下炭,此时没有可见火焰,燃烧转为表面燃烧或叫均热型燃烧。金属的燃烧也是一种表面燃烧。此外根据燃烧的起因和剧烈程度的不同,又有闪燃、着火以及自燃的区别。
根据燃烧的起因不同,燃烧可分为闪燃、着火和自燃三类。
物质燃烧时的温度变化
T初为可燃物开始加热时的温度。最初一段时间,加热的大部分热量用于熔化或分解,可燃物温度上升较缓慢,到T氧(氧化开始温度)时,可燃物开始氧化。由于温度尚低,故氧化速度不快,氧化所产生的热量,还不足以克服系统向外界所放热量,如果此时停止加热,仍不能引起燃烧。如继续加热,则温度上升很快,到T自氧化产生的热量和系统向外界散失的热量相等。若温度再稍升高,超过这种平衡状态,即使停止加热,温度亦能自行上升,到T′自出现火焰而燃烧起来。T自为理论上的自燃点,T′自为开始出现火焰的温度,即通常测得的自燃点。T自到T′自这一段延滞时间称为诱导期。
诱导期在安全上有实用价值。在可燃气体存在的车间中使用的防爆照明,当灯罩破裂或密封性丧失时,即使能自动切断电路熄灭,但灼热的灯丝自3000℃冷到室温还需要一定的时间,爆炸的可能性取决于可燃气体的诱导期。对于诱导期较长的甲烷或汽油蒸气 (数秒),普通灯丝不致有危险,但对于诱导期很短的氢(0.01秒)就需要寻求冷却得特别快的特殊材料作灯丝,才能保证安全。
燃烧的活化能理论
燃烧是化学反应,而分子间发生化学反应的必要条件是互相碰撞。但并不是所有碰撞的分子都能发生化学反应,只有少数具有一定能量的分子互相碰撞才会发生反应。这少数分子称为活化分子。活化分子的能量要比分子平均能量超出一定值。这超出分子平均能量的定值称为活化能。活化分子碰撞发生化学反应,故称为有效碰撞。
当明火接触可燃物质时,部分分子获得能量成为活化分子,有效碰撞次数增加而发生燃烧反应。例如,氧原子与氢反应的活化能为25.10kJ?mol-1,在27℃、0.1MPa时,有效碰撞仅为碰撞总数的十万分之一,不会引发燃烧反应。而当明火接触时,活化分子增多,有效碰撞次数大大增加而发生燃烧反应。
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燃烧的过氧化物理论
在燃烧反应中,氧首先在热能作用下被活化而形成过氧键—O—O—,可燃物质与过氧键加和成为过氧化物。过氧化物不稳定,在受热、撞击、摩擦等条件下,容易分解甚至燃烧或爆炸。过氧化物是强氧化剂,不仅能氧化可形成过氧化物的物质,也能氧化其他较难氧化的物质。如氢和氧的燃烧反应,首先生成过氧化氢,而后过氧化氢与氢反应生成水。反应式如下:
H2+O2→H2O2 H2O2+H2→2H2O
有机过氧化物可视为过氧化氢的衍生物,即过氧化氢H—O—O—H中的一个或两个氢原子被烷基所取代。所以过氧化物是可燃物质被氧化的最初产物,是不稳定的化合物,极易燃烧或爆炸。如蒸馏乙醚的残渣中常由于形成过氧乙醚而引起自燃或爆炸。
燃烧的连锁反应理论
在燃烧反应中,气体分子间互相作用,往往不是两个分子直接反应生成最后产物,而是活性分子自由基与分子间的作用。活性分子自由基与另一个分子作用产生新的自由基,新自由基又迅速参加反应,如此延续下去形成一系列连锁反应。连锁反应通常分为直链反应和支链反应两种类型。
直链反应的特点是,自由基与价饱和的分子反应时活化能很低,反应后仅生成一个新的自由基。氯和氢的反应是典型的直链反应。在氯和氢的反应中,只要引入一个光子,便能生成上万个氯化氢分子,这正是由于连锁反应的结果。
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