Общие положения теории о процессах самовоспламенения

В физике горения различают две причины возникновения процесса горения: самовоспламенение и вынужденное (принудительное) воспламенение, которые иногда для краткости называют воспламенением и зажиганием. На практике чаще встречается вторая причина, т. е. вынужденное воспламенение — зажигание.

При рассмотрении условий возникновения реальных процессов горения анализ следует проводить на термодинамическом уровне, позволяющем установить количественные закономерности, связывающие между собой параметры горючей смеси и условий воспламенения.

Процесс самовоспламенения горючей смеси является наиболее научно разработанным и легко описывается математически. Поэтому с его рассмотрения обычно начинают изучение вопросов возникновения процессов горения.

В основе процесса самовоспламенения горючих смесей лежит особенность кинетики химических реакций окисления: неравномерность изменения скорости протекания этих реакций в зависимости от изменения условий, при которых они реализуются.

В химической кинетике различают два типа реакций: медленно развивающиеся во времени («спокойный» тип) при изменении условий протекания и взрывообразно изменяющие скорость течения при самом незначительном изменении какого-либо из определяющих (лимитирующих) условий. Взрывообразное изменение скорости течения реакции сопровождается иногда неожиданными проявлениями в виде вспышек, звуковых эффектов, скачкообразного роста давления или температуры в зоне реакции.

Отличительные особенности течения реакций «спокойного» типа легко определяются при сравнении рис. 1.2—1.4.

В процессе реакции «спокойного» типа концентрация реагентов постепенно снижается, что приводит к уменьшению скорости реакции. При повышении температуры реагирующей смеси происходит плавное увеличение скорости реакции (для реакций, показанных на рис. 1.3, скорость реакции возрастает примерно вдвое на каждые 10 °C повышения температуры).

В отличие от реакций «спокойного» типа реакции «взрывного» характера, наоборот, практически не проте;

Рис. 1.2. Изменение концентрации реагентов во времени:

Т_{ ^<Т₂^< Т₃

Рис. 1.3. Изменение скорости реакции во времени:

Г, < г₂ < г₃

Рис. 1.4. Изменение скорости реакции «взрывного» тина во времени:

т_ннд— индукционный период (время, в течение которого скорость реакции меняется незначительно) кают при температуре, давлении или концентрации ниже критического значения, при значении выше критического скорость реакции резко возрастает (рис. 1.4 и 1.5).

Рис. 1.5. Изменение температуры системы при реакциях «взрывного» тина во времени:

1 — стационарный нагрев горючей смеси до Г, (воспламенение отсутствует); 2 — предельное состояние на границе воспламенения; 3 — кривая с точкой перегиба, после которой происходит скачок температуры — воспламенение Особенности кинетики реакции «взрывного» типа были описаны еще во второй половине XIX в. Р. В. Бунзеном и Я. X. Вант-Гоффом. При изменении температуры или давления в зоне этих реакций скорость их протекания резко меняется. Так, при комнатной температуре и атмосферном давлении смесь водорода с кислородом по составу, близкая к стехиометрическому, не вступает в реакцию в течение многих лет. При повышении температуры смеси скорость реакции практически не возрастает, вплоть до некоторого критического значения (примерно 550°С). При дальнейшем повышении температуры скорость реакции взаимодействия водорода с кислородом резко возрастает: после повышения температуры смеси всего на несколько градусов выше критической происходит бурное взаимодействие реагентов, скорость химической реакции возрастает почти скачком, давление резко увеличивается и может появиться открытое пламя с одновременным разрушением сосуда (если его прочность окажется недостаточной). Воспламенение сопровождается внезапным резким хлопком, за что эта смесь называется.

«гремучей». Такое же резкое изменение скорости некоторых реакций «взрывного» типа можно получить, если увеличивать давление смеси при постоянной температуре. При некоторых значениях давления реакция совсем не происходит или она протекает чрезвычайно медленно. Если же поднять давление выше критического значения, реакция пройдет мгновенно, также с хлопком и видимым свечением зоны реакции (рис. 1.6). Иногда такое резкое изменение скорости химических реакций происходит при изменении концентрации реагентов или других параметров системы. Из графиков рис. 1.4— 1.6 очевидны две характерные особенности кинетики реакций взрывного типа: наличие периода индукции и существование критических условий. Критическое значение температуры, при которой скорость химической реакции изменяется почти скачком, условно называется температурой самовоспламенения (Г₄ на рис. 1.5). Скачкообразное изменение скорости протекания многих химических реакций горения часто объясняется цепным характером развития реакции, т. е. зависимостью скорости реакции от концентрации активных центров (атомов и радикалов), образующихся при реакции.

Рис. 1.6. Изменение давления в замкнутом сосуде во времени при реакции взрывного типа.