|
2.5. ТЕМПЕРАТУРА САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ
Температура самовоспламенения сильно зависит от давления. Это связано с тем, что Т* есть функция скорости реакции окисления, которая зависит от давления. Особенно сильно влияние давления на Т* проявляется для газообразных и жидких веществ. Чем выше давление горючей смеси, тем ниже Т* и наоборот. Для подтверждения этого приведем таблицу зависимости Т* от давления р для некоторых углеводородов. Таблица 2.2 Зависимость температуры самовоспламенения (Т* , 0С) от давления для некоторых углеводородов
Самовоспламенение газо- и паровоздушных смесей в компрессорах и аппаратах с повышенным давлением всегда происходит при более низких температурах, чем при атмосферном давлении. В табл. 2.3 приведена зависимость температуры самовоспламенения Т* метано-воздушной смеси от давления.
Таблица 2.3 Зависимость температуры самовоспламенения метано-воздушной смеси от давления
Газо- или паровоздушная смесь может иметь различный состав, в зависимости от которого изменяется и его температура самовоспламенения. Это связано с тем, что скорость химической реакции при постоянной температуре зависит от концентрации реагирующих веществ. Наиболее бедная горючая смесь (с недостатком горючего) должна иметь более высокую температуру самовоспламенения, так как скорость реакции в такой смеси мала и, следовательно, малó тепловыделение. Концентрация окислителя (кислорода) в такой смеси значительно больше необходимой для полного сгорания горючего. Поэтому большое количество теплоты расходуется на нагрев газов, не участвующих в реакции. Это ведет к тому, что превышение тепловыделения над теплоотдачей может наступить в такой смеси только при более высокой температуре. При увеличении горючего в смеси, скорость реакции увеличивается и температура самовоспламенения понижается. Такая зависимость температуры самовоспламенения от концентрации горючего вещества соблюдается только до определенного состава смеси, близкого к стехиометрическому. При дальнейшем увеличении горючего в смеси, температура самовоспламенения будет повышаться, так как увеличение концентрации горючего теперь ведет к уменьшению доли окислителя и, следовательно, к уменьшению скорости реакции (табл. 2.4). Таблица 2.4 Зависимость температуры самовоспламенения метано-воздушной смеси от концентрации метана
Если в качестве окислителя служит не воздух, а кислород, то величина температуры самовоспламенения резко снижается. В табл. 2.5 приведены температуры самовоспламенения для смесей некоторых углеводородов с воздухом и с кислородом. Из приведенных данных следует, что в среде кислорода температура самовоспламенения почти в два раза ниже чем в среде воздуха.
Таблица 2.5 Значения температуры самовоспламенения (Т*, 0С) для смесей нефтепродуктов с воздухом и кислородом
Большое влияние на температуру самовоспламенения Т* оказывают катализаторы. Катализаторами могут являться как стенки сосуда, так и специальные присадки, вводимые непосредственно в горючее. Катализаторы могут как уменьшать, так и увеличивать температуру самовоспламенения. В частности, сильным катализатором, ускоряющим скорость реакции, является платина. Введение платинового катализатора значительно снижает температуру самовоспламенения Т* углеводородов. Для исключения явления детонации в двигателях внутреннего сгорания в моторное топливо (бензин) вводятся катализаторы – антидетонаторы, повышающие температуру самовоспламенения бензино-воздушной смеси. К таким катализаторам относятся, в частности: тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4 – 0.5 г/л; пентакарбонил железа Fe(CO)5 – 3 г/л; тетраэтилолово Sn(C2H5)4 – 2г/л. Эти катализаторы повышают температуру самовоспламенения на (80–170)0С. Положительный эффект, получаемый при введении тетраэтилсвинца и других катализаторов, сопровождается повышением токсичности продуктов сгорания. Величина Т* зависит также и от объема горючей смеси (сосуда). Чем меньше объем сосуда, тем выше Т* (табл. 2.6). Таблица 2.6 Температура самовоспламенения метано-воздушной смеси (6 % CH4)
При уменьшении объема сосуда происходит увеличение поверхности теплоотдачи, приходящейся на единицу объема смеси. Если принять сосуд в виде куба с ребром 1 см, то объем сосуда составит V = 1 см3, а поверхность теплоотдачи S = 6 см2. Если увеличить ребро куба до 2 см, то его объем будет V = 8 см3, а поверхность теплоотдачи S = 24 см2. В первом случае на 1 см3 смеси приходится 6 см2 поверхности теплоотдачи, а во втором – только 3 см2. Согласно тепловой теории самовоспламенения, увеличение поверхности теплоотдачи ведет к повышению Т* за счет увеличения тепловых потерь. При очень малом объеме сосуда горючие смеси вообще не смогут самовоспламеняться, так как скорость теплоотдачи намного превысит скорость тепловыделения за счет реакции горения. Отметим, в частности, что этот принцип положен в основу огнепреградителей. При этом пламя разбивается специальными сетками на мелкие ячейки, которые приводят к большим теплопотерям (например, противопожарная лампа Дэви, используемая в шахтах и на рудниках в XIX веке). Анализ литературных данных показывает, что Т* для газов и жидкостей из класса углеводородов, спиртов и альдегидов лежит в пределах от 400 до 7000С.
|