Тепловое проявление химических реакций как источник зажигания горючей смеси. Причины появления данных источников зажигания

Многие вещества и материалы при определенных условиях могут вступать в химическое взаимодействие с положительным тепловым эффектом реакций (экзотермичностью) при контакте с воздухом, водой или друг с другом, а также могут саморазлагаться при нагревании или механических воздействиях. Выделяющегося при этом в зоне реакции тепла может быть достаточно для нагрева веществ и материалов до их самовоспламенения.

Вещества, самовоспламенение которых происходит на воздухе

К ним относятся две группы веществ: самовоспламеняющиеся (t _св ≤ t _раб) и самовозгорающиеся (t _св > t _раб).

Первую группу составляют вещества, которые в условиях производства нагреты выше температуры окружающей среды. Так, мазут с t _св = 380 ^оС на установках вакуумной трубчатки обращается с температурой до 400 ^оС, на установках термического крекинга – до 500 ^оС, пиролизный газ с t _св = 540 ^оС нагревается на установках по производству этилена до 850 ⁰С.

При аварийном выходе таких высоконагретых продуктов из аппаратов наружу и контакте с воздухом произойдет их самовоспламенение. В эту же группу входят вещества, температура которых по условиям технологии не превышает температуру окружающей среды. К ним относятся, например, желтый фосфор с t _св = 30 ^оС, триизобутилалюмипий с t _св = -40 ^оС, этилалюминийхлорид с t _св = - 60 ^оС и другие.

Вторую группу составляют вещества, которые при температуре окружающей среды или после предварительного нагрева до t _р < t _св под воздействием первоначального импульса склонны к самовозгоранию на воздухе. Самовозгорание представляет собой сложный физико-химический процесс возникновения тления или пламенного горения в результате теплового самонагревания. Самовозгорание наблюдается при резком увеличении скорости экзотермических реакций в объеме вещества, когда интенсивность тепловыделения превышает интенсивность его рассеивания.

В зависимости от первоначального импульса различают:

– тепловое (нагрев извне),

– химическое (нагрев при контакте с химически активным веществом),

– микробиологическое (нагрев в результате жизнедеятельности микроорганизмов) самовозгорание.

К веществам, обладающим склонностью к самовозгоранию, относятся масла и жиры растительного и животного происхождения, каменный и древесный уголь, торф, технический углерод (сажа), некоторые металлы в порошкообразном виде (алюминий, цинк, титан и др.), скипидар, олифа, комбикорма, сернистые соединения железа и т. п.

Процесс самовозгорания определяется скоростью самонагревания веществ. Длительность процесса самовозгорания (она колеблется от нескольких минут до нескольких месяцев) зависит от большого числа различных факторов, которые в сложном взаимодействии друг с другом определяют скорость протекания экзотермических реакций и условия аккумуляции тепла.

Условия процесса теплового самовозгорания некоторых горючих веществ и материалов (растительных масел, животных жиров, каменного и древесного угля, торфа, сажи, олифы, сена, силоса, цинковой, магниевой пыли и т.д.) определяют из следующих эмпирических выражений:

,

где t _с – минимальная температура среды, при которой наблюдается самовозгорание материала, ⁰С;

А_р, n _р, А_в, n _в – эмпирические константы;

S – удельная поверхность материала, м^-1;

Профилактику самовозгорания веществ в производственных условиях обеспечивают путем снижения скорости протекания химических реакций и биологических процессов, а также устранения условий аккумуляции тепла.

Вещества, воспламенение которых происходит при контакте с водой или влагой воздуха

К таким веществам относятся щелочные металлы (натрий, калий и др.), карбиды (кальция, натрия, калия), негашеная известь, фосфористые кальций и натрий, сернистый натрий и т. п. Некоторые из них (например, натрий и калий) реагируют с водой или влагой воздуха с интенсивным выделением водорода, который может воспламениться от теплоты реакции, так как температура в зоне контакта может развиваться до 600 – 650 ^оС. Значительный нагрев и воспламенение образующегося ацетилена происходит также при взаимодействии карбида кальция с водой. При недостатке воды температура в зоне реакции может подняться до 900 – 1000 ^оС. А такие вещества, как карбиды щелочных металлов (натрия, калия), при контакте с водой способны реагировать со взрывом.

На практике нередки случаи пожаров (вскоре после дождя) на складах, где наряду с другими горючими веществами, хранится негашеная известь. Несмотря на то, что негашеная известь сама относится к негорючим веществам, при контакте с небольшим количеством воды она способна разогреваться до 600 ⁰С и более. Этой температуры оказывается достаточно для воспламенения, например, горючей упаковки (деревянных ящиков, мешковины и т. п.) или рядом расположенных горючих веществ и материалов при их совместном хранении с негашеной известью.

Вещества, воспламенение которых происходит при контакте друг с другом

К ним относится большая группа газообразных, жидких или твердых окислителей, таких, как жидкий кислород, перекиси (натрия, бария, водорода, бензоила и т. п.), галоиды (хлор, бром, фтор, йод), азотная кислота, селитры (азотнокислые калий, натрий, барий), хлораты (например, бертолетова соль), перхлораты (например, хлорнокислый натрий), перманганаты (марганцевокислый калий) и др. Эти вещества могут вызвать воспламенение органических горючих веществ или образовать смеси с органическими веществами, реагирующими со взрывом даже от слабого механического или теплового импульса (удар, трение, нагрев и т.п.). Например, перекись водорода, гидроперекись изопропилбензола, персульфат аммония широко используют в качестве катализаторов и инициаторов в технологических процессах полимеризации и поликонденсации при получении пластмасс, химических волокон и синтетических каучуков. Они способны вызывать воспламенение и взрывы при контактесо многими органическими соединениями.

Часто пожары происходят на складах, где хранится азотная кислота. Азотная кислота негорючая жидкость, но она является сильным окислителем и способна воспламенить многие растительные вещества в измельченном виде (упаковочную стружку, древесные опилки, солому, вату и т.п).

Вещества, воспламенение которых происходит в результате саморазложения при нагревании или механическом воздействии

Некоторые химические вещества нестойкие по своей природе, способны разлагаться с течением времени под действием температуры, трения, удара. К этой группе относятся, как правило, эндотермические соединения, поэтому процесс их разложения связан с выделением тепла.

В эту группу входят взрывчатые вещества – перекиси, селитры, ацетилен, ацетилениды, пирофоры и т. п. Эти вещества не только могут вызвать возникновение пожара, но и привести к полному уничтожению производственных установок, зданий и сооружений в результате их взрывного разложения.