Самовоспламенение газообразной смеси стехиометрического состава

Самовоспламенение в горючей системе

Предположим, что в горючей системе стехиометрического состава имеются термические условия, необходимые для медленных химических превращений, протекающих с малой скоростью. В процессе этих превращений выделяется тепловая энергия. Одна часть этой энергии отводится в окружающую среду, другая расходуется на разогрев газообразной смеси. Разогрев приводит к увеличению температуры. Увеличение температуры сопровождается ускорением химических превращений. Причинами ускорения являются

- термическая активация сталкивающихся молекул, описываемая зависимостью константы скорости реакции от температуры (закон Аррениуса),

- возрастание числа активных частиц в системе, интенсифицирующих реагирование по цепному типу.

Ускорение химических превращений увеличивает выделение тепловой энергии в системе и, как следствие, изменяет термические условия.

Скорость реакции остаётся малой вплоть до определённого состояния, называемого самовоспламенением. Самовоспламенение является критическим событием в горючей системе, отделяющим медленное химическое превращение от быстрого. При самовоспламенении скорость реакции становится настолько большой, что сопровождается вспышкой и звуковыми эффектами, возникает пламя. В литературе по химической кинетике горения переход от медленной реакции к быстрой часто называют тепловым взрывом.

Термические условия явления самовоспламенения описываются температурой самовоспламенения и давлением. При определённой температуре существует минимальное давление смеси, ниже которого самовоспламенение невозможно. Связь между минимальным давлением и абсолютной температурой выражается уравнением

где a₁ a₂ – константы, зависящие от вида горючего вещества.

Графически зависимость температуры самовоспламенения от минимального давления имеет вид

Рис. 1. Зависимость температуры самовоспламенения от давления на нижнем пределе самовоспламенения

Значения минимальных давлений образуют нижний предел самовоспламенения. Кроме нижнего по давлению предела самовоспламенения для некоторых горючих веществ существует верхний предел, выше которого самовоспламенение также невозможно.

Наличие нижнего предела связано с обрывом цепей на поверхности, ограничивающей горючую систему. Интенсивность обрыва определяется размерами горючей системы и свойствами поверхности, ограничивающей объём. Наличие верхнего предела связано с обрывом цепей в объёме горючей системы.

При экспериментальном исследовании реакции водорода с кислородом были обнаружены три предела самовоспламенения. Покажем их на следующем графике.

Рис. 2. Пределы воспламенения по давлению стехиометрической смеси водорода с кислородом

Если начальным термическим условиям смеси отвечает точка, лежащая слева от кривой ABCD, то происходит медленное протекание реакции. Если начальным термическим условиям смеси отвечает точка, лежащая справа от кривой ABCD, то происходит воспламенение. Точки, лежащие на кривой отвечают температуре самовоспламенения. Участок AB соответствует первому, BC – второму, а CD – третьему пределам воспламенения. Область между первым и вторым пределами называют полуостровом воспламенения.

Дата добавления: 2014-01-07