2.4.3.4. Гетерогенный тепловой взрыв.

Кроме описанных выше гомогенных реакций (которые идут во всем объеме вещества) во многих процессах и устройствах идут гетерогенные реакции, когда химическое превращение происходит на поверхности раздела газа (например, воздуха) и твердого образца (например, куска каменного угля). Для скорости реакции по-прежнему выполняется (6) с тем отличием, что размерность величин W и k теперь г/(см²с) и k зависит от концентрации окислителя над поверхностью. Так же как в ТРТ, окисление на поверхности угля идет всегда, и так же как для ТРТ мы не замечаем этого при комнатной температуре ввиду чрезвычайно малой скорости реакции. Однако в отличие от ТРТ каменный уголь без изменения своего качества может храниться на открытом воздухе не годы или десятки лет, а только несколько месяцев. Для медленной гетерогенной реакции на поверхности угля в быту принят термин «выветривание». Кроме того, известен эффект самовозгорания угля в больших кучах, который прямо сводится к тепловому взрыву. Пока реакция медленная (низкотемпературный режим), внутрь кучи между кусками угля успевает проникать кислород воздуха (постоянно там поглощаемый) и его концентрация близка к таковой снаружи. Так как суммарная скорость реакции (и тепловыделение от нее) пропорциональна всей внутренней поверхности кучи (а значит, ее объему), физическая и математическая постановки задачи практически совпадают с постановкой для теплового взрыва при гомогенных реакциях. Поэтому качественно таким же должен быть и результат. В частности, непрерывное увеличение размера кучи (по аналогии с разобранным выше примером для эпоксидной смолы) должно в конце концов привести к переходу на высокотемпературный режим, что мы на бытовом уровне воспринимаем как беспричинное самовозгорание. После этого заканчивается аналогия с простейшим процессом, к которому относятся рис. 7, 8. Высокотемпературные реакции внутри кучи полностью «съедают» кислород, и в дальнейшем суммарная скорость реакции перестает зависеть от кинетики этой реакции (от величин Е, k) и определяется только количеством кислорода, которое успевает за единицу времени проникнуть (профильтроваться, продиффундировать) внутрь кучи. Режим высокотемпературных реакций, лимитируемых доставкой реагента, называют диффузионным. Соответственно лимитируемый скоростью реакций («кинетикой») низкотемпературный режим называют кинетическим.

Близкий к изложенному эффект наблюдается при так называемом горении терриконов – отвалов пустой породы около шахт. Породу приходится выдавать наверх при проходке штреков, и эта порода может содержать до 30% каменного угля, который при достижении кучей критического размера переходит в высокотемпературный режим как в обычной угольной куче. Разница состоит в огромных размерах терриконов, их трудно ликвидировать, хотя они и отравляют окружающую среду продуктами неполного сгорания угля. В 70-80 гг. были газетные сообщения о том, что в Донецке, где на территории города было много «горящих» терриконов, их заливали водой и принимали какие-то меры против фильтрации воздуха. Подробнее см. в Интернете (любая поисковая система, словосочетание «горение терриконов»). Аналогичные процессы происходят в достаточно больших кучах зерна и в стогах сена, особенно при повышенной влажности материала. Хотя обычно дело не доходит до пламени, в сельском хозяйстве разогрев кучи условно называют горением, по-видимому, имея в виду, что зерно или сено портится безвозвратно как если бы оно сгорело.