Воспламенение

Для отопления ряда металлургических агрегатов широко используют газообразное топливо, содержащее горючие компоненты СО, Н₂, СН₄. Если нагреть горючую смесь, например 2Н₂+О₂, то, несмотря на большое термодинамическое сродство Н₂ к О₂ видимое взаимодействие не будет наблюдаться до некоторой критический температуры, называемой температурой воспламенения. При ее достижении начинается прогрессивный саморазогрев системы, и реакция приобретает значительную скорость и наступает тепловое воспламенение. Основны теории теплового воспламенения разработаны академиком Н.Н. Семеновым. Для ее выводов сделаны следующие предположения:

А) газовая смесь находится в замкнутом сосуде

Б) нагрев газовой смеси до начала реакции, до заданной начальной температуры Т=τ происходит за счет внешней среды с температурой τ

В) После начала взаимодействия по ходу реакции средняя Т смеси изменяется и становится больше τ среды

Температура воспламенения определяется отношением скоростей, выделения и отвода тепла. Количество тепла, выделяющегося за счет химической реакции в единицу времени в единицу объема будет равна:

!6!

!7!

!8!

В соответствии с принятыми допущениями по мере развития реакции возникает разности температур Т-τ и теплообмен между реагирующей системой и окружающее средой. Скорость отвода тепла представляет собой количество тепла, теряемое через стенку сосуда в единицу времени и отнесенная к единице объема. F и V – поверхность и объем сосуда. Альфа прив. – коэффициент теплообмена, количество тепла, отводимого с единицы удельной поверхности сосуда в единицу времени при Т- τ в 1 о. Коэффициент альфа в суммарном виде учитывает передачу тепла теплопроводностью, конвекцией и излучением. Зависимость q_отв от Т для разных τ передается семейством эквидистантны кривых. Точки пересечения кривых б с осью абсцисс соответствуют условиям Т=τ, Q=0, теплообмен с окружающей средой отсутствует. Возможны три случая.

Случай а) имеет низкую температуру окружающей среды τ1. В начале, когда Т=τ1 Q_выд больше Qотв и кривая а) проходит выше кривой б1. Тепла выделяется больше чем теряется и содержимое реакционного сосуда саморазогревается с соответствующим увеличением скорости выделения тепла по кривой а). Одновременно растет и Qотв по линии б1. В точке m при Т₁ Qвыд = Qотв. В этом случае дальнейшее накопление тепла и увеличение температуры сосуда прекращается. Процесс становится изотермическим. Если температура Т в сосуде случайно превысит Т₁, то Qотв станет больше Qвыд и горючая смесь начнет охлаждаться до Т₁. Аким образом при Т₁ автоматически устанавливается тепловое равновесие Qвыд=Qотв и реакция имеет стационарный характер и протекает с постоянной скоростью, но это при условии постоянной концентрации реагентов. В противном случае по мере их выгорания скорость выделения начнет падать. В области низких температур Т₁ скорость горения настолько мала, что видимых превращений не наблюдается и такой процесс называют окислением.

Случай б): имеем высокую температуру окружающей среды Т2. Здесь линия б2 проходит ниже кривой а) это означает, что пр любых температурах в сосуде Qвыд>Qотв и горючая смесь и интенсивно саморазгогревается и происходит воспламенение. По ходу реакции разница скоростей Qвыд-Qотв нарастает, идет прогрессирующее накопление тепла в системе, растет температура и скорость реагирования. Процесс вначале начинается медленно, затем нарастает лавинооборазно и наступает воспламенение.

Случай в) имеет критическую температуру окружающей среды тау критическое. Кривая бкр касается кривой а и начиная от тау критического система за счет протекания реакции саморазогреается. При Ткр Qвыд=Qотв, т.е. наступило тепловое равновесие, но в отличие о случая а), где тоже Qвыд=Qотв при Т₁ здесь же тепловое равновесие неустойчиво. Для его нарушения достаточно незначительного превышения температуры более Ткр, как вновь возникнет неравенство Qвыд>Qотв, как перед точкой Р, так и справа и процесс как и тау2 завершится интенсивным воспламенением и горением.

Таким образом Ткр является критической температурой, ниже которой реакция горения стационарна, выше Ткр – реакция развивается с самоускорением, т.е. Ткр и есть температура воспламенения. Она графически находит из условий касания кривых бкр и а.

Температура воспламенения зависит:

• От формы, материалов и размеров сосуда альфа прив, F и V

• От величины теплового эффекта и кинетических условий реакции Q, E, kо

• От концентрации реагентов, а при постоянном химическом составе смеси – от общего ее давления

Изменение условий, вызывающих уменьшение наклона кривых б и перемещение кривой а вверх приводит к уменьшению температуры воспламенение и наоборот.