Лабораторна робота № 5

 

Залежність температури самозаймання від концентрації парів горючої рідини в пароповітряній суміші

 

Мета роботи. Експериментально встановити залежність температури самозаймання від концентрації горючої речовини.

 

Зміст роботи. 1. Розрахувати температуру самозаймання досліджуваної речовини по середній довжині вуглецевого ланцюга.

2. Використовуючи отримане значення температури самозаймання, провести перерахунок заданих значень концентрації горючої речовини (% об.) в пароповітряній суміші в обсяги рідини, що вводиться.

3. Експериментально на лабораторній установці визначити температуру самозаймання горючої суміші при трьох заданих значеннях концентрації парів горючої рідини.

4. За експериментальними даними побудувати залежність температури самозаймання від концентрації парів пального, порівняти отримані дані з розрахунковим значенням.

 

Введення. На практиці досить часто зустрічаються випадки мимовільного виникнення горіння горючих речовин, коли горіння в горючій системі виникає без зовнішнього джерела запалювання. Таке виникнення горіння в газо- і пароповітряних сумішах називають самозайманням. Як правило, самозаймання в горючих газо- і пароповітряних сумішах відбувається при підвищених температурах , тобто при умовах, що сприяють хімічній реакції між пальним та окислювачем .

Розглянемо коротко причини, що призводять до виникнення горіння в такій системі. Уявімо собі газо- або пароповітряну суміш, що знаходиться при підвищеній температурі, при якій в ній з помітною швидкістю відбувається екзотермічна реакція. Тепло, що виділяється в горючій системі в результаті хімічної реакції, буде приводити до її саморозігріву. Чим вища температура горючої суміші, тим вища швидкість хімічної реакції, відповідно вища швидкість тепловиділення в системі. Швидкість тепловиділення ( q ₊) пропорційна швидкості хімічної реакції ( W_х.р. )

,                                                         (5.1.)

де Q – тепловий ефект хімічної реакції.

 

З підвищенням температури (Т) в реагуючій системі зростає і швидкість відтоку тепла (q) в навколишнє середовище, яка пропорційна різниці температур:

,                                                                (5.2.)

де α – коефіцієнт тепловіддачі;

S – площа поверхні теплообміну;

V – об’єм горючої суміші;

Т₀ – температура навколишнього середовища (початкова температура горючої системи).

Таким чином, підвищення температури реагуючої системи в результаті її само розігріву призводить до збільшення швидкості одночасно двох процесів: тепловиділення в системі і тепловідведення з неї. В залежності від температури середовища, що оточує систему, підвищення температури в системі може приводити або до вирівнювання q₊ і q_– і настання теплової рівноваги, або все більшої розбіжності між величинами q₊ і q-, прогресуючого саморозігріву і наступного за цим теплового вибуху. Тепловий вибух в горючих газо- і пароповітряних сумішах призводить до самозаймання. Мінімальна температура горючої суміші, при якій прогресуючий саморозігрів системи призводить до теплового вибуху і появі полум’я, називається температурою самозаймання.

На практиці за температуру самозаймання приймають мінімальну температуру стінок посудини, при якій горюча суміш, поміщена в цю посудину, запалюється. Температура самозаймання є одним з найважливіших показників пожежної небезпеки. Теорія теплового вибуху розвинена академіком М.М. Семеновим.

Температуру самозаймання граничних вуглеводнів, одноатомних спиртів і ароматичних сполук можна наближено розрахувати за середньою довжиною вуглецевого ланцюга молекули.

Для експериментального визначення температури самозаймання горючих рідин використовують реакційну посудину, яка представляє собою конічну колбу з кварцового скла, вміщену в нагрівальну піч. У нагріту посудину з допомогою мікропіпетки вводять певну кількість випробуваної рідини. Рідина в посудині випаровується і, змішуючись з повітрям, утворює горючу пароповітряну суміш. Залежно від температури стінок посудини горюча суміш або самозаймається, або ні. Змінюючи температуру стінок посудини , знаходять мінімальну температуру, при якій пароповітряна суміш запалюється, і це значення приймають за температуру самозаймання. Оскільки температура самозаймання залежить від концентрації горючої речовини в пароповітряній суміші, досліди повторюють з іншою кількістю випробуваної рідини до тих пір, поки не буде встановлено мінімальне значення температури самозаймання для даної речовини. За температуру самозаймання речовини беруть її мінімальне значення, отримане за результатами експериментального дослідження залежності температури самозаймання від об’єму введеної рідини (або концентрації горючої речовини). Таку залежність показано на рис. 5.1. Як правило, мінімальне значення температури самозаймання мають стехіометричні суміші, або суміші, близькі до стехіометричних. Тому якщо відома хімічна формула досліджуваної речовини, то за рівнянням горіння попередньо розраховують стехіометричну концентрацію речовини і визначають, яку кількість рідини необхідно ввести, щоб у посудині встановилась концентрація, близька до стехіометричної.

Рис. 5.1. Залежність температури самозаймання від концентрації

горючої речовини в пароповітряній суміші

 

Формулу, що пов’язує концентрацію пального (φ_п) у пароповітряній суміші в посудині об’ємом V_п, що нагріта до температури Т_п з об’ємом рідини, що надходить V_р, можна отримати один з наступних простих виразів:

V_р=; ;       ;     ,   (5.3.)

 

де V_р і  – об’єм і густина горючої рідини, що вводиться;

 – об’єм парів горючої рідини у посудині;

 – об’єм одного моля газу (парів) за умовами досліду ();

 =22,4 л/моль – об’єм одного моля газу (парів) за нормальних умов

(То = 273 К, Ро = 101,3 кПа).

           

З цього слідує, що

                                               (5.4)

 

Остатня формула дозволяє розраховувати об’єм горючої рідини, який необхідно ввести в посудину для того, щоб в ньому утворилася пароповітряна суміш з концентрацією горючої речовини φ_п. І, навпаки, за відомим об’ємом введеної горючої рідини визначити концентрацію в пароповітряній суміші, що утворюється в реакційній посудині.

Опис лабораторної установки. На рис. 5.2 наведений вигляд лабораторної установки для визначення температури самозаймання.

Визначення температури самозаймання проводиться методом «краплі».

Реакційна посудина 1 представляє собою колбу з кварцового скла, що нагрівається за допомогою електроспіралі 2, кінці якої виведені до клем на зовнішній захисний корпус посудини 3. Усередині посудини впаяна термопара 4 ( в кварцевій трубці). Кінці термопари виведені назовні.

Спіраль під’єднується до автотрансформатора 5, що дає можливість регулювати напругу, що подається на неї, а, отже , і температуру нагрівання скляної посудини. Провід термопари під’єднують до пірометричного вольтметра 6, за показами якого визначають температуру в посудині. Пробу досліджуваної рідини вносять у нагріту піч мікропіпеткою 7 .

 

 

Рис. 5.2. Установка для визначення температури само спалахування:

1 – скляна реакційна посудина; 2 – електроспіраль; 3 – захисний корпус посудини; 4 – термопара; 5 – автотрансформатор; 6 – пірометричний мілівольтметр; 7 – мікропіпетка.

 

Порядок виконання лабораторної роботи .

1. Отримують у викладача завдання, в якому зазначені об’єм реакційної посудини, у якій проводяться досліди і досліджувана речовина, а також її концентрації, для яких необхідно експериментально визначити температуру самозаймання.

2. З довідкових таблиць записують відомі фізико- хімічні та пожежонебезпечні властивості горючої рідини.

3. Проводять орієнтовний розрахунок Т_сз досліджуваної речовини за методичними вказівками.

4. Орієнтуючись на розрахункову температуру самозаймання, задають необхідну напругу на автотрансформаторі і нагрівають скляну посудину до температур, зазначених у табл. 5.1 .

5. За рівняння реакції горіння речовини розраховують стехіометричну концентрацію горючої речовини в пароповітряній суміші.

 

Таблиця 5.1.

Орієнтована температура нагрівання посудини

Номер печі	Об’єм реакційної посудини, л	Температура нагрівання, оС
1	1,5	300
2	1,5	300
3	1,0	350
4	0,97	350
5	0,76	450
6	0,75	450

6. За формулою (5.4) для всіх заданих значень концентрації горючої речовини розраховують об’єми рідини, що вводиться. У розрахунках  рекомендується використовувати наступні одиниці вимірювання: для маси – грам (г), для об’єму – літр (л), для температури –  Кельвін (К).

7. Вихідні розрахункові та довідкові дані записують в таблиці 5.2 та 5.3.

 

Таблиця 5.2

Вихідні дані і розрахункові об’єми рідини, що вводиться

Вихідна речовина, хімічна формула	Об’єм посудини, л	Вихідні дані, М, , Тсзр Ратм, φстех	Задані концентрації	Об’єм рідини, що вводиться
			φ1, φ2, φ3	V1, V2, V3

Таблиця 5.3

Номер дослідів	Об’єм рідини, що вводиться	Температура стінок посудини	Самозаймання		Тсз	Уточнена концентрація ГР при Тсз
			Так	Ні
1,1 1,2 1,3 1,4	V1=	Т1= Т2= Т3= Т4=				φ1׳=
2,1 2,2 2,3 2,4	V2=	Т1= Т2= Т3= Т4=				φ2׳=
3,1 3,2 3,3 3,4	V3=	Т1= Т2= Т3= Т4=				φ3׳=

8. Знайомляться з улаштуванням мікропіпетки. Визначають число поділок, що відповідає заданим об’ємам.

9. Визначають порядок проведення дослідів для трьох заданих концентрацій. Так як мінімальна Т_сз досягається при стехіометричній концентрації, то доцільно починати досліди з тієї концентрації горючої рідини, у якої Т_сз буде більшою (див. рис. 5.1).

10. Після досягнення заданої температури печі піпеткою набирають необхідну кількість рідини і вводять її в отвір посудини, і спостерігають за появою полум’я, яке може супроводжуватися спалахом (вибухом). Якщо полум’я не з’явилося, температуру печі необхідно підвищити.

11. Після появи полум’я при даній концентрації горючої рідини досвід повторюють кілька разів, знижуючи в кожному випадку температуру на       10 ^оС до тих пір, поки при якійсь температурі не припиниться поява полум’я. Результати заносять в табл. 5.3.

За Т_сз приймають мінімальну (в кожному досліді) температуру посудини, при якій останній раз з’являється полум’я.

12. У зв’язку з тим, що концентрація горючої речовини в пароповітряної суміші, що утворюється в посудині, залежить від температури посудини (див. формулу (5.4)  концентрацію горючої речовини уточнюють для умов, за яких була виміряна температура самозаймання. Для цього рівняння (5.4) перетворять  щодо φ_п

 

і, виходячи з об’єму рідини, що вводиться, визначають значення концентрації

горючої речовини в пароповітряній суміші при температурі самозаймання.

13. За результатами проведеного дослідження будують графічну залежність Т_сз від концентрації пального в пароповітряної суміші. На цьому ж графіку відкладають значення розрахункової Т_сз при φ_п = φ_стех. та записують висновок про залежність Т_сз від концентрації пального та про відповідність розрахункових та експериментальних значень Т_сз для досліджуваної речовини.

 

Контрольні питання

 

1. Що називають температурою самозаймання?

2. Які необхідні і достатні умови, щоб горюча суміш могла самозайнятися?

3. Чи є температура самозаймання константою, якщо ні, назвіть параметри, від яких вона залежить.

4. Проаналізуйте вплив об’єму посудини на Т_сз .

5. Проаналізуйте вплив питомої поверхні посудини на температуру самозаймання горючої суміші.

6. Як змінюються умови тепловідведення при зміні (збільшенні, зменшенні) питомої поверхні посудини, в якій знаходиться горюча суміш?

7. Яким чином впливає на Т_сз введення в горючу суміш вуглекислого газу, азоту і т.д.?

8. Як зміниться температура самозаймання , якщо змінити концентрацію пального в пароповітряної суміші від φ_п до φ_стех?

9. Покажіть за допомогою формул, за яких умов Т_сз горючої суміші з одним і тим же вмістом пального буде більшою: якщо посудина має форму циліндра, або він має форму кулі, за умови, що об’єм посудини залишається незмінним?

10. Наведіть приклад, ґрунтуючись на даних таблиць навчального посібника, що показує, як змінюється температура самозаймання в межах гомологічного ряду? Поясніть закономірність, що спостерігається.

11. Дайте визначення періоду індукції.

12. Поясніть, як змінюється період індукції при збільшенні початкової температури горючої суміші?

13. Намалюйте в координатах q -Т графік, який ілюструє умови самозаймання горючої суміші .

14. Запишіть у математичній формі критичні умови самозаймання.

15. Чим відрізняється явище самоспалахування від явища самозаймання ?

16. Розрахуйте температуру самозаймання пропану і попанолу – 1 і порівняйте їх значення. Поясніть причину відмінності в температурах самозаймання.