Методические рекомендации по изучению темы

1. Изучите данную тему с использованием материала лекций и учебной литературы.

2. Заучите определения основных понятий.

3. Разберите особенности тепловой и цепной теорий горения.

4. Обратите внимание на сходные и отличительные особенности процессов самовоспламенения и самовозгорания.

5. Рассмотрите, как происходит тепловое, химическое и микробиологическое самовозгорание.

6. Разберите методики решения основных типов задач по данной теме. Методика решения задач по расчету температуры самовоспламенения по средней длине углеродной цепи в молекуле данного класса соединений изложена в работе [4] на страницах 12 - 23.

Приступая к изучению этой темы, необходимо вспомнить, что в основе воспламенения и горения лежит окислительно-восстановительная реакция, протекающая между горючим и окислителем. Эта реакция носит радикальный цепной характер. Подробнее о таких реакциях можно прочесть в пособии [4]. Энергия активации радикальных реакций составляет 0 – 63 кДж/моль, что ниже, чем у молекулярных реакций, поэтому в процессах воспламенения и горения реакции протекают именно по радикальному механизму. Особенностью таких реакций является отсутствие повышения температуры реагирующей системы в течение определенного времени, хотя реакция окисления носит экзотермический характер. Этот факт объясняется расходованием тепла на образование новых цепей. Такие реакции не подчиняются законам классической кинетики, в частности, уравнению Аррениуса.

В соответствие с выше изложенным процесс самовоспламенения некоторых горючих материалов находит объяснение с помощью цепной теории самовоспламенения.

В отличие от него в большинстве горючих систем на стадии воспламенения наблюдается постепенное повышение температуры среды, что вызвано экзотермичностью процесса, который носит на молекулярном уровне неразветвленный цепной характер, скорость этого процесса увеличивается с ростом температуры. Воспламенение по такому механизму называется тепловым самовоспламенением и объясняется тепловой теорией.

Основы обеих теорий и их количественные закономерности были разработаны советской школой ученых, а академику Н.Н. Семенову за разработку цепной теории была присуждена Нобелевская премия в 1956 году.

Практический интерес представляет вывод этой теории о существовании предельных условий самовоспламенения, определяемых соотношением скоростей тепловыделения и теплоотвода и равенством изменения этих скоростей при определенной температуре, называемой температурой самовоспламенения. Превышение скорости тепловыделения за счет реакции окисления в горючей системе при некоторой температуре над скоростью теплоотвода приводит к горению. Температура самовоспламенения принята в качестве показателя пожарной опасности веществ и материалов. Поскольку она не является физической константой, а зависит от ряда факторов (давления, поверхности теплоотвода, начальной температуры, концентрации горючего и пр.), ее стандартизируют и за показатель пожарной опасности принимают самую низкую температуру самовоспламенения горючей смеси стехиометрического состава. Все остальные условия, при которых проводится определение температуры самовоспламенения оговорены в специальных методиках. Поэтому необходимо ознакомиться с экспериментальными методами определения температуры самовоспламенения, которые рассмотрены в лабораторном практикуме [6], а также в ГОСТе 12.1.044.- 89. «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения» [1].

Стандартную температуру самовоспламенения определяют и расчетными методами. В учебном пособии [4] приведен один из наиболее распространенных методов, который основан на экспериментально установленной закономерности, что температура самовоспламенения увеличивается с уменьшением длины углеродной цепи в данном гомологическом ряду. Необходимо овладеть методикой расчета по этой схеме, а так же уметь оценивать погрешность метода при сравнении расчетных и экспериментальных данных.

Зависимость температуры самовоспламенения от площади удельной поверхности теплоотвода положена в основу работы устройств, предназначенных для предотвращения распространения горения по газовым смесям (огнепреградителей). Огнепреградители пропускают потоки газа, но препятствуют распространению пламени.

Огнепреградители встраиваются в факельные трубы для выброса горючих газов в атмосферу, перед горелками и на коммуникациях. Их действие основано на разбиении газового потока на множество газовых струек, в которых происходит понижение температуры горения и уменьшения скорости распространения пламени. Эффективность огнепреградителей зависит от диаметра пламегасящих каналов и слабо зависима от длины и материала стенок этих каналов. Чем меньше диаметр пламегасящего канала, тем больше площадь его поверхности на единицу массы реагирующей смеси, поэтому возрастают потери тепла из зоны горения. При очень малых диаметрах дальнейшее распространение пламени полностью прекращается, так как уменьшается скорость реакции.

К параметрам процесса самовоспламенения относится период индукции, характеризующий время от начала реакции окисления до воспламенения. Этот период зависит от начальной температуры, давления, химической природы горючего материала и т.д.

В данном разделе рассматривается также процесс самовозгорания, как частный случай самовоспламенения. Обратите внимание, что между самовоспламенением и самовозгоранием нет принципиальной разницы, критические условия воспламенения одни и те же.

Условно, если температура начала процесса лежит в пределах 290 – 320К, то говорят о самовозгорании, а если она выше, то процесс возникновения пламени называют самовоспламенением. Причиной самовозгорания могут быть микробиологические процессы, адсорбция паров и газов, сопровождающаяся повышением температуры и, как следствие, началом реакции окисления, большая реакционная способность некоторых веществ, например, щелочных металлов и т.д.

Обратите внимание, что самовозгоранию способствует развитая поверхность материала, термическая неустойчивость вещества и ряд других факторов. Таким образом, для самовозгорания и самовоспламенения наблюдаются одни и те же зависимости.

Самовозгорание бывает трех видов: тепловое, микробиологическое и химическое. Но во всех случаях причиной загорания остается экзотермический процесс, приводящий к нарушению теплового равновесия.