Расчет основных параметров горения и взрыва

скачать (241.8 kb.)

  1   2   3
Введение
Горение - основной процесс на пожаре, поэтому изучение явления горения следует начинать с рассмотрения механизма протекания элементарных реакций, а затем переходить к представлениям о нем на уровне брутто - реакций с позиций общей и химической термодинамики. Такой подход к проблеме горения обеспечивает понимание разнообразных практических вопросов, с которыми сталкиваются специалисты пожарной охраны в своей повседневной деятельности, будь то профилактика пожаров, динамика их развития или же вопросы тушения.

На молекулярно - кинетическом уровне представлений о химических реакциях возможность возникновения и протекания горения обусловлена числом и энергией столкновения молекул горючего и окислителя. В свою очередь оба этих параметра являются функцией температуры. С увеличением температуры возрастает скорость теплового движения молекул, увеличивается число эффективных соударений, появляются условия для реагирования горючего с окислителем, т.е. возникновения и развития горения. Здесь уместно вспомнить законы химической кинетики, которые изучались в курсе общей химии.

Представив, как протекают реакции в горючей смеси на молекулярном уровне, становится понятным смысл суммарных характеристик процесса - скорости и теплового эффекта. При изучении этого материала обратите внимание на основные законы химической кинетики, зависимость скорости реакции от температуры (закон Аррениуса) и давления горючей смеси, закон действия масс, т.е. увеличение скорости реакции с возрастанием концентрации реагентов. Скорость реакции максимальна при стехиометрическом составе смеси. Соответственно при этой концентрации максимальна и интенсивность тепловыделения экзотермических реакций.

Упомянутые вопросы из раздела химической кинетики важны в физике и химии процессов горения для объяснения понятий концентрационных пределов воспламенения, механизма действия огнетушащих веществ, гасящего влияния «холодной стенки» и т.д.

Законами химической кинетики строго можно описать только один вид горения - гомогенное кинетическое, когда горючее и окислитель находятся в одной фазе и предварительно перемешаны, тогда скорость собственно химической реакции зависит от природы реагирующих веществ. Но поскольку интенсивность протекания процесса горения зависит в общем случае от характера передачи вещества и тепла в зону реакции, т.е. от движения газа, пара, воздуха, диффузии и теплопроводности, то степень подготовленности горючей смеси в газодинамические условия, в которых находится горючая смесь, оказываются факторами, определяющими все параметры горения на пожаре. Следует различать диффузионное и кинетическое горение, гомогенное и гетерогенное, ламинарное и турбулентное, знать, что степень турбулизации газового потока определяется числом Рейнольдса и зависит от плотности и вязкости среды, скорости потока, его поперечного сечения. При Re
Вид горения, его параметры определяются физическими процессами и условиями, они являются доминирующими, но в основе горения лежит химическое превращение горючего и окислителя в продукты горения. Поэтому все характеристики процесса горения в конечном итоге определяются условиями протекания химической реакции. В этой связи важно уметь составлять уравнения материального и теплового баланса реакции горения, учитывать влияние коэффициента избытка воздуха на состав продуктов горения и температуру горения, т.к. они определяют пожароопасные характеристики веществ и материалов, дают возможность оценивать реальную обстановку на пожаре и правильно организовывать деятельность пожарных.
Исходные данные


Номер варианта

Номер задачи

1

1, 2, 4, 5, 6

2

1, 3, 4, 5, 6

3

2, 3, 4, 5, 6

4

1, 2, 4, 5, 6

5

2, 3, 4, 5, 6

6

1, 3, 4, 5, 6

7

1, 2, 4, 5, 6

8

2, 3, 4, 5, 6

9

1, 2, 4, 5, 6

10

2, 3, 4, 5, 6



Задача 1
Вычислить состав и объем продуктов горения соединения анилин, если горение протекает при коэффициенте избытка воздуха aВ=1.1, потери тепла излучением зоны горения составляют h=0.20, %.

Решение. Из возможных способов решения задачи следует остановиться на расчете объема воздуха и продуктов горения по уравнению химической реакции, т.к. в условии задачи указана химическая формула горючего вещества (или ее можно записать по названию соединения). Следовательно, необходимо записать уравнение реакции горения анилина в воздухе:

H5NH2+7.75O2+7.75Ч3,76N2=6CO2+3.5H2O+7.75Ч4,76N2.
Определив молекулярную массу горючего, можно, составив пропорцию, рассчитать и количество воздуха, необходимое для сгорания анилина, а также и объем продуктов горения.

Молекулярная масса анилина=93

м3/кг

Действительное количество воздуха с учетом коэффициента избытка воздуха aВ=1,3 рассчитывается по выражению: VВ=1,1Ч9.77=10.75 м3, а избыток воздуха: VВ-VВ0=10.75-9.77=0.98 м3.

Объем продуктов горения также определяется по уравнению реакции: из 93 кг анилина образуется 6Ч22,4 м3 углекислого газа, 3.5Ч22,4 м3 водяного пара, 7.5Ч4,76Ч22,4 м3 азота, расчетный объем продуктов горения анилина находятся из выражения:

м3.

С учетом избытка воздуха полный объем продуктов горения:

VП.Г. = 10.89+9.77=20.66 м3.

Определяем низшую теплоту сгорания анилина:

н = ?(ni*∆HI-nj*∆Hj)
Теплота образования анилина=29.7 кДж/моль

Теплота образования СО2=369,9 кДж/моль, Н2О=242,2 кДж/моль

Qн = 6*369.9+3.5*242,2-29.7*1=3037.4кДж/моль

Так как по условию задачи 20% тепла теряется, то определяем количество тепла пошедшее на нагрев продуктов горения

пг = Qн*(1-?)

н = Qпг =3031.4*(1-0,20)=2429.92 кДж/моль

Определяем действительную температуру горения:
Тг =Т0+
Таким образом, практический объем продуктов горения при t=1509.66 К

м3/м3
Задача 2
Вычислить состав и объем продуктов горения вещества церезин, если элементный состав его: C-85%, H-14%, O-1%, S-%, N-%, W-%, золы-%. Горение протекает при избытке воздуха aВ=1,2 потери тепла излучением составляют h=0,20 %.

Решение. Для решения задачи необходимо записать балансы элементарных реакций горения углерода, водорода с учетом процентного содержания каждого элемента в 1 кг горючего, но есть уже готовые формулы, которыми можно воспользоваться, например, объем воздуха:
м3/кг.
Поскольку азот, влага и зола не горят. Тогда объем воздуха, пошедший на горение, будет: м3/кг.

Объем продуктов горения рассчитывается исходя из элементного состава горючего следующим образом. Из уравнений элементарных реакций известно, что объем углекислого газа при горении 1 кг углерода составляет 1,86 м3,сернистого газа из 1 кг серы - 0,7 м3 и т.д. Но в условии задачи углерода в горючем 85 %, что составляет 0,85 кг углерода, равно . В состав продуктов горения войдут азот, углекислый газ, водяной пар с учетом влаги из горючего вещества: м3/кг;

м3/кг;

м3/кг,
м3/кг.

Qн = 339,4С+1257Н-108,9(О-S)-25,1(9Н+W)

н=339,4*0,85+1257*0,14-108,9*1-25,1(9*0,14)=323.944 кДж/моль

Так, как по условию задачи потери тепла излучением составляют h=0,20 %,то
Qпг = Q*(1-?)

н = Qпг =323.944*(1-0,2)=259.155 кДж/моль

Определяем действительную температуру горения:
Тг=Т0+
Тг

Таким образом, практический объем продуктов горения при t=284.58 К

м3/м3
Задача 4
Рассчитать температуру самовоспламенения вещества 2,3-диметил-4-этил-октан по средней длине углеродной цепи, определив число концевых групп и число цепей. При решении задачи воспользоваться табл.1-3 прил. данного пособия.

Решение. 1. Записываем структурную формулу соединения, нумеруя все атомы углерода:
CH3 - 2CН - 3CН - 4CH - 5СН2 - 6СН2- 7СН2 - 8СН3

СН3 10СН3 11СН2 - 12СН3
. В молекуле соединения определяем число цепей:

.
. Определяем состав цепей:

1-2-3-4-5-6-7-8 1-2-9 1-2-3-10 1-2-3-4-11-12 12-11-4-5-6-7-8 10-3-4-11-12

-2-3-4-5-6-7-8 C=3 9-2-3-10 9-2-3-4-11-12 10-3-4-5-6-7-8 C=5

С=8 C=4 C=6 C=7

m=2 m=2 m=2 m=2

4. Рассчитываем среднюю длину цепи:

. По табл.1 прил. находим температуру самовоспламенения 2,3-диметил-4-этил-октан, отыскивая ее по значению средней длины цепи в молекуле соединения: ТСВ=567К.

6. Находим по справочной литературе ТСВ 2,3-диметил-4-этил-октан и сравниваем с расчетной.

Твсп=300+3.8 303.4 К
Задача 5
Вычислить температуру вспышки Твсп метанола по формуле В.И. Блинова. Постоянная прибора А=40 и коэффициент диффузии паров жидкости D0=13,2 * 10-6 м2/с.

Решение. Для решения задачи по формуле В.И. Блинова необходимо иметь значение коэффициента ?, для чего записываем уравнение реакции горения метанола:

OH + 1,5О2 +1,5 ·3,76N2 = СО2 +2Н2О + 1,5·3,76N2,

откуда ?=1,5.

2. Вычислим произведение
,
рвпс·Твсп = 40/(13,2 * 10-6 ·1,5) = 2,02020202020*10-6 Па·К.=

=2020202,020202 Па·К

. Принимаем Т=278,0 К, находим, что давление пара при этой температуре составляет 5332,88 Па (табл.4 прил.). Тогда (р·Т)278,0К = 278,0*5332,88 = 1482540,64 Па·К, что меньше, чем произведения р·Т при Твсп.

. Принимаем Т=285,1 К, находим, что давление пара 7999,32 Па. (р·Т)285,1К = 285,1*7999,32 = 2280606,132 Па·К, что уже больше произведения рвсп·Твсп.

. Поскольку рвсп·Твсп находится между найденными значениями произведений р·Т при 278,0 и 285,1 К интерполяцией находим искомую Твсп:



.Справочное значение Твсп=278К

Погрешность расчета ?=(282,78-278)/278*100%=1,72%
Задача 6

горение химический тепловой материальный

Рассчитать концентрационные пределы воспламенения метилового спирта, значения которых вычислить по теплоте сгорания.

Решение. Зная, что предельная теплота сгорания 1м3 газовоздушной смеси равна приблизительно 1830 кДж/м3, НКПВ находим по формуле

НКПВ = 1830·100/Qн,

НКПВ = 1830·100/71600,0 = 2,56 %.

Экспериментально найденное значение предела - 2,56 %. В таблице приведены значения низших теплот сгорания некоторых веществ.
Низшая теплота сгорания некоторых горючих материалов

Наименование вещества

Низшая теплота сгорания, кДж/м3

Наименование вещества

Низшая теплота сгорания, кДж/м3

Метан

35874,78

Пропилен

86087,74

Этан

63838,84

Бутилен

113620,23

Пропан

91350,38

Ацетилен

56091,53

Бутан

118761,36

Бензол

142560,56

Этилен

59104,14







Метиловый спирт

71600,0







Амиловый спирт

20190.0








Заключение
Приступая к изучению курса «Теория горения и взрыва», необходимо представлять, что горение есть главный и основной процесс на пожаре. Знание химической и физической сути явления и законов горения необходимо для успешной работы инженера противопожарной техники и безопасности в любой области его деятельности. Этот курс является теоретической основой ряда специальных дисциплин.
Использованная литература
1. Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е..В. Процессы горения: Учеб. пособие - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1984.

. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е.. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: Учеб. пособие. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980.

. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. - М.: Химия, 1979.
Приложение
Таблица 6

Номер варианта

Название соединения



h, %

1

Анилин

1,1

0,20

2

Гексан

1,3

0,30

3

Бутанол-1

1,2

0,40

4

Толуол

1,2

0,30

5

Амиловый спирт

2

0,40

6

Глицерин

1,5

0,20

7

Этиленгликоль

1,3

0,25

8

Пропанол-1

1,6

0,20

9

Диэтиловый эфир

1,1

0,40

10

Уксусноэтиловый эфир

1,2

0,30


Таблица 7

Номер варианта

Название соединения

Содержание веществ, %



h, %







C

H

O

S

N

W

зола







1

Церезин

85

14

1

-

-

-

-

1,2

0,20

2

Уголь

70

4

3,4

3

0,6

19

-

1,3

0,10

3

Древесина

46

6

37

-

2

9

-

1,2

0,20

4

Бензин

85

15

0,1

-

0,1

-

-

1,1

0,30

5

Соляровое масло

87

13

0,3

0,4

-

-

-

1,2

0,30

6

Мазут

83

11

1

4

-

1

-

1,3

0,20

7

Керосин

80

14

0,3

-

-

6

-

1,5

0,30

8

Горючий сланец

35

5

10

4

1

15

30

1,2

0,10

9

Горючий сланец

24

1,8

4,1

2,9

-

20

47

1,3

0,20

10

Антрацит

67

2,7

3,4

0,4

0,5

5,5

21

1,1

0,20


Таблица 8

Состав смеси, % объемн.

Номер варианта




1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Окись углерода

-

10

-

-

-

-

-

-

-

11

Водород

50

-

-

-

-

-

-

-

10

-

Метан

-

-

15

-

-

35

-

35

-

-

Этан

-

-

-

42

-

-

24

-

-

-

Пропан

-

-

-

-

60

-

-

-

-

9

Бутан

8

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Пентан

-

-

5

3

-

8

-

-

-

10

Этилен

20

22

28

-

-

-

-

-

-

-

Пропен

-

-

-

-

-

-

16

-

-

-

Бутен

-

-

-

20

-

-

-

15

-

-

Пентен

-

-

-

-

14

19

-

-

35

20

Бензол

-

-

-

5

-

-

-

-

-

-

Ацетилен

-

8

-

-

10

-

10

20

25

-

Углекислый газ

20

10

18

15

-

17

10

13

-

-

Азот

-

50

24

-

16

-

15

-

10

30

Кислород

2

-

10

15

-

21

25

17

20

20



1,2

2

1,3

1,1

1,1

1,2

1,2

1,1

1,5

1,4

h, %

0,10

0,15

0,20

0,20

0,15

0,15

0,20

0,20

0,15

0,10


Таблица 9

Номер варианта

Название соединения

1

2,3-диметил-4-этил-октан

2

2,2,4-триметилпентан

3

1,3-диметил-4-пропилбензол

4

2, 2,3,3 - тетраметилбутан

5

1-метил-4,5-диизопропилбензол

6

2,2-диметилбутанол-1

7

2,2-диметил-3-этил-пропанол-1

8

2,3-диметил-3-этил-бутанол-1

9

1-метил-2этил-3пропилбензол

10

2,2-диэтилпентанол-1


Таблица 10

Номер варианта

Вещество

Т0

А

D0Ч106 , м2/с

1

Метанол

15

40

13,2

2

Этанол

17

45

10,2

3

Пропанол

20

40

8,5

4

Бутанол

20

40

7,0

5

Амиловый спирт

20

40

5,9

6

Ацетон

20

45

8,6

7

Октан

20

40

6,0

8

Сероуглерод

23

40

8,8

9

Толуол

100

45

7,1

10

Этиловый эфир уксусной кислоты

19

40

7,1

Таблица 11

Номер варианта

Название соединения

Метод расчета КПВ

1

Метиловый спирт

По теплоте сгорания

2

Уксусный альдегид

По аппроксимационной формуле

3

Амиловый спирт

По теплоте сгорания

4

Ацетон

По аппроксимационной формуле

5

Октан

По аппроксимационной формуле

6

Диэтиловый эфир

По аппроксимационной формуле

7

Бутиловый спирт

По аппроксимационной формуле

8

Пропиловый спирт

По аппроксимационной формуле

9

Бензол

По аппроксимационной формуле

10

Этиловый спирт

По аппроксимационной формуле
  1   2   3



Рефераты Практические задания Лекции
Учебный контент

© ref.rushkolnik.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации