Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Температура самовоспламенения

Согласно тепловой теории, под температурой самовос­пламенения понимают самую низкую температуру веще­ства (материала, смеси), при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчи­вающихся возникновением пламенного горения. На рис. 12 такой температурой является температура Тс, соот­ветствующая точке В, в которой линия теплоотвода q’’1 касается линии тепловыделения q2. Измерение темпера­туры Тс практически очень затруднено, что обусловлено большими скоростями изменения температуры смеси при ее самонагревании. Поэтому за температуру самовоспла­менения принимают ту наименьшую температуру стенки сосуда или окружающей среды, при которой в данных условиях происходит самовоспламенение вещества, т. е. tо. Это не влечет за собой слишком большой ошибки.

Время с момента установления в горючем веществе температуры То до достижения температуры Тс назы­вается периодом индукции или временем запаздывания самовоспламенения. Период индукции для одного и того же вещества неодинаков и сильно зависит от состава го­рючей смеси, температуры и давления. Чем ниже темпе­ратура нагрева горючего вещества при самовоспламене­нии, тем больше период индукции. Поэтому часто за тем­пературу самовоспламенения принимают ту температуру окружающей среды или стенок сосуда, при которой пе­риод индукции самый большой.

Ниже показано изменение периода индукции смесей метана с воздухом в зависимости от их состава и тем­пературы сосуда:

 

Содержание метана в смеси с воздухом, %.. 6 8 10

Период индукции, с

при 775°С …………………………………. 1,08 1,23 1,4

» 825°С........……………………………… 0,58 0,62 0,68

» 875 °С........……………………………….. 0,35 0,37 0,41

 

При определении температуры самовоспламенения не­возможно измерить период индукции, поэтому за период индукции принимают время с момента нагрева вещества до появления пламени. Период индукции имеет практи­ческое значение при действии на горючее вещество маломощных источников воспламенения (искры). При по­падании искры в горючую смесь паров или газов с возду­хом некоторый объем смеси нагревается и в то же время охлаждается искра. Воспламенение смеси в этом случае зависит от соотношения периода индукции смеси и време­ни охлаждения искры. Если период индукции больше времени охлаждения искры до температуры, которая ни­же температуры самовоспламенения, то воспламенение смеси не происходит. Если же период индукции меньше времени охлаждения искры, смесь воспламеняется. Та­ким образом, искра небольшой мощности может воспла­менить смесь с малым периодом индукции и может не воспламенить смесь с большим периодом индукции.

Период индукции твердых веществ отличается от пе­риода индукции газовых и пылевых смесей. Если период индукции для газовых смесей составляет десятки и сот­ни секунд, то период индукции для твердых горючих ве­ществ может составлять часы, дни и месяцы. При темпе­ратуре самовоспламенения вещества горение еще не возникает. Оно возникает и развивается при температуре горения (пламени), значительно превышающей темпера­туру самовоспламенения. Например, температура само­воспламенения бензина 260°С, а температура его пламени 1200-1300оС. Скачок в подъеме температуры с 260 до 1200оС —результат самонагревания смеси паров бен­зина с воздухом.

Температура самовоспламенения горючего вещества не является постоянной величиной. Согласно тепловой теории самовоспламенения, эта температура зависит от скорости тепловыделения и скорости теплоотвода кото­рые в свою очередь зависят от объема горючего вещест­ва его концентрации, давления и других факторов.

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 пли 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:

 

Объем сосуда, л.... 0,008 0,035 0,2 1 12 Температура самовоспла-

мене­ния, К

ацетона....……………… 949 853 792 764 740

бензола...... ……………. 941 792 852 832 -

бензина....……………… — 556 521 516 497

диэтилового эфира ……… 485 470 453 443 433

керосина...…………… 556 521 506 500 483

метилового спирта ……… 771 746 714 701 659

сероуглерода..………… 424 400 393 383 363

толуола....……………….. 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 и 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 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.

 

Рис.13. Сосуды одинаковой емкости с разной скоростью теплоотвода

 

 
 

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 теплоотвода, чем первый. Ще­левыми огнепреградителями снабжены взрывобезопасные светильники и электромоторы. На рис. 14 изображен светиль­ник ВЗГ-200 с толевой заши­той. Взрывчатая смесь, образо­вавшаяся в объеме помеще­ния, по зазору между фланца­ми (щель) проникает внутрь светильника. Если по какой-либо причине в светильнике произойдет взрыв смеси, го­рение ее возможно только внутри светильника, так как в зазоре 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.

 

Рис.14. Взрывобезопасный светильник с щелевой защитой:

1 – корпус; 2 – щель; 3 – защитное стекло; 4 – лампа.

 

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.

 

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

 

 

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:

Давление, кПа ………. 100 500 1000 1500 2000 2500

Температура само-

воспламенения, К

бензина …………….. 753 623 583 563 553 523

бензола …………….. 953 893 863 793 773 763

керосина …………… 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. 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

 

Рис.16. Прибор для определения стандартной температуры самовоспламенения:

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

 

 

1 °С. В пи­петку или шприц набирают 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.

 

 

Рис.17. Схема прибора МакНИИ для определения минимальной температуры самовоспламенения:

1,7,8 – нагреватели; 2 – реакционная крлба; 3 – крышка печи; 4 – нагревательная печь; 5,6,9 –термопары.

 

Температура самовоспламенения газов определяется обычно методом впуска на установке, показанной на рис.18.


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

1 – блок записи давления; 2 – датчик давления; 3 – реакционный сосуд; 4 – термопары; 5 – нагревательная печь; 6 – электромагнитный клапан; 7 – огнепреградитель; 8 – смеситель; 9 – предохранительный клапан; 10 – ртутный манометр; 11 – гребенка; 12 – насос-мешалка.

 

 

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 /, 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 11 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.19).

 
 

Рис.19. Прибор ВНИИПО:

1 реакционная камера; 2 крышка; 3 нагреватель; 4 теплоизоляция; 5, 12 — штуце­ра; 6, 9, 10 термопары; 7 — противень; 8 —- корзинка; 11— спираль — источник зажигания.

 

 

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, сгора­ющего в виде накала или тления.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Подставляя выражение скорости реакции, получим | Процесс возгорания и воспламенении
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 4140; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.042 сек.