Тепловой взрыв

Тепловой взрыв может произойти при цепных экзотермических реакциях, когда выделение теплоты становится выше теплоотдачи. При малой скорости реакции теплота отводится в окружающую среду и температура в зоне реакции лишь на немного превышает температуру окружающей среды. При значительной скорости теплота нс успевает уйти из зоны реакции и температура начинает повышаться. В результате растет скорость реакции, а значит, увеличивается тепловыделение. Одновременно растет и скорость теплоотдачи, но значительно медленнее, чем скорость тепловыделения. Известно, что скорость реакции и, соответственно, тепловыделение с увеличением температуры растут по экспоненциальному закону (уравнение Аррениуса), а скорость теплоотдачи — по линейному закону, так как тепловой поток прямо пропорционален градиенту температур.

На рис. 4.2 представлено три принципиально возможных случая теплоотвода в зависимости от температуры наружной стенки сосуда (реактора) 7’0', 7’0", Tq (прямые 2', 2", 2т). Тепловыделение характеризуется кривой 1.

• В первом случае (зависимости 1, 2') при температуре Т< Тл интенсивность тепловыделения выше, чем интенсивность теплоотвода, температура будет повышаться. В точке Л', в которой qv = qT0, разогрев прекратится, так при Т > ТА, как это следует из рисунка, в < q'm и система будет охлаждаться.

Если же ввести в систему дополнительный источник тепла и поднять температуру выше Тс, то тепловыделение будет превышать теплоотвод (qB>q'TO) и начнется самопроизвольный разогрев, который закончится взрывом.

Зависимость тепловыделения (/) и теплоотвода (2) от температуры сосуда

Рис. 4.2. Зависимость тепловыделения (/) и теплоотвода (2) от температуры сосуда

  • Во втором случае (1 и 2") кривая 1 и прямая 2" касаются только в одной точке В". Температура Тв, соответствующая точке В", называется температурой воспламенения (взрыва). При незначительном превышении данной температуры начнется процесс самопроизвольного разогрева, который приведет к взрыву.
  • В третьем случае тепловыделение всегда будет превышать теплоотвод (кривые 1, 2"'), и поэтому при любой температуре процесс будет протекать с саморазогревом, который приведет к взрыву. Оценим температуру воспламенения реакционной смеси (Тв). Очевидно, что в точке В"' тепловыделение и теплоотвод равны (<ув = г/"0) и будут равны их первые производные по температуре

Скорость тепловыделения, т.е. количество теплоты, выделяемое в единицу времени, равно

где Q,, — тепловой эффект реакции; W — скорость реакции; V — объем реактора.

Если в реакторе протекает реакция второго порядка А + В —» продукт, то

4.2. Классификация взрывчатых процессов 149

Подставляя значения W в уравнение (4.3), получим

Обозначим произведение QHVK0CACB через (/, тогда:

Скорость теплоотвода через стенки реактора согласно законам теплоотдачи равна

где S — площадь поверхности стенки сосуда; % — коэффициент теплопередачи, равный количеству теплоты, которая передается в единицу времени от единицы поверхности стенки в окружающую среду при разности температур в 1 градус.

Значит, dqJ0/dT = S%. Приравнивая полученные выражения по q и по dq/dT, получим

Разделив уравнение (4.4) на уравнение (4.5), получим

Как следует из уравнения (4.6), температура самовоспламенения в основном определяется величиной энергии активации Е.лкт.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >