121

14.Изобразите графически условие самовоспламенения.

15.Напишите математическое выражение критических условий теплового самовоспламенения.

16.Является ли достаточным условием для самовоспламенения равенство тепловыдеоления и теплоотвода в системе?

17.От каких факторов зависит температура самовоспламенения?

18.Что называется удельной поверхностью?

19.Как зависит температура самовоспламенения от удельной поверхности реакционного сосуда?

20.Как меняется температура самовоспламенения при изменении реакционного

объема?

21.Как изменяется угол наклона прямой теплоотвода при изменении реакционного

объема?

22.Как зависит температура самовоспламенения от состава горючей смеси?

23.При какой концентрации горючего вещества температура самовоспламенения будет минимальной?

24.Как зависит температура самовоспламенения от давления?

25.Как можно увеличить теплоотвод?

26.Как изменяется температура самовоспламенения при увеличении теплоотвода?

27.На какой принципе основано действие сетчатых, гравийных огнепреградителей

ищелевой защиты?

28. Сравните температуры самовоспламенения горючей газо-воздушной смеси в сосудах в форме шара диаметром: № 1 – 10 см: № 2 – 20 см; № 3 – 30 см.

29.В каком из образцов торфа теплоотвод будет максимальным? Образец № 1 – куб с ребром 0,5 м; образец № 2 – куб с ребром 0,75 м; образец № 3 – куб с ребром 1 м.

30.Как зависит температура самовоспламенения от длины углеродной цепи? Расставить вещества в порядке возрастания температуры самовоспламенения: декан, пентан, октан, гексан.

31.Расставьте вещества в порядке убывания температуры самовоспламенения: 2,3- диметилгексан, 3-метилгептан, октан, 2,2,3-триметилпентан.

ГЛАВА 7. САМОВОЗГОРАНИЕ

7.1. Механизм процесса самовозгорания веществ

В некоторых случаях горение твердых горючих материалов может возникнуть за счет самонагревания, которое обусловлено происходящими в веществах физическими, химическими и биологическими процессами при низких (до 70 °С) температурах (окисление, разложение, адсорбция, конденсация, жизнедеятельность микроорганизмов и т.д.). Этот процесс называется

самовозгоранием.

Самовозгорание − резкое увеличение скорости экзотермических

процессов в веществе, приводящее к возникновению очага горения.

122

Самовозгорание веществ и материалов часто становится причиной пожара на промышленных объектах.

Все горючие вещества, находящиеся в соприкосновении с воздухом, при определенных температурах начинают окисляться. Этот процесс сопровождается выделением тепла. В некоторых случаях отвод выделяющегося тепла сильно ограничен, и при определенном соотношении скоростей выделения и отвода тепла, возможно самонагревание горючего материала.

Самонагревание некоторых веществ может происходить не только в результате окисления, но и от других экзотермических реакций (разложение), а также от ряда физических и биологических явлений.

При определенных условиях, процесс самонагревания может привести к возникновению горения, аналогично как при явлении самовоспламенения.

Современная теория теплового самовозгорания веществ и материалов базируется на представлении о блуждающих "горячих точках", которые формируются по определенным закономерностям. Представим дисперсную систему (рис.6.1) ограниченных размеров (кипы ваты, хлопка, мешки с рыбной мукой и т.п.). Система и окружающая среда имеют температуру То, а внутри ее образовалась небольшая зона, в которой начались окислительные процессы.

T0	O2			O2
O2	Т0	q		O2
			ПГ
	q	ТР		q
O2		q		O2

Рис.7.1. Схема возникновения "горячей точки"

123

В результате окисления выделяется теплота, которая распространяется во всех направлениях (конвекцию учитывать не будем). Температура в реакционной зоне будет постепенно расти и достигнет значений, при которых начнутся процессы термической деструкции твердого материала с выделением продуктов разложения. Последние будут конденсироваться и адсорбироваться на поверхности вещества.

Обязательным условием такого процесса является наличие кислорода и развитой поверхности горючего вещества. Чем больше дисперсность материала, тем больше его удельная поверхность, а значит и выше скорость процессов окисления, разложения, конденсации и адсорбции, в результате которых выделяется и накапливается внутри материала теплота:

q+ = qр + qдестр + qконд + qадс,

где q+ - тепловой эффект реакций окисления;

qдестр - тепловой эффект реакций термической деструкции; qконд - теплота конденсации продуктов разложения;

qадc - теплота адсорбции продуктов реакций.

Если скорость теплоотвода будет ниже скорости тепловыделения в зоне реакций, то начнется процесс самонагревания внутри объема вещества. С увеличением температуры данный процесс будет ускоряться за счет увеличения скорости реакций и интенсивности тепловыделения. Если кислорода в зоне реакций достаточно, а отвод теплоты в окружающую среду затруднен, то непрерывный процесс самонагревания может перейти в качественно новую стадию - самовозгорание. Процессы самонагревания и самовозгорания развиваются, как правило, в диффузионной области, и скорость их зависит от скорости поступления (диффузии) кислорода снаружи в зону реакции.

Самовозгоранию подвержены легкоокисляющиеся пористые и волокнистые вещества и материалы, имеющие в себе большой запас молекулярного кислорода.

124

Структура горючих материалов по объему неоднородна: разная плотность упаковки, плотность, влажность и т.д. Это приводит к тому, что в большом объеме материала зона реакции будет перемещаться с разной скоростью, в разных направлениях. В той части, где теплоты отводится меньше, температура будет выше. Этот участок будет как бы подвижным тепловым центром реакционной зоны, ее блуждающей "горячей точкой". Максимальная температура будет наблюдаться в наиболее заглубленной части материала.

Первоначальный период самовозгорания часто бывает незаметен снаружи, так как продукты термоокислительной деструкции полностью адсорбируются внутри вещества. В объеме материала, как правило, возникают одновременно несколько "горячих точек", которые по мере развития процесса сливаются друг с другом с образованием глухих, не сообщающихся с по-

верхностью вещества прогаров. Обнаружение таких прогаров при иссле-

довании пожара является однозначным признаком его возникновения в результате самовозгорания.

Причиной возникновения "горячих точек" в некоторых материалах растительного происхождения являются микробиологические процессы. В органических веществах, подобных зерну, шерсти, рыбной муке, сену, торфу и т.п., вследствие жизнедеятельности микроорганизмов выделяется теплота,

которая аккумулируется в объеме материала. При достижении температуры 60-70 °С микроорганизмы погибают. Однако к этому времени уже формируются блуждающие "горячие точки", и начинается процесс теплового само-

возгорания.

Анализ приведенного выше выражения показывает, что условия самовозгорания зависят от химической природы материала, его формы и массы, начальных и граничных условий теплообмена с окружающей средой. Для каждого сыпучего или волокнистого материала существуют свои критические условия самовозгорания. Расчетные методы их определения отсутствуют, хотя и накоплен большой экспериментальный материал, на базе которого

125

разрабатываются мероприятия по предотвращению пожаров от самовозгорания. Для этого прежде всего необходимы знания параметров пожарной опасности веществ и материалов в конкретных условиях их переработки, хранения и транспортировки. К этим параметрам относятся температура самонагревания, температура тления и условия теплового самовозгорания. Указанные параметры определяются по специальным экспериментальным методикам, изложенным в ГОСТ 12.1.044-89.

Температура тления при самовозгорании - это температура твердого вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций окисления твердых продуктов разложения, приводящее к возникновению очага тления.

Условия теплового самовозгорания - это экспериментально выявлен-

ная зависимость между температурой окружающей среды, массой вещества и временем до момента его самовозгорания. Методика испытаний позволяет на малых образцах получить достаточно надежные и пригодные для практики аналитические выражения для критических условий теплового самовозгорания tc = f(S) и tc = f(τ) (С.Н. Таубкин и В.Т. Монахов). Образец помещают в сетчатые корзиночки кубической формы с длиной ребра от 35 до 200 мм (всего шесть размеров), нагревают в воздушном термостате в изотермических условиях и для каждого размера определяют минимальную температуру, при которой образец самовозгорается. По результатам испытаний строят графики зависимости логарифма температуры самовозгорания от логарифма удельной поверхности корзиночки, а также от логарифма времени до самовозгорания (рис.7.2). Полученные на графиках прямые аппроксимируют в

виде уравнений (условия теплового самовозгорания):
lg tc = а + b lg S	(7.1)
lg tc = a/ − b/ lg τ,	(7.2)

где

tc – минимальная температура самовозгорания, 0С; S – удельная поверхность образца, м-1;

126

τ - время до возникновения самовозгорания, час;

а, b, a/, b/ - константы для каждого горючего материала.

Эти уравнения позволяют легко рассчитать время и температуру самовозгорания для веществ, находящихся в таре, ссыпанных в кучи, сложенных в штабель и т.п.

lg(tc)	lg(tc)

lgτ		lg S

Рис. 7.2. Зависимость температуры Тс от удельной поверхности S и от времени τ до самовозгорания образца

Условия теплового	Пример 7.1. Оценить возможность теплового самовоз-
самовозгорания	горания хлопка (образцы в форме куба, плотность материа-
	ла ρ = 80 кг/м3 и влажность W = 4,5 %) при tc = 100 0С по
	следующим данным:
	lg tc = 1,986	+ 0,157 lg S
	lg tc = 2,334	− 0,06 lg τ.

Решение:

1. Для заданных условий (tc = 1000С) определим удельную поверхность образца хлопка:

lg 100 = 2

2 = 1,986 + 0,157 lg S

lg S = 2 −1,986 =0,09 0,157

S = 100,09 = 1,23 м-1

2.Определим геометрические размеры куба (ребро куба):

а = S6 = 6/1,23 = 4,88 м

3.Определим время до возникновения самовозгорания при этих условиях: