Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
LR3_Opredel_temper_samovosplam2005.doc
Скачиваний:
5
Добавлен:
12.11.2019
Размер:
208.9 Кб
Скачать

12

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Утверждено

на заседании кафедры пожарной

и производственной безопасности

27 сентября 2005г.

Зависимость температуры самовоспламенения от

Концентрации паров горючей жидкости в

Паровоздушной смеси

Методические рекомендации

к лабораторной работе №3

Ростов-на-Дону

2006

УДК 614.841

Зависимость температуры самовоспламенения от концентрации паров горючей жидкости в паровоздушной смеси. Методические рекомендации к лабораторной работе № 3. Ростов-на-Дону: Рост. гос.строит. ун-т, 2006. -12 с.

В методических рекомендациях содержатся экспериментальные и расчетные методы определения температуры самовоспламенения в зависимости от концентрации паров горючей жидкости в паровоздушной смеси.

Предназначены для студентов специальностей "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств" и "Защита в чрезвычайных ситуациях".

Составители: д-р техн. наук, проф. Е.И.Богуславский,

ст.преп. Е.А.Чикалова

Редактор н.Е.Гладких Темплан 2006 г., поз. 228.

-----------------------------------------------------------------------------------------------

Подписано в печать 28.12.05. Формат 60х84/16.

Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 50 экз. Заказ

────────────────────────────────────────────────

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета

344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

© Ростовский государственный

строительный университет, 2006

Цель работы. Определить экспериментально зависимость температуры самовоспламенения от заданной концентрации горючего вещества.

1. Теоретическая часть

Многие горючие вещества могут воспламеняться без внешнего источника зажигания. Число пожаров в результате самопроизвольного загорания во всем мире увеличивается. Опасность самопроизвольного воспламенения определяется не только химической природой горючих веществ, но и физическими характеристиками: объемом сосудов с горючим, агрегатным состоянием, дисперсностью, влажностью и другими факторами.

Опыт показывает, что при производстве и транспортировке горючих веществ: красителей, пластмасс, удобрений, лекарственных препаратов и т.д., а также в ряде других производств, в том числе в ядерной и атомной промышленности, повышение температуры окружающей среды до некоторой величины приводит к тому, что горючие материалы в среде, содержащей кислород или другой окислитель, самостоятельно воспламеняются. Явление носит название самовоспламенения, а минимальная температура, при которой возникает горение, - температурой самовоспламенения. Время, пошедшее на разогрев системы от начальной температуры до температуры появления пламени, называют периодом индукции или временем задержки воспламенения. Частным случаем самовоспламенения является самовозгорание, отличающееся от первого тем, что процесс начинается при сравнительно низкой температуре (как правило, самовозгорание присуще конденсированным горючим системам).

Тепловая теория самовоспламенения была предложена Нобелевским лауреатом академиком Н.Н.Семеновым. Суть теории заключается в следующем. В сосуде объемом V находится горючая газовая смесь при некоторой повышенной температуре. Температура стенок сосуда ТСТ поддерживается постоянной. В смеси будет протекать химическая реакция. Предположим, что в сосуде температура везде одинакова и равна Т, при этом скорость реакции описывается законом

, (1)

где к – константа скорости реакции, к = ко ;

Г, о – концентрация горючего и окислителя соответственно;

n, m – порядок реакции по компонентам;

Е – эффективная энергия активации;

Т – температура газовой смеси;

R – универсальная газовая постоянная.

Если принять тепловой эффект реакции Q, то скорость тепловыделения (q+) в сосуде объемом v можно записать соотношением

q(+) = Q V W = Q V ко . (2)

Часть тепла, выделившегося в результате химического взаимодействия горючего и окислителя, пойдет на нагрев смеси и, соответственно, при этом будет увеличиваться скорость реакции (в уравнении Аррениуса зависимость W=f(t) носит экспоненциальный характер). Другая часть тепла будет отводиться в окружающую среду. Количество отводимого (потерянного) тепла

q(+)= S ( T – TСТ ), (3)

где Т – температура газовой смеси;

ТСТ­ – температура стенок сосуда;

 – коэффициент теплопередачи;

Sповерхность стенок сосуда с горючей смесью.

Д ля того чтобы установить в каких условиях может произойти самовоспламенение смеси, рассмотрим графически процессы тепловыделения и теплоотвода. На рис.1 в координатах q-T отложены условная кривая тепловыделения (q+) и три кривых теплоотвода, соответствующие трем разным значениям ТСТ, т.е. той температуры, при которой в начальный период находилась горючая смесь. Видно, что в зависимости от начальной температуры кривые (q+) и (q) могут иметь общую точку, пересекаться или не пересекаться, т.е. возможны несколько состояний системы. При самой низкой начальной температуре – (левая кривая) нагрев смеси за счет химической реакции будет вести к повышению температуры до тех пор, пока скорость теплоотвода не станет равна скорости тепловыделения. Это соответствует на графике точке А' и температуре Т1 . В принципе состояние системы в таком режиме отвода и выделения тепла устойчивое. Если смесь нагревается выше Т1 , то она вновь охладиться, так как (q)  (q+).

При более высокой начальной температуре ТСТ стационарное состояние системы (q +) = (q –) будет реализовано при более высокой температуре в точке А", соответствующей температуре Т2 , и картина процесса будет аналогична предыдущему случаю. Критической, граничной температурой устойчивого стационарного состояния системы будет служить температура горючей смеси в точке В, где система попадает в неустойчивое равновесие, при котором незначительное повышение температуры приведет к самовоспламенению. Следовательно, при начальной температуре смеси ТСТ возможно достижение неустойчивого предельного равновесия горючей системы, а при незначительном повышении температуры в ней реакция заканчивается горением, так как и слева и справа от точки В (q +)  (q –). Произойдет самоускоряющийся разогрев. Графически в точке В скорость тепловыделения и скорость теплоотвода и их производные по температуре равны. По оси ординат отложены скорости тепловыделения и теплоотвода (количество тепла в единицу времени), по оси абсцисс – температура.

Таким образом, критическое условие самовоспламенения можно сформулировать соотношениями:

1) (q +) = (q), 2) , 3) .

Подставляя выражения для скорости тепловыделения и теплоотвода из (2) и (3), получим

Q ко = ( TTСТ ), (4)

Q ко = . (5)

Разделив уравнение (4) на (5), имеем

= ( TTСТ ) . (6)

Поскольку в точке В (рис.1) температура газовой смеси равна температуре самовоспламенения, то

( TСВTСТ ) = . (7)

Решая уравнение (7) относительно температуры самовоспламенения и используя разложение квадратного уравнения в степенной ряд, ограничиваясь двумя членами разложения, получим

TСВ = TСТ + . (8)

Из уравнения (8) следует, что температура в сосуде ТСВ отличается от начальной ТСТ на величину , которая составляет по экспериментальным данным 25–40С.

На практике температурой самовоспламенения является температура стенок сосуда, которую измеряют термопарой, так как система, достигшая этого состояния, сама нагреется до ТСВ, и тепловое самовоспламенение произойдет самопроизвольно.

Из уравнений (4) и (5) следует, что тепловое равновесие в момент самовоспламенения может быть достигнуто при различной температуре в зависимости от геометрии и размеров сосуда, так как при этом изменяются удельная поверхности S/V , концентрации компонентов в горючей смеси. Иными словами, ТСВ не является константой горючей смеси. ТСВ = f (Г , S/V, вида горючего и т.д.). Минимальная температура самовоспламенения горючего отвечает стехиометрическому составу смеси (рис.2), так как при этом максимальна скорость тепловыделения.

П ромежуток времени саморазогрева горючей системы с ТСВ до появления пламени (см. рис.1) называется индукционным периодом теплового самовоспламенения. Эта величина составляет  1-2 секунды и зависит от вида и состава горючей смеси, а также условий процесса самовоспламенения. Чем выше температура нагрева горючей смеси, тем меньше период индукции.

Для оценки пожароопасных свойств веществ используют стандартную температуру самовоспламенения, найденную экспериментально в сосуде стандартного размера для горючей смеси в эквимолекулярном соотношении. Стандартную температуру самовоспламенения предельных углеводородов, одноатомных спиртов и ароматических соединений можно рассчитать приближенно по средней длине углеродной цепи молекулы. Для этого сначала находят число цепей в молекуле горючего вещества

,

где МР – количество функциональных групп в молекуле (СН3, ОН, фенил).

Определив по структурной формуле длину каждой цепи, рассчитывают ее среднее значение, характерное для данной молекулы

,

где mi – число цепей с длиной li . Значение ТСВ находится по таблицам приложения в зависимости от lср .

Из выводов критических условий самовоспламенения следует один практический результат. Уменьшение объема сосуда приведет к увеличению доли тепла, отводимого от единицы объема горючей смеси и как следствие – к повышению ТСВ . Этот факт используют при создании огнепреградителей.

Таким образом, закономерности, полученные из теоретических рассуждений об условиях самовоспламенения горючих систем, имеют практическое значение в деле обеспечения пожаровзрывобезопасности многих технологических производств и многих объектов народного хозяйства.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]