Учебное пособие: Практикум по теории горения

Таблица 4.3.

4.3 Расчет стандартной температуры самовоспламенения

Температура воспламенения - наименьшая температура вещества, при которой пары над поверхностью горючего вещества выделяются с такой скоростью, что при воздействии на них источника зажигания наблюдается воспламенение. Воспламенение - пламенное горение вещества, инициированное источником зажигания и продолжающееся после его удаления, то есть возникает устойчивое горение

Температура вспышки - наименьшая температура горючего вещества, при которой пары над поверхностью горючего вещества способны вспыхивать при контакте с открытым источником огня; устойчивое горение при этом не возникает. Вспышка - быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковременным видимым свечением. Как правило, при отсутствии указания на метод измерения используется метод Пенски-Мартенса.

По температуре вспышки из группы горючих жидкостей выделяют легковоспламеняющиеся. Легковоспламеняющимися называются горючие жидкости с температурой вспышки не более 61 °C в закрытом тигле (з.т.) или 66 °C в открытом тигле (о.т.).

Температумра самовоспламенемния - наименьшая температура горючего вещества, при нагреве до которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических объёмных реакций, приводящее к возникновению пламенного горения и/или взрыва. Эта температура требуется для достижения энергии активации реакции горения.

Измерение. Из-за сложностей прямого измерения температуры самовоспламенения газов и паров, за неё принимают минимальную температуру стенки реакционного сосуда, при которой наблюдают самовоспламенение. Эта температура зависит от условий тепломассообмена как внутри реакционного сосуда, так и самого сосуда с окружающей средой, объёма смеси, а также каталитической активности стенки сосуда и ряда других параметров.

Показатель применяется для определения допустимой температуры нагревания горючих веществ, электрического и технологического оборудования, а также для установления группы взрывоопасной смеси. Для измерения температуры самовоспламенения жидкостей используют метод ASTM E 659 и метод Кливленда ASTM D92 (ГОСТ 4333).

Общеизвестна температура самовоспламенения бумаги: 451 °F, или 233 °C, благодаря знаменитому роману Рэя Брэдбери «451 градус по Фаренгейту», в заглавие которого и вынесено это значение.

Энергия активации в химии и биологии - минимальное количество энергии, которую требуется сообщить системе (в химии выражается в джоулях на моль), чтобы произошла реакция. Термин введён Сванте Августом Аррениусом в 1889. Типичное обозначение энергии реакции Ea.

Энергия активации в физике - минимальное количество энергии, которое должны получить электроны донорной примеси, для того чтобы попасть в зону проводимости.

В химической модели, известной как Теория активных соударений (ТАС), есть три условия, необходимых для того, чтобы произошла реакция:

Молекулы должны столкнуться. Это важное условие, однако его не достаточно, так как при столкновении не обязательно произойдёт реакция.

Молекулы должны обладать необходимой энергией (энергией активации). В процессе химической реакции взаимодействующие молекулы должны пройти через промежуточное состояние, которое может обладать большей энергией. То есть молекулы должны преодолеть энергетический барьер; если этого не произойдёт, реакция не начнётся.

Молекулы должны быть правильно ориентированы друг относительно друга. При низкой (для определённой реакции) температуре большинство молекул обладают энергией меньшей, чем энергия активации, и неспособны преодолеть энергетический барьер. Однако, в веществе всегда найдутся отдельные молекулы, энергия которых значительно выше средней. Даже при низких температурах большинство реакций продолжают идти. Увеличение температуры позволяет увеличить долю молекул, обладающих достаточной энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер. Таким образом, повышается скорость реакции.

Расчет температуры воспламенения проводят в следующей последовательности.

1. Определяют количество углеродных цепей:

м = М_Р (М_Р-1):2 (4.8)

где м-общее число молей

М_Р- количество функциональных групп в молекуле горючего вещества -СН, -ОН, фенильная группа может быть как концевой, так и в середине цепи.

2. Определяют длину каждой цепи(количество атомов углерода) и длину цепи:

??_cp= (4.9),

где

При определении надо иметь в виду, что группа ОН удлиняет цепь, а фенильная группа уменьшает ее на один атом углерода.

3. По табл.8-10 приложения по средней длине цепи определяют температуру самовоспламенения. Температуру самовоспламенения можно также рассчитать по формуле:

t_с = 300+116 при ??cp?5 (4.10)

t_с = 300-38??cp?5 (4.11)

Примеры решения задач

Рассчитать температуру самовоспламенения 2,2 - диметилгексана.

Решение:

1. Запишем структурную формулу горючего вещества и определим количество цепей

М_р=4,так как в молекуле содержится четыре группы СН₃

m==6

2. Находим длину каждой из шести цепей и среднюю длину:

??_cp==4,5

По табл.8 приложения определяем, что температура самовоспламенения равна 643К; по формуле (4.10)

t_с=300+116⁰С или 655К

Рассчитать температуру самовоспламенения изопропилового спирта.

Решение:

1. Определим количество цепей исходя из структурной формулы:

Мр=3,так как в молекуле содержится две группы СН_3, одна группа ОН:

m==3

2. Находим длину каждой цепи и среднюю длину:

В цепях 1-3 и 3-4 содержится по два атома углерода и одна группа ОН, которая удлиняет цепь на один атом углерода

??_cp==3

3. По табл.10приложения находим, что температура самовоспламенения изопропилового спирта равна 706К; по формуле (4.10)

t_с=300+116=464⁰С или747К.

Согласно справочным данным, температура самовоспламенения равна 693К.

Относительная ошибка расчета с использованием таблицы составляет:

?=100=1,9%

Если расчет вести по формуле (4.10),она возрастет до:

?=100=6,3%

Определить температуру самовоспламенения 1-метил-4-этилбензола.

Решение:

1. Структурная формула вещества:

Мр=3,так как в молекуле две метильные и одна фенильная группы.

2. Определим длину цепей:

Длина цепи уменьшается на один атом углерода, так как в нее входит фенильная группа:

??_cp==1,0.

3. По табл.9 приложения определяем, что температура самовоспламенения равна 712К.

Контрольные задачи

4. Рассчитать температуру самовоспламенения нормального бутилового спирта, вторичного бутилового спирта и третичного бутилового спирта. Сделать выводы о влиянии разветвления углеродной цепи на температуру самовоспламенения.

5. Определить температуру самовоспламенения этана, бутана, гексана, декана, построить график зависимости температуры самовоспламенения от их положения в гомологическом ряду.

6. Определить температуру самовоспламенения 2-метил-4-изопропилгептанола. Сделать вывод о сравнительной пожарной опасности предельных углеводородов и предельных одноатомных спиртов.

7. Рассчитать температуру самовоспламенения толуола и 1-4-диизопропилбензола и сделать вывод о влиянии длины боковой цепи на сравнительную пожарную опасность ароматических соединений.

8. Рассчитать температуру самовоспламенения октана, октанола-1, этилбензола и сделать вывод о влиянии строения вещества на их сравнительную пожарную опасность.

Домашнее задание 6

Рассчитать стандартную температуру самовоспламенения i-того вещества. Сравнить расчетное значение с имеющимися справочными данными и определить относительную ошибку расчета (табл.4.4)

Таблица 4.4.