Тема 3. Условия возникновения и развития процессов горения

Цель: изучить теории горения, понятия самовоспламенения и самовозгорания, условия и виды самовозгорания.

Учебные вопросы:

1. Теории горения: тепловая, цепная, диффузионная.

2. Виды самовозгорания.

3. Решение задач по расчету температуры самовоспламенения предельных углеводородов.

4. Решение задач по расчету температуры самовоспламенения предельных одноатомных спиртов.

5. Решение задач по расчету температуры самовоспламенения ароматических углеводородов.

 

Возникновение горения является наиболее важной и сложной стадией процесса горения. Детальное изучение механизмов возникновения горения очень важно для всех видов и аспектов профилактики пожаров.

В данной теме предусмотрено изучение теоретического материала, решение практических задач, выполнение лабораторных работ. Материал данной темы в полном объеме изложен в пособии [4], которое рекомендуется в качестве основного источника для изучения темы «Условия возникновения и развития процессов горения».

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.

 

Изучив тему, обучающийся должен:

знать:

- механизм возникновения теплового и цепного воспламенения;

- основы тепловой теории академика Н.Н.Семенова;

- виды самовоспламенения, факторы на них влияющие;

- механизм процесса самовозгорания;

- виды самовозгорания;

- перечень основных веществ, которые воспламеняются и горят при контакте с водой, воздухом и другими веществами.

Уметь:

- рассчитывать температуру самовоспламенения веществ по средней длине углеродной цепи;

- рассчитывать йодное число масел и жиров.

Владеть:

- экспериментальными способами определения минимальной температуры самовоспламенения;

- экспериментальными способами определения склонности масел к самовозгоранию;

- навыками экспериментального исследования изменения температуры самовоспламенения жидкостей от различных факторов;

Разделы для самостоятельного изучения

1. Определение склонности веществ к самовозгоранию, расчет йодного числа.

Методика расчета йодного числа изложена в работе [4] на страницах 30 - 31.

Для закрепления теоретического материала по теме предусмотрено выполнение двух лабораторных работ.

Для подготовки к лабораторной работе по теме «Определение минимальной температуры самовоспламенения жидкостей» необходимо:

- изучить теоретический материал по разделу «Самовоспламенение» (см. конспект лекций по теме и список литературы);

- уметь ответить на контрольные вопросы и знать определения основных понятий;

- знать назначение, принцип действия и устройство приборов МакНИИ и СТС (см. список литературы);

- в тетради для лабораторных работ оформить отчет: название работы, цели работы, материально-техническое обеспечение, теоретические основы работы (основные определения; формулы расчета; назначение, принцип действия, устройство и рисунок приборов МакНИИ и СТС).

Для подготовки к лабораторной работе по теме «Исследование склонности к самовозгоранию масел и жиров» необходимо:

- изучить теоретический материал по разделу «Самовозгорание» (см. конспект лекций по теме и список литературы);

- уметь ответить на контрольные вопросы и знать определения основных понятий;

- знать назначение, принцип действия и устройство прибора Маккея (см. список литературы);

- в тетради для лабораторных работ оформить отчет: название работы, цели работы, материально-техническое обеспечение, теоретические основы работы (основные определения; формулы расчета; назначение, принцип действия, устройство и рисунок прибора Маккея).

Вопросы для самоконтроля

1. Основы тепловой теории академика Н.Н. Семёнова.

2. Тепловое и цепное самовоспламенение, условия их возникновения.

3. Примеры (схемы) разветвляющейся и не разветвляющейся цепной реакции.

4. Температура самовоспламенения, её практическое значение. Методы определения.

5. Огнепреградители. Принцип работы, область применения.

6. Влияние объема и формы сосуда на температуру самовоспламенения.

7. Влияние состава газовой смеси на температуру самовоспламенения.

8. Влияние давления, наличия катализаторов на температуру самовоспламенения.

9. Сущность процесса самовозгорания, его отличие от самовоспламенения и воспламенения

10. Тепловое самовозгорание масел.

11. Способы определения склонности масел, жиров и олиф к самовозгоранию. Йодное число. Меры профилактики самовозгорания промасленных материалов.

12. Самовозгорание каменных углей. Профилактика самовозгорания.

13. Причины самовозгорания сульфидов металлов. Способы предупреждения самовозгорания сульфидов металлов.

14. Микробиологическое самовозгорание. Профилактика самовозгорания.

15. Самовозгорание химических веществ, при контакте с кислородом воздуха, режим их хранения.

16. Самовозгорание веществ при контакте с водой, способы их хранения.

17. Способы тушения щелочных металлов, карбидов и гидридов щелочных и щелочноземельных металлов.

18. Вещества, самовозгорающиеся при контакте с окислителями.

19. Факторы, влияющие на самовозгорание материалов.

Опорные термины по теме «Условия возникновения и развития процессов горения»: самовоспламенение, температура самовоспламенения, самовозгорание, йодное число, пирофорные вещества.