Проведение анализа параметров горения ацетона и выбор средств его пожаротушения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Воронежский институт высоких технологий - АНОО ВПО

Факультет ДНЕВНОГО обучения

Направление «Пожарная безопасность»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Физико-химические основы развития и тушения пожаров»

На тему: «Проведение анализа параметров горения ацетона и выбрать средства его пожаротушения»

Выполнил:

студент гр. ПБ-121, 2 курс Н.Г. Тюрин

Проверил:

к.т.н., доцент Е. В. Семенова

Воронеж 2014



Воронежский институт высоких технологий - АНОО ВПО

Факультет дневного обучения группа ПБ-121, 2 курс

Дисциплина «Физико-химические основы развития и тушения пожаров»

Задание на курсовую работу

Студенту Тюрину Николаю Геннадьевичу

Научный руководитель к.т.н. Семенова Е. В.

Тема: «Провести анализ параметров горения ацетона и выбрать средства его пожаротушения»

Целевая установка: рассчитать параметры пожаровзрывоопасности горючего вещества

Основные вопросы, подлежащие разработке

Для выполнения расчетной части необходимо выписать характеристику, физические и химические параметры вещества из справочника. Затем для данного соединения написать реакцию горения с воздухом, найти стехиометрический коэффициент, рассчитать объем воздуха, необходимого для горения, объем продуктов сгорания, высшую и низшую теплоты сгорания по формуле Д. И. Менделеева, верхний и нижний пределы воспламенения при избытке воздуха = Х, объем газа Y м³ (масса жидкости Y кг), температуре среды Z ⁰С и давлении Р = G Па.

группа	= Х	Y м3 или Y кг	tраб = Z 0C	Р = G Па
ПБ-111	1,5	8	50	115000
ПБ-121	2,5	15	30	130000



Введение

Ацетон представляет собой бесцветную горючую жидкость, употребляемую в технике и медицине, а также в качестве растворителя. Пожары ацетона относятся к пожарам класса В.

Ацетон уже давно производят и используют в крупных объемах, особенно активно применяется в медицине и строительных работах.

Горение ацетона приводит к большим материальным потерям и гибели людей.

Известно, что ацетон пожаро-взрывоопасен и при его неправильном использовании или пренебрежении правил безопасности несет материальные убытки и человеческие жертвы. Поэтому следует серьезно отнестись к изучению вопроса его пожароопасности и выбора средств пожаротушения.

Необходимо считаться, что ацетон быстро испаряется, и образующееся облако может распространиться до места воспламенения (нагрев или искра) вдали от места работы с ним. Следовательно, одна из основных опасностей при работе с ацетоном - его высокая легковоспламеняемость.

Таким образом, актуально провести анализ параметров горения ацетона и выбрать средства его пожаротушения.

Цель работы: изучить теоретические основы горения бутана, провести расчет параметров горения, выбрать средство его пожаротушения.



1. Теоретические основы горения жидкостей

Механизм горения жидкостей включает в себя несколько этапов такие как: Искра (или другой посторонний источник), воспламенение паровоздушной смеси, горение паровоздушной смеси у поверхности жидкости, повышение скорости испарения за счет передачи тепла от пламени (до того момента, пока не наступит равновесие).

Горение жидкостей имеет свои специфические особенности. Этот процесс очень важен, так как осуществляется везде, где используется жидкое или твердое топливо. Существует два способа горения гетерогенных систем - вспышка и воспламенение. Протекание процесса зависит от соотношении скорости испарения топлива (W_исп) и скорости его горения (W_гор).

Если соблюдается условие W_исп < W_гор, то процесс протекает как вспышка

Вспышка - это быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковременным видимым свечением

Температура вспышки - это та наименьшая температура жидкости при которой под ее поверхностью в условиях специальных испытаний образуется концентрация паров жидкости и способная к воспламенению от источника зажигания но скорость их образования недостаточна для последующего горения. В отличие от НТПВ температура вспышки является кинетическим параметром, так как характеризует скорость испарения.

Для воспламенения горючей жидкости над ее поверхностью сначала должна образоваться паровоздушная смесь. Горение жидкостей возможно только в паровой фазе; при этом поверхность самой жидкости остается сравнительно холодной.

Жидкости, способные гореть, делятся на легко воспламеняющиеся (ЛВЖ) и горючие (ГЖ). ЛВЖ - это жидкости, имеющие температуру вспышки не выше 61°С в закрытом тигле или 66°С в открытом тигле.

ГЖ - это жидкости, имеющие температуру вспышки выше этих значений.

В соответствии с международными рекомендациями легко воспламеняющиеся жидкости делятся на три разряда:

1 разряд. Особо опасные ЛВЖ. К ним относятся жидкости с температурой вспышки от 18 °С и ниже в закрытом тигле и от 13°С и ниже в открытом тигле;

2 разряд. Постоянно опасные ЛВЖ. К ним относятся жидкости с температурой вспышки от 18 °С до 23 °С в закрытом тигле или от 13 °С до 27 °С и ниже в открытом тигле;

3 разряд. ЛВЖ, опасные при повышенной температуре воздуха. К ним относятся жидкости с температурой вспышки от 23 °С до 61 °С в закрытом тигле или от 27°С до 66°С в открытом тигле.

При наличии постоянно действующего источника воспламенения (например, накаленного тела) периодически происходит воспламенение испарившейся части топлива и прекращение процесса. Вспышка возобновляется тогда, когда концентрация топлива в газовой фазе снова достигнет нижнего предела воспламенения. Лимитирующей стадией этого процесса является испарения жидкости. Процесс проходит в диффузионной области. Обычно вспышкой сопровождается горение жидкостей при низких температурах, при которых скорость испарения мала.

При увеличении температуры частота вспышек возрастает, и при достижении некоторой температуры (температуры воспламенения) процесс горения становится постоянным. Такой процесс горения жидких гетерогенных систем называется воспламенением. Для воспламенения необходимо соблюдение условий W_исп ? W_гор.

Для горения жидкостей также существуют пределы воспламенения по концентрации и по температуре.

Температура жидкости, при которой над поверхностью создается концентрация насыщенного пара, равная нижнему пределу воспламенения, называется нижним температурным пределом воспламенения (НТПВ).

Температура жидкости, при которой над поверхностью создается концентрация насыщенного пара, равная верхнему пределу воспламенения, называется верхним температурным пределом воспламенения (ВТПВ).

Например, для ацетона НТПВ равен - 20 ⁰С, а ВТПВ +6 ⁰С.

ТПРП - это температуры вещества при которых его насыщенный пар образует в окислительной среде концентрации равные соответствующему нижнему или верхнему КПРП (концентрационный предел распространения пламени)

НИЖНИЙ (ВЕРХНИЙ) КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ ПРЕДЕЛ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ - минимальное (максимальное) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при которой возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Так же горения жидкостей характерны следующие понятия:

МИНИМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ЗАЖИГАНИЯ - наименьшая энергия электрического заряда, способная воспламенить наиболее легковоспламеняющуюся смесь горючего вещества с воздухом;

МИНИМАЛЬНАЯ ФЛЕГМАТИЗИРУЮЩАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ ФЛЕГМАТИЗАТОРА - наименьшая концентрация флегматизатора в смеси с горючим и окислителем, при которой смесь становится неспособной к распространению пламени при любом соотношении горючего и окислителя.

горение жидкость ацетон вещество



2. Методика расчета параметров горения ацетона

2.1 Характеристика вещества

Физико-химические свойства: Молярная масса 58,08; плотность при 20 °С составляет 790,8 кг/м³; температура плавления -95,35 °С; температура кипения 56,5 °С; lg p = 6,37551 - 1281,721/(237,088 + t) при температуре от минус 15 до 93°С; коэффициент диффузии пара в воздухе D = 0,109(T/273)1/9 см²/с; теплота образования -217,57 кДж/моль; теплота cгopания -1821,38 кДж/моль; растворимость в воде неограниченная.

Пожароопасные свойства: Легковоспламеняющаяся жидкость. Температура вспышки: -18 °С (закрытый тигль), -9 °С (открытый тигль); температура воспламеннения -5 °С; температура самовоспламенения: 535 °С в воздухе, 485 °С в кислороде, 325 °С в хлоре; концентрационные пределы распространения пламени 2,7 - 13 % об.; температурные пределы распространения пламени: нижний -20 °С, верхний 6 °С; минимальная энергия зажигания 0,41 мДж при 25 °С; максимальное давление взрыва 570 кПа;

скорость нарастания давления: среднее 8,3 МПа/с максимальное 13,8 МПа/с; МВСК 11,9 % об. При разбавлении паровоздушной смеси азотом и 14,9 % об. При разбавлении диоксидом углерода; минимальная флегматизация концентрации: азота 41 % об., диоксида углерода 28 % об.; КИ 16 % об.; адиабатическая температура горения 1665 К; БЭМЗ 1,04 мм; нормальная скорость распространения пламени 0,44 м/с при 25 °С. Водные растворы ацетона пожароопасны. Ацетон отличается способностью при горении на открытой поверхности прогреваться в глубину, образуя все возрастающий гомотермический слой. Скорость выгорания 5,96·10-2 кг/(м²·с).



2.2 Брутто уравнение реакции горения

С₃Н₆O + 4(О₂ + 3,76N₂) = 3CO₂ + 3H₂O + 4х3,76N₂

в = 4 - стехиометрический коэффициент

2.3 Порядок расчета объема воздуха необходимого для горения

Для жидкостей:

.

где - m - масса вещества

V_t - объем одного Кмоля газа при заданных условиях.

б - коэффициент избытка воздуха

М - молярная масса вещества

[ м³ ]

где V_o = 22,4 м³

P_o = 101325 Па

Т_о = 273 К



2.4 Порядок расчета продуктов горения

Для жидкостей:

,

где: суммарное количество киломолей продуктов горения;

m - масса горючего вещества (даётся в условии);

V_t - объём одного кмоля газа при заданных условиях.

Если давление и температура по условиям задачи не соответствуют нормальным, то объём 1 кмоль вещества рассчитывают по формуле:

,

где P и t - заданные температура и давление.

Если горение протекает с избытком воздуха ( 1), то необходимо рассчитать О₂ = ( - 1) и N₂ = 3,76( - 1).

2.5 Определение низшей и высшей теплоты сгорания веществ по формуле Д. И. Менделеева (Q_в и Q_н )

Для определения теплоты сгорания веществ с известным процентным составом используют формулу Д. И. Менделеева:

Q_н = 339х62,06 + 1256х10,34 - 109х27,58 - 25(9х10,34)=28728,06

Q_в = 339х62,06 + 1256х10,34 - 109х27,58=31063,87

где - С,H,O,N,S - содержание в процентах соответствующих химических элементов в веществе.

W - влажность в процентах.

2.6 Определение нижних и верхних концентрационных пределов распространения паров вещества в объемных процентах

, [%]

где - стехиометрический коэффициент;

а, в - коэффициенты

Таблица для выбора коэффициентов а и в

Область применения	А	в
Для вычисления нижнего предела	8,684	4,679
Для вычисления верхнего предела
При 7,5	1,550	0,560
При 7,5	0,768	6,554

Расчет концентрационных пределов распространения пламени вещества при заданных условиях.

, [%]

. [%]

Пересчет концентрационных пределов распространения пламени вещества из объемных процентов в г/м³.



,

.

2.7 Расчет температуры горения веществ

Под температурой горения понимают максимальную температуру, до которой нагреваются продукты горения. Принято различать: калориметрическую температуру горения, рассчитываемую для стехиометрической смеси с воздухом без учета потерь тепла на диссоциацию продуктов горения и потерь тепла в окружающее пространство; теоретическую температуру горения, определяемую с учетом тепла диссоциации продуктов горения при высоких температурах, действительную температуру горения, учитывающую теплопотери в окружающее пространство.

При пожаре сложно точно замерить температуру. При значительных отличиях теоретической (расчетной), действительной и калориметрической температуры чаще всего используют расчетное значение с различными поправками. Так это значение используется при оценке пожарной опасности веществ и для определения максимального давления при горении паровоздушной смеси в закрытом сосуде.

Температура горения зависит от состава горючего материала, условий горения: разбавления продуктов горения избыточным воздухом, температуры воздуха, полноты сгорания исходного горючего материала.

Расчет температуры горения проводят из уравнения теплового (энергетического) баланса:

Q_н = V_пгi С_Р(Т_г - Т₀),

Q_пг = Q_н(1 - ).

Действительная температура горения:

где Q_н - тепло, выделяемое при реакции горения;

Q_пг - теплота, расходуемая на нагрев продуктов горения;

- доля потерь тепла в результате химического и механического недожога и излучения (теплопотери);

V_пгi - объем i-го продукта полного горения с учетом избытка воздуха;

С_р - средняя объемная теплоемкость продуктов горения при постоянном давлении;

С_рв , С_рi - теплоемкости воздуха и i-го продукта горения;

V_в - избыток воздуха;

Т_г - температура горения;

Т₀ - начальная температура.

Следовательно, чтобы рассчитать температуру горения, необходимо знать теплоту горения, объем и теплоемкость продуктов горения.

В первом приближении температуру горения можно рассчитать непосредственно из уравнения теплового баланса, имея в виду, что средняя теплоемкость продуктов горения а интервале температур 1500 2500 К может быть принята равной 1,75 кДж/(м^3.К).

Действительная температура горения на пожаре для большинства газообразных, жидких и твердых веществ изменяется в достаточно узких пределах (1300 1800 К).

В связи с этим расчет действительной, температуры горения может быть значительно упрощен, если теплоемкость продуктов горении выбирать при температуре 1500 К:

где С_рi - теплоемкость i-го продукта горения при 1500 К (табл.).

Таблица Теплоемкости различных веществ

Вещество	Теплоемкость
	кДж/(м3К)	кДж/(мольК)
Двуокись углерода	2,27	50,85.10-3
Двуокись серы	2,28	51,07.10-3
Вода (пар)	1,78	39,87.10-3
Азот	1,42	31,81.10-3
Воздух	1,44	32,26.10-3

При выполнении расчета температуры горения значения теплоемкостей продуктов горения берут из таблиц, а подсчет производят по методу последовательных приближений, каждый раз определяя теплосодержание продуктов горения при выбранной температуре.



3. Расчетная часть

3.1 Условия проведения расчетов

Расчеты проведены при условии:

	= Х	Y м3 или Y кг	tраб = Z 0C	Р = G Па
ПБ-121	2,5	15	30	130000

3.2 Брутто уравнение реакции горения

С₃Н₆O + 4(О₂ + 3,76N₂) = 3CO₂ + 3H₂O + 4х3,76N₂

в = 4 - стехиометрический коэффициент

3.3 Порядок расчета объема воздуха необходимого для горения

Для жидкостей:

[ м³ ]

3.4 Порядок расчета продуктов горения

Для жидкостей:

Если давление и температура по условиям задачи не соответствуют нормальным, то объём 1 кмоль вещества рассчитывают по формуле:

,

Если горение протекает с избытком воздуха ( 1), то необходимо рассчитать

О₂ = ( - 1) = 4(2,5-1)=6

N₂ = 3,76( - 1) = 3,76х4(2,5-1)=22,56

3.5 Определение низшей и высшей теплоты сгорания веществ по формуле Д. И. Менделеева (Q_в и Q_н )

Для определения теплоты сгорания веществ с известным процентным составом используют формулу Д. И. Менделеева:

Q_в = 339х62,06 + 1256х10,34 - 109х27,58- 25х9х10,34=34704,8 [кДж/кг]

Q_н = 339х62,06 + 1256х10,34 - 109х27,58=31019 [кДж/кг]

3.6 Определение нижних и верхних концентрационных пределов распространения паров вещества в объемных процентах

[%]

в = 4; а = 0,768; в = 6,554

[%]

а = 0,768; в = 6,554

Расчет концентрационных пределов распространения пламени вещества при заданных условиях.

[%]

[%]

Пересчет концентрационных пределов распространения пламени вещества из объемных процентов в г/м³.

[м³ ]

3.7 Расчет температуры горения веществ

Температура горения зависит от состава горючего материала, условий горения: разбавления продуктов горения избыточным воздухом, температуры воздуха, полноты сгорания исходного горючего материала.

Расчет температуры горения проводят из уравнения теплового (энергетического) баланса:

V(CO₂ )= 3 кмоль

V(H₂O) = 3 кмоль

V(N₂) = 4·3,76 + 3+ 3 = 21,04 кмоль

Q_н¹³⁰⁰ = 3· 66,79 + 3 · 52,59 + 4 · 3,76 · 67,16 = 1368,23 [кДж]

Q_в¹⁴⁰⁰ = 3· 72,65 + 3 · 57,4 + 4 · 3,76 · 72,8 = 1485,06 [кДж]

Действительная температура горения:

Температурный предел распространения ацетона:

T_н = 0,6582 · 56,5 - 44,1 = -5,4 ⁰С

T_в = 0,7278 · 56,5 - 21,5 = 19,62 ⁰С

Температура вспышки ацетона:

⁰С

3.8 Выбор средств пожаротушения

Наиболее эффективными средствами пожаротушения согласно справочнику Корольченко являются воздушно-механические пены и порошки. Так же очень надежным и эффективным средством являются порошковые огнетушители предназначенные для тушения пожаров твердых, жидких и газообразных веществ. Огнегасительный эффект порошкового огнетушителя заключается в механическом сбивании пламени и вытеснения кислорода из зоны горения. При тушении порошковыми огнетушителями очаг возгорания ликвидируется как только зона горения будет окружена облаком порошка требуемой концентрации, кроме того облако порошка обладает экранирующим свойством, что дает возможность подойти к горящему объекту на близкое расстояние.

Воздушно-механическая пена образуется в результате интенсивного механического перемешивания водного раствора пенообразователя с воздухом. Для получения пены применяются пенообразователи ПО-1 и ПО-6.

Пенообразователь ПО-l представляет собой нейтрализованный керосиновый контакт, содержащий не менее 45 % сульфакислот. Для получения необходимой кратности и стойкости пены в него добавляют 4,5% клея и 10% спирта.

Пенообразователь ПО-6 является продуктом щелочного гидролиза технической крови животных. Для придания устойчивости пены в него добавляют 1 % сернокислого закисного железа. Чтобы предотвратить загнивание пенообразователя при длительном хранении, в него добавляют 4 % фтористого натрия.

Воздушно-механическая пена состоит из пузырьков, оболочка которых образована из раствора пенообразователя. В пузырьках содержится (в зависимости от пенообразователя) воздуха до 90 %, воды 9,5 % и пенообразователя до 0,5 %.



Выводы

В данной работе мы рассмотрели механизм горения жидкостей, разобрали наиболее опасные факторы пожара. Выяснили что жидкости являются пожаро- взрывоопасными веществами и не соблюдении правил безопасности использования данных веществ несет за собой материальные убытки и человеческие жертвы.

При расчете параметров пожаровзрывоопасности горючего вещества получили следующие результаты:

Объем воздуха необходимого для горения - 237,25 [м³]

Объем продуктов горения - 247,5 [м³]

Высшая теплота сгорания - 34704,8 [кДж/кг]

Низшая теплота сгорания - 31019 [кДж/кг]

НКПРП- 2,44 %

ВКПРП - 10.79 %

Действительная температура горения -1305,43[K]

Температура вспышки - минус 3,88 ⁰С

Так же выбрали наиболее эффективные средства пожаротушения таковы являются воздушно-механические пены, порошки а так же порошковые огнетушители главным плюсом которых является экранирующие свойство, что дает возможность подойти к горящему объекту на близкое расстояние.



Список используемой литературы

1. Баженова Л.М. Теория горения и взрыва: учебное пособие/ Л.М. Баженова, Е.В. Семенова, С.В. Пельтихина, АНОО ВИВТ. Воронеж: ВИВТ, 2008, 244 с.

2. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочник: в 2-х частях: М.: Пожнаука, 2004, 713 с.

3. Семенова Е.В. Физико-химические основы развития и тушения пожара: учебное пособие / Е.В. Семенова, Л.М. Баженова. Воронеж: АНОО ВИВТ, 2013. - 120 с.

4. Тихановская, Г.А. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: учеб. пособие / Г.А. Тихановская, Е.А. Фокичева. - Часть 1. - Вологда: ВоГТУ, 2012. - 120 с.

5. Шароварников А. Ф., Шароварников С. А. Пенообразователи и пены для тушения пожаров: Состав, свойства, применение. М.: Пожнаука, 2005, 335 с.

6. Яблоков В.А., Митрофанова С.В. Теория горения и взрыва. Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, 2007, 60 с.

Размещено на Allbest.ru

...