Горение веществ

В опытах по определению  температуры самовоспламенения установлено, что она изменяется не только с изменением объема горючего вещества, но и от формы сосуда (тары), в котором вещество находится. Объясняется это тем, что с изменением формы или размера сосуда изменяется удельная поверхность теплоотвода S/V. В одинаковых по форме сосудах она тем меньше, чем больше объем сосуда. Следовательно, с увеличением объема сосуда скорость теплоотвода уменьшается и в соответствии с этим температура самовоспламенения должна   понижаться.   Приведенные   ниже  температуры самовоспламенения паров жидкостей в сосудах различного объема подтверждают это предположение:

Вещество	Объем сосуда, л
	0,003	0,035	0,2	1	12
	Температура самовоспламенения, К
ацетон	949	853	792	764	740
бензол	941	792	852	832	—
бензин	-	556	521	516	497
Диэтиловый  эфир	485	470	453	443	433
керосин	556	521	506	500	483
метиловый спирт	771	746	714	701	659
сероуглерод	424	400	393	383	363
толуол	922	857	811	792	755

               

Температура самовоспламенения при увеличении объема снижается до тех пор, пока объем не достигнет некоторого значения (форма сосуда не изменяется); при дальнейшем увеличении объема температура самовоспламенения остается постоянной. Так, эксперимент показывает, что при объеме более 12 л температура самовоспламенения горючей смеси изменяется незначительно. Объясняется это тем, что в больших объемах горючая смесь самовоспламеняется не во всем объеме одновременно, а в части его, в которой создались наиболее оптимальные условия. Поэтому в малом объеме горючего вещества изменение теплоотвода через наружные поверхности влияет на изменение температуры самовоспламенения, а в большом объеме — нет.

Повышение температуры  самовоспламенения горючего вещества при уменьшении объема также не бесконечно. При очень малом объеме удельная поверхность теплоотвода становится такой большой, что скорость выделения тепла за счет окисления горючей смеси даже при очень высоких температурах не может превысить скорость теплоотвода, и самовоспламенения не происходит. На этом принципе сконструированы и работают многие устройства, предназначенные для предотвращения распространения горения по газовым смесям (огнепреградители).

Простейшим  огнепреградителем является защитная сетка, помещаемая в горючую газовую смесь, которая разбивается сеткой на мелкие объемы. При этом самовоспламенения произойти не может. Защитную сетку применяют в шахтерских лампах, а также в трубопроводах небольшого диаметра, по которым транспортируется смесь воздуха с парами нефтепродуктов. Защитную сетку нельзя применять для смесей

           

Рис. 13. Сосуды одинаковой емкости  с разной скоростью теплоотвода

 

воздуха с  водородом, ацетиленом,  парами  сероуглерода,  спиртами,  эфирами и другими веществами, имеющими либо низкую температуру самовоспламенения, либо высокую теплоту сгорания. В таких условиях горящая смесь при прохождении через защитную сетку не охлаждается ниже температуры самовоспламенения и продолжает гореть за сеткой. Большую удельную поверхность теплоотвода можно получить не только в результате уменьшения объема сосуда, но и приданием ему соответствующей формы. На рис. 13 изображены сосуды разной формы, которые вмещают одинаковые количества горючей смеси. В первом сосуде (куб) при нагреве происходит самовоспламенение смеси, во втором, представляющем собой тонкую щель, смесь не самовоспламеняется. Объясняется это тем, что второй сосуд имеет в несколько раз большую поверхность ляг теплоотвода, чем первый. Щелевыми огнепреградителями  снабжены  взрывобезопасные  светильники и электромоторы.   На рис. 14 изображен светильник ВЗГ-200 с щелевой защитой. Взрывчатая смесь, образовавшаяся    в объеме    помещения, по зазору между фланцами   (щель) проникает   внутрь светильника.    Если по какой- либо причине в светильнике произойдет взрыв смеси,

    

Рис.   14.    Взрывобезопасный    светильник  с щелевой защитой:

1 — корпус;   2 — щель;   3 — защитное  стекло; 4 — лампа

 

горение ее возможно    только внутри светильника, так как смесь вследствие большого теплоотвода не может самовоспламеняться и гореть. Таким образом, горение из светильника не может распространиться через щель, заполненную взрывчатой смесью, в помещение и вызвать в нем взрыв.

Температура самовоспламенения смесей горючих  паров и газов с воздухом изменяется в зависимости от их состава. Самая низкая температура самовоспламенения у стехиометрической смеси или смеси, близкой к ней. На рис. 15 приведен график зависимости температуры самовоспламенения смеси оксида углерода СО с воздухом от ее состава. Из графика видно, что наименьшая температура самовоспламенения у стехиометрической смеси, содержащей 29,5% (об.) СО, и у смесей, близких к ней по составу.

Температура самовоспламенения горючих смесей зависит от давления. Чем выше давление, тем ниже температура самовоспламенения. Ниже приведены температуры самовоспламенения бензина, бензола и керосина при различных давлениях:

 

Вещество	Давление, кПа
	100	500	1000	1500	2000	2500
	Температура самовоспламенения, К
Бензин	753	623	585	563	553	523
Бензол	953	893	865	793	773	763
Керосин	733	603	523	493	483	473

 

Температура самовоспламенения горючей смеси  уменьшается при повышении давления, что обусловлено увеличением скорости реакции.|

Очень большое  влияние на температуру самовоспламенения жидкостей и газов оказывают катализаторы. Каталитическими свойствами могут обладать даже стенки сосуда (тары и т. д.), в котором находится горючая смесь, или же нагретые поверхности твердого тела, являющегося источником воспламенения.

                   

Рис. 15. Зависимость  температуры  самовоспламенения смеси оксида углерода СО с воздухом от ее состава

 

 

Катализаторы могут быть также введены в само горючее вещество.

Температура самовоспламенения твердых веществ  зависит от степени их измельчения. Чем больше измельчено твердое вещество, тем ниже температура его самовоспламенения.

Для определения  температуры самовоспламенения  горючих газов и жидкостей разработано много методов. Наиболее распространенным из них является метод капли. Метод капли применяют для определения температуры самовоспламенения жидкостей и легкоплавких твердых веществ. В нагретый до определенной температуры сосуд вводят по каплям горючую жидкость. Та температура сосуда, при которой произойдет самовоспламенение жидкости, является ее температурой самовоспламенения. Для определения стандартной температуры самовоспламенения паров жидкостей по этому методу разработан стандартный прибор (ГОСТ 13920—68). Прибор (рис. 16) состоит из реакционного сосуда, выполненного из термически устойчивого материала (стекла, кварца или металла), электрической печи и трех термопар. Печь нагревают до предполагаемой температуры самовоспламенения и регулируют нагрев так, чтобы показания всех трех термопар в течение 5 мин были одинаковы или изменялись не более чем на 1°С. В пипетку или шприц набирают

                              

Рис. 16. Прибор для определения стандартной  температуры самовоспламенения:

1 — реакционный сосуд; 2 — печь; 3 — термопары.

Рис. 17. Схема прибора МакНИИ для определения минимальной температуры самовоспламенения: 1, 7, 8 — нагреватели; 2— реакционная колба; 3 — крышка печи; 4 — нагревательная печь; 5,6,9 — термопары.

 

требуемое количество жидкости и быстро вводят ее в реакционный сосуд. При появлении пламени в колбе считают, что произошло самовоспламенение. Опыт повторяют с таким же количеством жидкости до тех пор, пока не найдут минимальную температуру, при которой происходит самовоспламенение.

Стандартные температуры самовоспламенения паров жидкостей не являются минимальными, так как определяются в сосуде небольшого объема. Минимальная температура самовоспламенения паров жидкостей определяется в приборе МакНИИ (рис. 17), в котором объем реакционного сосуда в 8 раз превышает объем сосуда в стандартном приборе.

Температура самовоспламенения газов определяется обычно методом впуска на установке, показанной на рис 18. Установка состоит из электропечи 5 с двумя термопарами 4 и кварцевым сосудом 3, имеющим два штуцера. Один штуцер подсоединен к датчику давления 2 с блоком записи давления 1, второй — к электромагнитному клапану 6 для быстрого пропуска смеси из смесителя 8 через огнепреградитель 7 в реакционный сосуд. В смеситель 8, имеющий предохранительный клапан 9, через гребенку // подаются компоненты газовой смеси, парциальное давление которых измеряется ртутным манометром 10. Однородность смеси в смесители поддерживается мешалкой 12.

Перед испытанием печь нагревают до требуемой температуры и через открытый клапан эвакуируют всю систему до остаточного давления 400—700 Па. Затем, перекрыв клапан 6, подготавливают в смесителе испытуемую смесь и, открыв клапан 6, впускают ее в реакционный сосуд. За эффектом самовоспламенения наблюдают визуально через смотровое стекло. Если в течение 5 мин самовоспламенения не произойдет, опыт прекращают и готовят новый нагрев сосуда до более высокой температуры. Так продолжают до определения температуры самовоспламенения испытуемой газовой смеси.

Температуру самовоспламенения твердых неплавких веществ и материалов определяют на приборе ВНИИПО

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 18 Схема установки для определения  температуры самовоспламенения газов методом впуска:

/ — блок  записи давления; 2 — датчик давления; 3 — реакционный сосуд; 4 — термопары; 5 — нагревательная печь; 6 — электромагнитный клапан; 7 — огнепреградитель; 8 — смеситель; 9 — предохранительны» клапан; 10 — ртутный манометр;  // — гребенка; 12 — насос-мешалка.

 

                           

 Рис. 19.  Прибор ВНИИПО: 1 — реакционная     камера;_2-крышка;     3 — нагреватель; 4теплоизоляция;   5,12 — штуцера, - 6,9,10-термопары;    7-противень;    8 — корзинка;     11-спираль — источник зажигания.

 

(рис. 19). Основная  часть прибора - цилиндрическая  печь с  реакционной камерой 1, закрытой  крышкой  2. Печь,  равномерно по высоте  нагреваемая (электрическим  током (нагреватели 3), защищена асбестовой изоляцией 4. Воздух, необходимый  для горения, подается   в   реакционную камеру по штуцеру 5, а продукты сгорания отводятся по штуцеру 12. образец исследуемого вещества помещают в цилиндрическую корзинку 8 из проволочной сетки. При испытании плавящихся веществ под корзинкой подвешивают противень 7. Корзинку с образцом помещают в предварительно нагретую до заданной температуры печь. Температура в различных точках реакционной камеры контролируется термопарами 6, 9, 10. Изменение состояния образца наблюдают визуально через смотровое отверстие в крышке прибора. В момент самовоспламенения образца отмечают изменение температуры в камере. С каждым материалом проводят несколько опытов при различной температуре печи. За температуру самовоспламенения принимают самую низкую температуру печи, при которой происходит самовоспламенение образца. Термин «температура самовоспламенения» для твердых неплавких веществ и материалов является условным, так как некоторые из них (кокс, древесный уголь, графит, сернистое железо, некоторые металлы) горят без образования пламени (в виде каления или накала). Другие неплавкие материалы (древесина, торф, бумага) при нагревании разлагаются с выделением горючих продуктов, сгорающих с образованием пламени, и угля, сгорающих с образованием пламени, и угля, сгорающего в виде накала или тления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция 5

  Процесс возгорания и воспламенения

 

Возгоранием называется возникновение горения под воздействием источника зажигания. Под источником зажигания понимается горящее или накаленное тело, а также электрический разряд с запасом энергии и температурой, достаточными для возникновения горения других веществ.

Если возгорание сопровождается появлением пламени, то такой процесс возникновения горения называется воспламенением. Воспламенение хотя и является частным случаем возгорания, однако в практике имеет наибольшее распространение.

Физическая  сущность процесса воспламенения та же, что и самовоспламенения, так как условия самоускорения реакции окисления у них одни и те же. Основное различие между ними заключается в том, что процесс воспламенения пространственно ограничен частью объема горючего вещества, в то время как процесс самовоспламенения происходит во всем объеме. Поэтому при воспламенении удельная поверхность теплоотвода горючего вещества обычно выше, чем при самовоспламенении, и ускорение реакции окисления начинается при более высокой температуре.