2.1. Тепловое самовоспламенение

Под самовоспламенением понимают равновесный нагрев смеси до температуры, выше которой смесь самостоятельно, без дальнейшего внешнего нагрева, воспламеняется.

Пусть Q₊ − скорость тепловыделения в сосуде:

Q₊ ~ qke^–E/RT, (2.1)

где q – тепловой эффект реакции;

k – предэкспоненциальный множитель;

E – энергия активности;

R – газовая постоянная;

T – температура.

Q_– − скорость теплопотерь за счёт теплообмена газа со стенкой сосуда:

Q_– = α , (2.2)

где α − коэффициент теплоотдачи от газа к стенке, S − общая площадь стенки сосуда, V – объём газа в сосуде, T₀ – температура стенок сосуда.

Пусть некоторый объём газа V заключён в сосуд, стенки которого поддерживаются при постоянной температуре Т₀. Предположим, что при возникновении химической реакции температура Т₀ горючей смеси внутри сосуда везде растет одинаково. Весь объём горючей смеси реагирует одинаково во всех точках, так как концентрация реагирующих веществ в любой точке сосуда одна и та же.

Температура самовоспламенения зависит от многих факторов:

• химического состава;

• его физических свойств (теплоёмкость, теплопроводность);

• времени индукции;

• давления в сосуде;

• материала стенок сосуда;

• начальной температуры стенок;

• метода определения температуры самовоспламенения.

Существует целый ряд экспериментальных методов определения температуры самовоспламенения газовых смесей. Основными из них являются:

• метод впуска заранее заготовленной холодной смеси в эвакуированный нагретый сосуд;

• метод нагревания компонентов смеси раздельно и затем смешивание в потоке нагретого сосуда (метод концентрических трубок);

● метод адиабатического сжатия заранее заготовленной смеси.

Обычно в опытах состав смеси и давление задаются заранее, а меняется температура стенок. Для этого случая представлена другая диаграмма (рис. 2.1.).

Рис. 2.1. Т_s − температура стенки

При постоянном повышении температуры стенки Т_S соответствующая прямая теплоотдачи (Q_–) перемещается вправо параллельно самой себе. До тех пор пока прямая теплоотвода пересекает кривую тепловых делений (Q₊), разогрев системы стационарен. Выше температуры Т_S теплоприход превышает теплоотвод: система прогрессивно разогревается, реагирует, происходит воспламенение. Т_S является нижней границей температуры самовоспламенения. Температура, при которой тепловыделение равно теплоотводу Т_В, называется температурой воспламенения (касание линий). Таким образом, критическое условие возникновения теплового самовоспламенения определяется касанием линий и выражается критерием Н.Н. Семенова:

(2.3)

где Т_окр. – температура окружающей среды.

При Se < 1/e – тепловое самовоспламенение не происходит;

Se > 1/е – реакция протекает с самоускорением;

Se = 1/е – критическое значение для возникновения теплового самовоспламенения.