• Nie Znaleziono Wyników

Mechanizm wybuchu cieplnego

3. Część teoretyczna

3.1. Mechanizm wybuchu cieplnego

Wybuch cieplny jest jednym z głównych zagrożeń podczas przechowywania i korzystania z substancji niestabilnych termicznie. Kiedy w układzie szybkość generowanego ciepła podczas reakcji egzotermicznej jest większe od szybkości ciepła traconego, następuje akumulacja ciepła w układzie, co będzie prowadziło do wybuchu cieplnego [2].

3.1.1. Temperatura krytyczna

Przyczyny powstania wybuchu cieplnego przedstawia Rysunek 1.[4].

Rysunek 1. Zależność szybkości wydzielanego i traconego ciepła (według teorii Semenova).

Krzywa ( ̇ przedstawia szybkość wydzielanego ciepła podczas reakcji chemicznej natomiast linie proste ukazują zależność traconej mocy cieplnej ( ̇ w zależności od różnicy temperatur układu i otoczenia. Można wyróżnić trzy przypadki:

1) ̇ ̇ przecinają się w dwóch miejscach: punkt przecięcia (A) przedstawia warunki, w jakich szybkość odbieranego (linia niebieska) i wydzielanego ciepła (linia czerwona) są sobie równe, w związku z tym układ zachowuje stałość temperatury. Procesy przebiegające w takiej temperaturze otoczenia (T0) nie stwarzają zagrożenia związanego z wybuchem cieplnym.

2) ̇ ̇ przecinają się w jednym miejscu: linia strat cieplnych (kolor fioletowy) jest styczna do krzywej szybkości wydzielanego ciepła (kolor czerwony) w punkcie B. Punkt ten odpowiada takiemu stanowi, gdy szybkości generowanego i traconego ciepła są sobie równe. Jest to najwyższa

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

0T0 1 Tkr 2 T31 4 5 6 Temperatura7

A Szybkć wydzielanego ( i traconego ciepła () B

7

temperatura otoczenia (Tkr), która nie prowadzi do wybuchu cieplnego. Temperatura ta jest nazywana temperaturą krytyczną układu.

3) ̇ ̇ nie przecinają się: stan taki jest możliwy dla temperatury otoczenia (T1) wyższej od Tkr. W takim wypadku szybkość generowanego ciepła ̇ (krzywa czerwona) jest wyższa od szybkości ciepła traconego ̇ (linia zielona), co w konsekwencji do wybuchu cieplnego.

3.1.2. Kryterium Semenova

Kryterium Semenova zakłada stałość temperatury w badanym materiale, spadek temperatury następuje na ściance zbiornika. Kryterium to stosuje się w przypadku gazów oraz cieczy [4]. Stałą szybkość reakcji można określić równaniem:

( ( ) ( (1)

gdzie: k - stała szybkości, α - stopień przereagowania, A - czynnik przedwykładniczy Arrheniusa, Ea - energia aktywacji, R - stała gazowa, T - temperatura, f(α) - określa mechanizm rozkładu według wzoru:

( ( (2)

gdzie: n - rzędowość reakcji. Materiały wybuchowe o dużej Ea charakteryzują się małym stopniem przereagowania, gdy następuje wybuch cieplny, wtedy ( i zależność (1) można zapisać jako

( ) (3)

Dla takiej zależności można określić szybkość generowanego ( ̇ ) i traconego ( ̇ ) ciepła następującymi równaniami:

̇ ( ) (4)

gdzie: QR - ciepło reakcji rozkładu

̇ ( (5)

gdzie: US - przewodnictwo cieple, w którym uwzględnia się czynnik powierzchni, T- temperatura układu To - temperatura otoczenia.

Według teorii Semenova, warunkiem wystarczającym do zajścia termicznego wybuchu jest spełnienie równań (4) i (5), które odpowiadają warunkom punktu B zamieszczonym na rysunku.

8

( ̇ ( ̇ (6)

( ̇)

( ̇ )

(7)

W formie różniczkowej równania na szybkość generowania i tracenia ciepła przyjmują postać:

( ̇ )

Po przyrównaniu wzorów powstaje nam zależność:

(( )

Po przekształceniach, powyższe równanie można zapisać, jako:

( )

( )

(11)

Szybkość wzrostu temperatury dla MW jest wysoka i można przyjąć, że:

( )

(12)

Wtedy równanie (11), można zapisać, jako:

( (13)

Powyższe wyrażenie posiada dwa rozwiązania: dodatnie i ujemne, które przy naszych obliczeniach nie ma sensu fizycznego. Rozwiązanie dodatnie jest w postaci:

[ √( ) ] (14)

W celu wyznaczenia temperatury krytycznej opisanej wzorem (14) należy wyznaczyć To i Ea

z nieizotermicznych pomiarów DSC.

9

3.1.3. Kryterium Franka-Kameneckiego

Teoria Franka-Kameneckiego zakłada gradientowy rozkład temperatury w badanej próbce, gdzie na powierzchni próbki temperatura jest już równa temperaturze otoczenia. Kryterium Franka-Kameneckiego [5] stosuje się w przypadku ciał stałych. Akumulację ciepła układu można wyrazić uproszczonym równaniem Fouriera-Kirchoffa:

( ) ( ) (15)

gdzie kolejne człony odpowiadają akumulacji, wymianie ciepła poprzez przewodnictwo i wytwarzaniu ciepła, następnie: ρ –gęstość, Cp – ciepło właściwe, T – temperatura układu, Λ - przewodnictwo cieplne, QR – ciepło reakcji, α – stopień przemiany 2 – Laplasjan w układzie kartezjańskim:

(16)

Rozważając symetryczny wybuch, gdzie przewodnictwo cieplne jest zależne tylko od jednej współrzędnej, wzór będzie następujący:

( ) (17)

gdzie: l=0, 1 lub 2 w zależności od rozpatrywanej symetrii (odpowiednio: symetria płaska, cylindryczna i kulista).

Przyjmując mechanizm reakcji n-tego rzędu:

( ( (

) (18) Uwzględniając powyższe równania, równanie (15) przyjmie następującą postać:

( ) ( ( )) ( ( ) (19)

gdzie: a – wymiar charakterystyczny.

Równanie to nie ma dokładnych rozwiązań, dlatego trzeba zawęzić warunki i wprowadzić następujące uproszczenia, które wynikają z założeń uzyskanych eksperymentalnie:

a) Temperatura materiału przed wybuchem jest zbliżona do swojej temperatury początkowej (To), b) α, dla której następuje wybuch jest niewielka, dlatego można przyjąć n=0.

10

Równanie (19) po przyjęciu powyższych założeń przyjmuje postać:

( ) ( ) (20) Można wprowadzić następujące zredukowane wielkości:

( (21)

(22)

Równanie (19) przyjmuje kolejną postać:

( ) ( ) ( (23)

Gdzie: a – wymiar charakterystyczny w zależności od symetrii (płyta – połowa grubości, kula i cylinder – promień), jest określone, jako:

( ) (24)

Frank-Kamenecki i Chambre sprawdzili stacjonarne rozwiązania zależności (23) dla

przy symetrycznym ogrzewaniu materiału wysokoenergetycznego dla warunków granicznych:

w punkcie środkowym (25) na powierzchni (26)

Stwierdzili, że istnieje maksymalna wartość , przy której jest możliwe stacjonarne rozwiązanie zależności (23). Dla wszystkich trzech geometrii (l=0, 1, 2), jeżeli spełniony jest warunek , są możliwe rozwiązania stacjonarne, natomiast dla stacjonarny rozkład temperatury nie jest możliwy. Parametr definiuje warunki krytyczne dla wybuchu cieplnego przy ustalonych warunkach ogrzewania powierzchniowego. Krytyczne wartości dla wybuchu cieplnego zestawiono w tabeli.

Tabela 1. Krytyczne wartości dla wybuchu cieplnego.

Geometria materiału l Nieskończenie płaska równoległa płyta 0 0,88 1,20

Nieskończenie długi cylinder 1 2,00 1,39

Kula 2 3,33 1,61

11

Po wykonaniu odpowiednich przekształceń można zapisać końcowe równanie na temperaturę krytyczną cieplnego wybuchu z kryterium Franka-Kameneckiego:

(

) (27)

Wymiar krytyczny (akr), dla warunku jest definiowany, jako:

( ) (28)

Do oszacowania temperatury krytycznej cieplnego wybuchu można wykorzystać wielkości fizykochemiczne wyznaczone z pomiarów analizy termicznej (DSC, TG, DTA), takie jak: ciepło rozkładu (QR), parametry kinetyczne równania Arrheniusa (A, Ea), przewodnictwo cieplne (Λ) [2].

Powiązane dokumenty