La combustione e i suoi processi

Definizione e Principi Fondamentali della Combustione

La combustione è un processo chimico esotermico di ossidazione, che si verifica quando un combustibile si combina rapidamente con un ossidante, solitamente l'ossigeno atmosferico, rilasciando energia sotto forma di calore e, in alcuni casi, luce. Questo processo può avvenire in diverse modalità, influenzate dalla natura del combustibile, dalla presenza di un adeguato comburente e dalle condizioni ambientali come temperatura e pressione. I combustibili possono essere di origine naturale, come il legno e il petrolio, o sintetica, come il gas di città e il coke. La combustione è un fenomeno complesso che coinvolge reazioni chimiche di ossidazione e processi fisici come il trasferimento di calore e massa, e la sua efficienza è determinata da variabili quali la miscelazione dei reagenti, la concentrazione di ossigeno e la temperatura.

Classificazione e Utilizzo dei Combustibili

I combustibili sono classificati in base al loro stato fisico in solidi, liquidi e gassosi. I combustibili solidi naturali includono legno e carbone, mentre quelli artificiali comprendono prodotti come il coke e il carbone di legna. I combustibili liquidi naturali sono rappresentati principalmente dal petrolio e dai suoi derivati, mentre i combustibili gassosi naturali includono il gas naturale e il gas di miniera. I combustibili gassosi artificiali, come il gas di sintesi, sono apprezzati per la loro facilità di trasporto e regolazione, nonché per una combustione più efficiente e pulita, con minori emissioni di fumo e ceneri. I combustibili liquidi trovano largo impiego in motori a combustione interna e impianti di riscaldamento, mentre i solidi, nonostante siano meno maneggevoli, sono ancora utilizzati per la loro disponibilità e per la possibilità di essere impiegati direttamente o dopo processi di raffinazione.

Reazioni Chimiche e Calore nella Combustione

Le reazioni chimiche fondamentali della combustione vedono il carbonio reagire con l'ossigeno per formare anidride carbonica (CO2), o, in condizioni di carenza di ossigeno, monossido di carbonio (CO). Gli idrocarburi, come il metano (CH4), reagiscono con l'ossigeno producendo acqua (H2O) e CO2, rilasciando notevoli quantità di energia termica. La combustione dell'idrogeno (H2) produce esclusivamente acqua. Queste reazioni sono fondamentali per calcolare la quantità d'aria necessaria per una combustione completa e per determinare il volume dei gas di scarico. Il potere calorifico di un combustibile è un indice della quantità di calore liberata per unità di massa durante la combustione, mentre la temperatura di fiamma dipende dal calore rilasciato e dalle proprietà termiche dei prodotti di reazione.

Dinamiche Fisiche e Regimi di Combustione

La combustione può avvenire in regime laminare o turbolento, influenzando l'efficienza del mescolamento dei reagenti. Nel regime laminare, il mescolamento avviene principalmente per diffusione molecolare, mentre nel regime turbolento sono presenti vortici che aumentano il trasporto di massa e calore. La combustione può essere classificata in premiscelata, dove combustibile e comburente sono mescolati prima dell'accensione, o a diffusione, dove il mescolamento avviene nella zona di reazione. La velocità di combustione è influenzata dalla velocità di trasporto dei reagenti e dalla temperatura, che deve superare la soglia di autoignizione per innescare il processo. La propagazione della fiamma richiede che la concentrazione di combustibile e comburente sia compresa tra i limiti di infiammabilità, che variano in funzione della composizione della miscela e delle condizioni ambientali.

Meccanismi di Combustione a Catena e Innesco

La combustione in fase gassosa avviene attraverso meccanismi a catena, iniziati dalla formazione di specie reattive come atomi o radicali liberi. Queste specie interagiscono con altre molecole per generare nuove specie reattive e prodotti stabili, proseguendo la reazione fino alla sua terminazione. L'innesco può essere omogeneo, con l'accensione che si verifica in modo uniforme nella miscela gassosa, o eterogeneo, innescato da fonti esterne come scintille o archi elettrici. La propagazione della fiamma è possibile solo se la miscela di gas combustibile e comburente è entro i limiti di infiammabilità, che sono influenzati dalla temperatura e dalla pressione della miscela.