Основы возникновения и развития пожара

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Основы возникновения и развития пожара

ПОСОБИЕ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

КОНТРОЛЬНО-РАСЧЕТНОЙ РАБОТЫ



1. Общие сведения

горение взрыв пожар паровоздушный

По данным справочной литературы выписываются основные сведения о веществе:

Название вещества, структурная формула, область применения. Агрегатное состояние.Внешний вид, цвет и запах. Плотность. Относительная плотность пара по воздуху. Температура плавления. Температура кипения. Коэффициент молекулярной диффузии пара. Растворимость в воде. Химические свойства. Воздействие на человека.



2. Определение характеристик горения

2.1 Характер свечения пламени

Характер свечения пламени при горении веществ зависит от процентного содержания элементов в веществе, главным образом, углерода, водорода, кислорода и азота.

Свечение пламени связано с наличием несгоревших раскаленных твердых частиц углерода С, а также трехатомных молекул.

Если в горючем веществе при термическом разложении углерод не образуется, то вещество горит бесцветным пламенем как, например, в случае горения водорода Н2.

При термическом разложении веществ с массовой долей углерода менее 50 % и содержащих в своем составе кислород (более 30 %) несгоревших частиц углерода образуется очень мало, и в момент образования они успевают окислиться до СО.

СН3ОН СО + 2Н2

Такие вещества имеют голубоватые пламена (пламя угарного газа СО, метанола СН3ОН и этанола С2Н5ОН).

При горении веществ, содержащих более 75 % углерода (ацетилен С2Н2, бензол С6Н6), в зоне горения образуется настолько много частиц С, что поступающего путем диффузии воздуха не хватает для полного окисления всего углерода.

С6Н6 6С + 3Н2

Не окислившийся в пламени углерод выделяется в виде копоти, и пламя при горении таких веществ будет ярким и коптящим.

Если кислород в веществе отсутствует или его содержание не превышает 30 %, но, в свою очередь, и массовая доля углерода не очень велика (менее 75 %), то при термическом разложении будет выделяться значительное количество частиц углерода, но при нормальном доступе воздуха в зону горения они успевают окислиться до СО2.

Возможная реакция при термическом разложении ацетона :

СН3СОСН3 СО + 2С + 3Н2.

В подобных случаях пламя будет яркое, но не коптящее.

Сопоставляя значения процентного содержания углерода и кислорода в горючих веществах, можно приблизительно судить о характере свечения пламени (таблица 1.).

Таблица 1 Характер свечения пламени

Содержание углерода в горючем веществе, (С) %	Содержание кислорода в горючем веществе, (О) %	Характер свечения пламени
< 50	> 30	пламя бесцветное или голубоватое
< 75	отсутствует или < 30	пламя яркое, не коптящее
> 75	отсутствует или < 25	пламя яркое, коптящее

Цвет пламени горючих веществ, в основном, определяется присутствием в нем твердых частиц углерода. Если вместо углерода ввести в пламя другие твердые частицы, то пламя соответственно окрашивается. Так, например, если в бесцветное пламя метилового спирта ввести соли стронция, то пламя окрашивается в красный цвет, при введении солей бария - в зеленый, меди - в синий, натрия - в желтый. Вводимая в пламя соль при высокой температуре диссоциирует и образующиеся продукты диссоциации излучают характерные для них лучи. Так, например, хлористый барий при высокой температуре диссоциирует по уравнению:



2BaCl2 => 2BaCl + Cl2

Монохлорид ВаСl излучает в зеленой линии спектра. Это свойство солей некоторых металлов используется при изготовлении самых разнообразных пиротехнических составов.

Пример: Определить характер свечения пламени метаналя НСОН, фенола С6Н5ОН и пентанола С5Н11ОН.

1. Массовые доли углерода и кислорода в молекуле метаналя составляют:

Мr (НСОН) = 30

(С) = = 40 %; (О) = = 53 %

Массовая доля углерода < 50 %, а массовая доля кислорода > 30 %, следовательно, при горении метаналя наблюдается голубоватое пламя.

2. Массовые доли углерода и кислорода в молекуле фенола составляют:

Мr (С6Н5ОН) = 94

(С) = = 77 %; (О) = = 17 %

Массовая доля углерода > 50 %, а массовая доля кислорода < 25 %, следовательно, пламя при горении фенола яркое и коптящее.

3. Массовые доли углерода и кислорода в молекуле пентанола составляют:

Мr (С5Н11ОН) = 88

(С) = = 68 %; (О) = = 18 %



Массовая доля углерода < 75 %, а массовая доля кислорода < 30 %, следовательно, пламя при горении пентанола будет ярким, но не коптящим.

2.2 Теоретический и практический расход воздуха на горение

Удельным теоретическим расходом воздуха Vв° называется минимальное его количество, необходимое для полного сгорания единицы массы горючего вещества при нормальных условиях.

Теоретическое количество воздуха (или другого окислителя) рассчитывается по уравнению материального баланса горения с учетом стехиометрических коэффициентов, то есть когда горючее и окислитель находятся в стехиометрическом соотношении.

Стехиометрическое количество воздуха в уравнении реакции горения предполагает, что при данном соотношении компонентов, участвующих в реакции горения, воздух расходуется полностью. Объем воздуха в данном случае называется теоретическим (Vвтеор).

Горение может происходить не только при стехиометрическом соотношении компонентов, но и при значительном отклонении от него. Как правило, в условиях пожара на сгорание вещества воздуха затрачивается больше, чем определяется теоретическим расчетом. Избыточный воздух Vв в реакции горения не расходуется и удаляется из зоны реакции вместе с продуктами горения. Таким образом, практический объем воздуха равен :

Vвпр = Vвтеор + Vв (1)

и, следовательно, избыток воздуха будет равен

Vв= Vвпр - Vвтеор (2)



Обычно в расчетах избыток воздуха при горении учитывается с помощью коэффициента избытка воздуха (). При этом следует помнить, что в избыток воздуха входит только кислород и азот.

Коэффициент избытка воздуха при кинетическом горении показывает отклонение газопаровоздушной смеси от стехиометрической концентрации. При стехиометрической концентрации б=1. В данном случае коэффициент избытка воздуха может быть как больше, так и меньше 1, но ограничен область воспламенения.

Величина является важной характеристикой машин и агрегатов, в которых осуществляется организованное горение.

Для горючих смесей стехиометрического состава (т.е. состава, соответствующего уравнению реакции горения), где коэффициент избытка воздуха = 1, реальный расход воздуха равен теоретическому. В этом случае обеспечивается оптимальный режим горения. Однако добиться полной однородности смеси чрезвычайно трудно. Существующие для этой цели технические средства не позволяют в полной мере обеспечить стехиометрическое соотношение компонентов при реакции горения и создать однородную смесь. Регулирование значения коэффициента избытка воздуха дает возможность максимально приблизиться к оптимальным условиям сжигания.

Почти всегда несколько больше единицы и находится в интервале значений:

1,02 - 1,3 в зависимости от характера сжигаемого вещества. Именно этим обусловлено название коэффициента - коэффициент избытка воздуха. В действительности для кинетического горения его значения могут быть как больше, так и меньше 1.

При > 1 горючую смесь называют бедной по горючему компоненту, а при < 1 - богатой по горючему компоненту.

Избыток воздуха имеется только в смеси, бедной по горючему компоненту. Избыток воздуха равен:

Vв= Vвтеор( 1)(3)

В условиях пожара обычно преобладает диффузионный режим горения. В закрытом объеме диффузионное горение большинства горючих материалов возможно только до определенной пороговой концентрации кислорода, так называемой остаточной концентрации кислорода в продуктах горения. Т.е. при диффузионном горении, кислород воздуха не весь задействуется на горение. Для различных веществ и материалов остаточное содержание кислорода в продуктах сгорания может составлять 8-16%. Таким образом, на горение расходуется только часть кислорода, поэтому для полного сгорания рассматриваемого вещества потребуется воздуха больше, чем теоретически необходимое.

Коэффициент избытка воздуха для диффузионного горения правильнее назвать коэффициент участия воздуха в горении. Эта характеристика более полно отражает суть процесса горения на пожаре и не дает ошибочных представлений и понятий. Это важный параметр, определяющий динамику развития пожара и, как следствие, развитие его опасных факторов.

Отношение объема воздуха, практически пошедшего на горение при диффузионном горении, к теоретически необходимому, называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается греческой буквой б (альфа):

(4)

его можно определить также по выражению:

(5)



где:

концентрация кислорода в воздухе до начала горения, в объемных %, обычно, если не задано иное, принимают 21%;

- концентрация кислорода в воздухе, при которой прекращается горение данного вещества (остаточное содержание кислорода), в объемных %.

Физический смысл коэффициента избытка воздуха при диффузионном горении заключается в том, на сколько не полностью может быть (или был) задействован кислород воздуха при горении.

Формула для расчета практического объема воздуха для сгорания заданного количества горючего вещества имеет вид:

, м3;(6)

где:

б - коэффициент избытка воздуха.

Очевидным является, что при горении в диффузионном режиме, коэффициент избытка воздуха может иметь значения более 1. На практике значение этого коэффициента обычно составляет 2-5.

Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполагает вычисление:

а) теоретического объема воздуха Vвтеор и б) практического объема воздуха Vвпр, затраченного на горение (с учетом коэффициента избытка воздуха).

Алгоритм расчета теоретического количества воздуха зависит от агрегатного состояния вещества и его химической природы. Для удобства вычислений горючие вещества подразделяют на три основные группы:

индивидуальные химические соединения с известной химической формулой (метан, ацетон, спирты и т.д.);

конденсированные горючие вещества неизвестного химического строения, но с известным элементным составом (элементный состав отражает содержание в веществе химических элементов С, Н, О, S, N, C1 и др. в % масс.);

смесь газов или паров.

Расчет объема воздуха для горения индивидуальных соединений

Расчет объема воздуха для горения индивидуальных соединений выполняется в следующей последовательности:

1. Составляется уравнение реакции горения вещества в воздухе

Необходимо иметь в виду, что углерод (С) сгорает с образованием диоксида углерода СО2, водород (Н) при сгорании образует воду (Н2О) сера (S) сгорает до диоксида серы SО2.

Азот (N), входящий в состав вещества, не окисляется, а выделяется в виде молекулярного азота N2.

Галогены: фтор (F), хлор (Сl), бром (Вr), йод (I), входящие в состав вещества, образуют галогенводороды (HF, HC1, HBr, NI).

Следует иметь в виду, что кислород, входящий в состав вещества нужно учитывать при определении стехиометрического коэффициента при воздухе в левой части уравнения.

Рассчитывается молярная масса горючего вещества

Определяем молярный объем VM кмоля воздуха при заданных температуре и давлении

Один кмоль любых газов при одинаковой температуре и одинаковом давлении занимает один и тот же объем.

Объем одного кмоля VM(0) любого газа при нормальных условиях равен 22,4 м3 и называется молярным объемом.

Нормальные условия: температура t0=0 °С или Т0=273 К; давление Ро=101,325 КПа или 760 мм рт.ст.

Молярный объем газа можно привести к любым другим условиям- температуре и давлению по формуле:

, м3/кмоль ;

где Ро - нормальное давление, Р0=101,3 кПа или Р0=760 мм рт.ст.;

То - нормальная температура, Т0=273 К;

VM(0) - объем одного кмоля газа при нормальных условиях,

VM(0)=22,4 м3 /кмоль;

Р1 - заданное давление, кПа или мм рт.ст.;

Т1 - заданная температура, К;

Подсчитывается количество кмолей воздуха по уравнению реакции горения .

Составляется пропорция:

Для сгорания кмоля вещества расходуется в 4.76 кмоля воздуха (4,76 кмоля воздуха = 1 кмоль O2 + 3,76 кмоль N2). Один кмоль газа при заданных условиях занимает объем, равный VM. Таким образом, на сгорание одного кмоля горючего вещества (М кг) расходуется 4,76·в·VM м3 воздуха.

Отсюда пропорция будет иметь вид:

М кг/кмоль сгорает в (4,76·в·VM) м3/кмоль воздуха,

m кг сгорает в ---- м3.

Из нее можно получить формулу для определения теоретического объема воздуха, необходимого для сгорания m кг вещества:

, м3

Пример расчета по уравнению химической реакции

Условие: Какой теоретический объем воздуха необходим для полного сгорания 1 кг диэтилового эфира С2Н5ОС2Н5? Температура 100С, давление 1,2 ат, остаточное содержание кислорода в продуктах сгорания 15%.

Решение:

1. Записывают уравнение реакции горения в воздухе

С2Н5ОС2Н5 + 6(О2 + 3,76N2) =4СО2 + 5Н2О +63,76N2

Коэффициент перед воздухом обозначается . В данном случае

2. Определяют сколько киломолей воздуха необходимо для сжигания одного килограмма горючего.

Из уравнения горения получаем, что для сжигания 1 кмоля горючего требуется:

Зная молярную массу горючего можно сказать, что 1 киломоль весит М кг. В рассматриваемом случае М=4·12+10·1+16=74 кг.

Можно записать следующую пропорцию:

Для сжигания М кг (1 кмоль) горючего - требуется кмолей воздуха

Для сжигания 1 кг горючего - требуется n кмолей воздуха

ОТСЮДА:

,



для рассматриваемого случая:

То есть, для сжигания 1 кг диэтилового эфира требуется 0,39 кмоль воздуха.

3. Определяют какой объем занимает найденное количество киломолей воздуха при заданных условиях.

Известно, что 1 кмоль любого газа или пара при нормальных условиях занимает объем равный 22,4 м3, т.е. молярный объем при Н.У.

Если условия отличаются от нормальных, то необходимо определить, какой объем будет занимать 1 кмоль любого газообразного вещества при данных условиях. Расчет VМ ведут по формуле объединенного газового закона:

,

где:

Р и Т - данные в задаче температура и давление,

P0, V0, T0 - cоответственно давление, молярный объем и температура при нормальных условиях.

Для заданных в задаче условий:

м3/кмоль



Исходя из этого, 0,39 кмоль воздуха при заданных условиях займут следующий объем:

4. Поскольку согласно условий задачи, при горении расходуется не весь кислород воздуха, то коэффициент избытка воздуха , поэтому следует учесть избыток воздуха при горении.

5. Практический расход воздуха равен:

Ответ: Удельный теоретический расход воздуха при горении диэтилового эфира при заданных условиях составляет 7,6 м3/кг, практический расход 26,6 м3/кг

Расчет расхода воздуха по элементному составу вещества

Состав таких веществ выражается в массовых долях (, %) каждого элемента. При горении кислород воздуха расходуется на окисление углерода С, водорода Н, серы S и других горючих составляющих.

Рассчитаем, какой теоретический объем воздуха необходим для сгорания 1 кг каждого элемента при нормальных условиях.

1 кг х м3

С + (О2 + 3,76N2) = СО2 + 3,76N2

12 кг/кмоль 4,7622,4 м3

Vв(С)теор = х = = 8,885 м3 - объем воздуха для сгорания 1 кг углерода.

1 кг х м3

Н + 0,25(О2 + 3,76N2) = 0,5Н2О + 0,253,76N2

1 кг/кмоль 0,254,7622,4 м3

Vв(Н)теор = х = = 26,656 м3 - объем воздуха для сгорания 1 кг водорода.

1 кг х м3

S + (О2 + 3,76N2) = SО2 + 3,76N2

32 кг/кмоль 4,7622,4 м3

Vв(S)теор = х = = 3,332 м3 - объем воздуха для сгорания 1 кг серы.

Углерод, водород и сера являются основными составляющими большинства органических соединений. Значительное число органических веществ имеют в своем составе кислород, и, следовательно, воздуха на горение будет затрачено меньше.

Рассчитаем объем воздуха, в котором содержится 1 кг кислорода.

32 кг О2 4,7622,4 м3 воздуха

1 кг х м3

Vв(О)теор = х = = 3,332 м3 - объем воздуха, содержащий 1 кг кислорода.

Сопоставим полученные значения.

Vв(Н)теор : Vв(С)теор : Vв(S)теор :Vв(О)теор = 26,665:8,885:3,332:3,332=1:1/3:1/8:1/8

Теоретическое количество воздуха для сгорания 1 кг вещества сложного элементного состава в общем виде можно записать следующим образом:

Vвтеор = Vв(С)теор + Vв(Н)теор + Vв(S)теор Vв(О)теор , м3

Где (С), (Н), (S), (О) - массовые доли элементов в веществе, %.

После подстановки в последнюю формулу полученных выше расчетных значений теоретический объем воздуха при нормальных условиях для сгорания заданной массы (m) вещества сложного элементного состава при нормальных условиях определяется по формуле:

Vвтеор =m 0,267 , м3/кг.(7)

В случае, когда горение происходит при избытке воздуха, т.е. коэффициент избытка воздуха , формула примет следующий вид:

Vвпракт =m 0,267 , м3/кг.(8)

Пример расчета расхода воздуха по элементному составу

Условие: Представить диэтиловый эфир С2Н5ОС2Н5 в виде вещества сложного элементного состава и рассчитать теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг этого вещества? Температура 100С, давление 1,2 ат, остаточное содержание кислорода в продуктах сгорания 15%.

Решение:

1. Вычислим массовые доли элементов в веществе:

Молярная масса диэтилового эфира составляет

М(С4Н10О) = 124 + 10 + 16 = 74 кг/кмоль

(С) = = 64,9 %;

(Н) = = 13,5 %;

(О) = = 21,6 %.

2. Условия отличаются от нормальных, следовательно, необходимо определить, какой объем будет занимать 1 кмоль любого газообразного вещества при данных условиях (расчет VМ).

Для заданных в задаче условий:

VМ = = 19,35 м3/кмоль.

3. Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания, составит:

Vвтеор = 1 0,0119 19,35 = 7,5 м3

4. Коэффициент избытка воздуха по условию задачи

5. Практический расход воздуха равен:

Vвпракт =7,5 3,5 = 26,3 м3

Ответ: удельный теоретический расход воздуха при горении диэтилового эфира при заданных условиях составляет 7,5 м3/кг, практический расход 26,3 м3/кг.

Расчет расхода воздуха в единицу времени

Для решения технических задач может потребоваться определить требуемый удельный расход воздуха на горение в единицу времени. Для этого необходимо по справочной литературе определить массовую скорость выгорания и удельный расход воздуха (см. выше).

,(9)

где:

- массовая скорость выгорания, кг/м2·с;

- требуемый объем воздуха для полного сжигания 1 кг горючего - теоретический или практический, в зависимости от условий задачи.

В курсовой работе необходимо рассчитать и теоретический и практический удельный расход воздуха в единицу времени.

2.3 Объем и состав продуктов полного сгорания

Знание количества и состава продуктов горения позволяет вычислять такие характеристики процесса горения, как температуру горения, температуру взрыва и давление при взрыве. Продукты горения могут быть влажными и сухими. Во влажных продуктах объем водяных паров учитывается, а в сухих - нет. Объем продуктов горения выражается в метрах кубических на килограмм (м3/кг) или на метр кубический (м3/м3) горючего вещества, а состав - в объемных процентах.

Состав продуктов горения зависит от химической природы горючего материала и условий его горения. Практически всегда органические вещества горят с образованием продуктов полного и неполного горения.

К продуктам полного сгорания относятся: углекислый газ, образующийся при горении углерода, разложении карбонатов; водяной пар, образующийся при горении водорода и испарении влаги в исходном веществе; оксид серы (IV) SO2 и азот - продукты горения соединений, содержащих серу и азот.

Продукты неполного сгорания - это оксид углерода (II) - угарный газ СО, сажа С, продукты термоокислительного разложения - смолы.

Неорганические вещества сгорают, как правило, до соответствующих оксидов.

Выход продуктов неполного горения количественно установить невозможно из-за чрезвычайной сложности их состава, поэтому материальный баланс процесса горения рассчитывается из предположения, что вещество сгорает полностью до конечных продуктов. При этом в состав продуктов горения включают также азот воздуха, израсходованного на горение, и избыток воздуха при > 1.

Как и в случае расчета объема воздуха, необходимого для горения, свои особенности имеет расчет продуктов горения для индивидуальных веществ, смеси газов и веществ с известным элементным составом.

В случае, когда горючее - индивидуальное химическое соединение, расчет объема продуктов горения ведется по уравнению реакции горения:

, м3

где:

Vпг - объем продуктов горения;

- общее число кмолей продуктов горения, которые выделяются при сгорании одного кмоля горючего вещества:

= n1(СО2) +n2(Н2O) +n3(SO2) +n4(HCl) + n5(N2) +..;

m - масса горючего вещества, кг;

VM - объем кмоля продуктов горения;

М - молярная масса горючего вещества, кг/м3.

Если горение протекает с избытком воздуха, то при расчете общего числа кмолей продуктов горения учитывается избыточное число кмолей кислорода и азота:

= (-1) - число кмолей кислорода в избытке вздуха (остаточного кислорода);

= 3,76·(-1) - число кмолей азота в избытке воздуха.

Процентный состав продуктов горения рассчитывается, исходя из общего числа кмолей продуктов горения. Общее число кмолей продуктов горения ( = n1CO2) + n2(H2O) + n3(SO2) + n4(НСl) + n5(N2) + +) принимается за 100% и вычисляется процентное содержание каждого компонента продуктов горения.

ц(СО2) = n1(СО2)·100/?ni ; % ; ц(Н2О) = n2(H2O) ·100/?ni ; %;

ц(SО2) = n3(SО2)·100/?ni; % ; ц(НСl) = n4(HCl) ·100/?ni ; %;

ц(N2) = [n5 (N2)+Дnазота]·100/?ni; % ;

ц(O2) = Дnкисл · 100/?ni ; % .

Если требуется рассчитать объем отдельного компонента продуктов горения, выделившегося при сгорании данного весового количества вещества, то такой расчет ведут по формуле:

; м3 ;

Пример расчета объема и состава продуктов горения по уравнению химической реакции

Условие: Определить объем и состав в объемных % продуктов горения, образовавшихся при сгорании 1 кг бензола С6Н6. Начальная температура окружающей среды 200С, давление 770 мм рт.ст., коэффициент избытка воздуха = 1.4, температура горения 1500°С.

1. Записываем уравнение реакции горения

С6Н6 + 7,5(О2 + 3,76N2) = 6СО2 + 3Н2О + 7,53,76N2

2. По уравнению реакции горения определяем количество каждого из продуктов сгорания:

Поскольку в рассматриваемом случае горение протекает с избытоком воздуха (), необходимо учесть остаточный кислород в продуктах сгорания и азот в избытке воздуха:

Таким образом, практический состав продуктов сгорания следующий:

3. Определяем общее количество продуктов сгорания при сжигании 1 киломоля горючего:

4. Определяем процентный состав продуктов горения:

Производим проверку:

Поскольку известно, что 1 киломоль любого газа или пара при одинаковых условиях занимает одинаковый объем, то найденные концентрации также будут являться и объемными концентрациями продуктов сгорания.

5. Определяем общее количество продуктов сгорания при сжигании 1 кг горючего, для этого составляем пропорцию:

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Отсюда:

6. При определения общего объема продуктов сгорания, примем, что нагретые до высокой температуры продукты сгорания отдают свою теплоту в окружающее пространство и строительным конструкциям, поэтому температуру продуктов сгорания принимаем 20°С (см. условие задачи).

Рассчитаем, какой объем занимает 1 кмоль газообразных веществ при заданных температуре и давлении.

м3/кмоль

Объем продуктов сгорания составит:

ОТВЕТ:

При сжигании 1 кг бензола при заданных условиях выделяется 15,6 м3 продуктов сгорания, из них: СО2 - 11,7%; Н2О - 5,8%; N2 - 76,7%; О2 - 5,8%.

Расчет по элементному составу вещества

В этом случае теоретический выход продуктов горения определяется как сумма продуктов горения каждого элемента, входящего в состав вещества.

Рассчитаем, сколько киломолей и какой теоретический объем продуктов горения образуется при сгорании 1 кг каждого элемента при нормальных условиях.

Для углерода:

1 кг n1, х1 м3 n2, х2 м3

С + (О2 + 3,76N2) = СО2 + 3,76N2

М=12 кг/кмоль 1кмоль;22,4 м3 3,76кмоль; 3,7622,4 м3

V(СО2) = х1 = = 1,87 м3

V(N2) = х2 = = 7,0 м3

Для водорода:

1 кг n1, х1 м3 n2, х2 м3

Н + 0,25(О2 + 3,76N2) = 0,5Н2О + 0,253,76N2

М=1 кг/кмоль 0,5кмоль; 0,522,4 м3 0,25·3,76 кмоль; 0,253,7622,4 м3

V(Н2О) = х1 = = 11,2 м3

V(N2) = х2 = = 21,0 м3

Для серы:

1 кг n1, х1 м3 n2, х2 м3

S + (О2 + 3,76N2) = SО2 + 3,76N2

М=32 кг/моль 1кмоль;22,4 м3 3,76 кмоль;3,7622,4 м3

V(SО2) = х1 = = 0,7 м3

V(N2) = х2 = = 2,63 м3

Для фосфора:

1 кг n1, х1 м3 n2, х2 м3

Р + 1,25(О2 + 3,76N2) = 0,5Р2О5 + 1,253,76N2

31 кг 0,5кмоль; 0,522,4 м3 1,25·3,76кмоль; 1,253,7622,4 м3

V(Р2О5) = х1 = = 0,36 м3

V(N2) = х2 = = 3,4 м3

В состав горючего вещества может входить азот, влага, которые удаляются вместе с продуктами горения.

Объем 1 кг азота при нормальных условиях составит:

V(N2) = = 0,8 м3

При нормальных условиях 1 кг паров воды займет объем:

V(Н2О) = = 1,24 м3

Если в состав горючего вещества входит кислород, то при горении он будет расходоваться на окисление горючих компонентов (углерода, водорода, серы, фосфора) и, поэтому из воздуха на горение будет израсходовано кислорода меньше на количество, которое содержалось в горючем веществе. Следовательно, в продуктах горения и азота будет меньше на количество, которое приходилось бы на кислород, если бы он находился не в горючем веществе, а в воздухе.

На 1 кг кислорода в воздухе будет приходиться объем азота, равный

V(N2) = = 2,63 м3

Полученные значения выходов продуктов горения элементов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Теоретический выход продуктов горения элементов сложных веществ при нормальных условиях

Элемент	Объем продуктов горения (м3) на 1 кг вещества
	СО2	Н2О	SO2	Р2О5	N2
	кмоль	м3	кмоль	м3	кмоль	м3	кмоль	м3	кмоль	м3
Углерод	0,083	1,86							0,313	7,0
Водород			0,5	11,2					0,94	21,0
Сера					0,031	0,7			0,118	2,63
Фосфор							0,016	0,36	0,152	3,4
Азот в горючем									0,036	0,8
Азот за счет кислорода в горючем									- 0,118	2,63
Влага в горючем			0,056	1,24

Используя данные таблицы можно определить количество и состав продуктов горения, а так же вычислить объем продуктов горения любого вещества с известным элементным составом при нормальных условиях.

Пусть (С), (Н), (S), (О), (N) - - массовые доли элементов в веществе, %; (W) - содержание влаги в веществе, %.

Тогда общие формулы для расчета каждого компонента продуктов горения при сгорании заданной массы (m) вещества будут иметь следующий вид:

Углекислый газ:

(10)

V(СО2) = m , м3(11)

Вода:

m , кмоль(12)

V(H2O) = m , м3(13)

Оксид серы:



(14)

V(SО2) = m , м3(15)

Азот:

m (16)

V(N2) = m , м3 (17)

В случае, когда горение происходит при избытке воздуха, т.е. коэффициент избытка воздуха , при расчетах необходимо учесть остаточное содержание кислорода и азот в избытке воздуха:

В случае, если условия окружающей среды, по условиям задачи, отличаются от нормальных, полученный объем следует привести к заданным условиям.

Далее задача решается аналогично как для индивидуального химического вещества.

Пример расчета по элементному составу

Условие: Представить бутанол С4Н9ОН как вещество сложного элементного состава. Определить объем и состав в объемных % продуктов горения, образовавшихся при сгорании 1 кг этого вещества. Начальная температура окружающей среды 300С, давление 95 кПа, коэффициент избытка воздуха = 1,4.

Решение:

1. Вычислим массовые доли элементов в веществе:

Молярная масса бутанола составляет

М(С4Н10О) = 124 + 10 + 16 = 74 кг/кмоль

(С) = = 64,9 %;

(Н) = = 13,5 %;

(О) = = 21,6 %.

2. Условия отличаются от нормальных, следовательно, необходимо определить, какой объем будет занимать 1 кмоль любого газообразного вещества при данных условиях (расчет VМ).

Для заданных в задаче условий:

VМ = = 26,5 м3/кмоль.

3. Вычислим число киломолей каждого компонента продуктов горения.

= 0,053 кмоль

= 0,0675 кмоль

= 0,305 кмоль



В состав продуктов горения входит избыточный воздух

= 0,0119 (1,4 - 1) = 0,154 кмоль

n(ПГ) = 0,053 + 0,0675 + 0,305 + 0,154 = 0,580 кмоль

4. Суммарный объем продуктов горения составит:

V(ПГ) = n(ПГ) VМ = 0,580 26,5 = 15,4 м3

5. Процентный состав продуктов горения

(СО2) = = 9,2 %;

(Н2О) = = 11,6 %;

(N2) = = 52,6 %;

( возд) = = 26,6 %

Ответ: объем продуктов горения бутанола при заданных условиях составляет 15,4 м3/кг; объемные доли продуктов горения составляют:

(СО2) = 9,2 %; (Н2О) = 11,6 %; (N2) = 52,6 %; ( возд) = 26,6 %.

2.4 Низшая теплота горения

Количество тепла, выделяющееся при полном сгорании одного моля вещества, называется теплотой сгорания этого вещества (Qгop, Нгор).

Согласно следствию из закона Гесса теплота горения вещества равна разности между суммой теплот образования продуктов горения с учетом их коэффициентов ni в уравнении реакции горения и теплотой образования Нобр исходного вещества:

Нгор =Hобр. кДж/моль(18)

Теплота образования (Нобр) - тепловой эффект реакции образования 1 моля вещества из простых веществ.

При расчетах следует иметь в виду, что теплота образования простых веществ (элементов) равна нулю.

Тепловые эффекты химических реакций определяют при стандартных условиях:

температура 25 °С (298 К),

давление 760 мм рт.ст. (101325 Па).

Для расчетов температуры и давления взрыва необходимо знать удельную теплоту горения - это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества. Удельная теплота горения может быть высшей и низшей.

Низшей теплотой горения Qгниз (?Нгниз) называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м3 горючего вещества при условии, что вода выделяется в виде пара.

В пожарно-технических расчетах обычно используют низшую теплоту горения, т.к. на пожарах вода выделяется в виде пара.

Используя справочную литературу и проводя различные расчеты, необходимо помнить, что разность энтальпий ?Н и теплота Q имеют одинаковое численное значение, но разный знак. Поэтому:

Qгор = - ?Нгор,(19)

т.е. ?Нгор имеет отрицательное значение.

Для индивидуальных веществ удельная теплота горения определяется по формуле:

Qгоруд= Q гор · 1000/М кДж/кг,(20)

где:

Qгор - мольная теплота горения, кДж/моль;

М - молярная масса вещества, кг/кмоль.

Если горючее вещество в газообразном состоянии, то используется формула:

Qгор уд = Qгор · 1000/Vм кДж/м3,(21)

где:

Qrop - мольная теплота горения, кДж/моль;

VM - молярный объем газа при стандартных условиях.

Низшую теплоту горения твердых и жидких горючих веществ с известным элементным составом можно рассчитать по формуле Д.И.Менделеева:

Qгниз=339,4·(%С)+1257·(%Н)-108,9·[(%О)+(%N)-(%S)]-25,1·[9·(%H)+W] кДж/кг, (22)

где: (%С), (%Н), (%О), (%N), (%S), W - содержание в горючем веществе углерода, водорода, кислорода, азота, серы и влаги соответственно, масс. %.

Пример решения:

Рассчитать низшую теплоту сгорания С5Н10О2.



С5Н10О2+6,5(О2+3,76N2)>5СО2+ 5Н2О+6,5.3,76N2

М(С10Н14) = 5.12+10+32 = 102 (кг/кмоль)

С% = (60.100)/102 = 58,8%

Н% = (10.100)/102 = 9,8%

О% = (32.100)/102 = 31,4%

Qниз.г=33,94(С%)+1257(Н%)-25,1.9(Н%)=339,4.58,8+1257.9,8-108,9.31,4-25,1.9.9,8=26642,04(кДж/кг)

Ответ: низшая теплота сгорания 26,642 МДж/кг.

2.5 Стехиометрическая концентрация в паровоздушной смеси

Стехиометрическая концентрация горючего в смеси - такая концентрация горючих паров или горючего газа в горючей смеси (горючее+окислитель), при которой количественное соотношение горючего и окислителя соответствует коэффициентам в уравнении химической реакции. Стехиометрическая концентрация газа или паров жидкости является оптимальной для горения и наиболее опасной с точки зрения пожарной безопасности.

Для определения стехиометрической концентрации необходимо составить уравнение реакции горения, определить стехиометрический коэффициент в (коэффициент перед воздухом).

Тогда: для сгорания 1 кмоля горючего, необходимо в кмоль воздуха, отсюда:

объемная стехиометрическая концентрация (в %):

цстех = 100/(1 + 4,76·в); %(23)

массовая стехиометрическая концентрация (в кг/м3):

Сстех =М/[(1+4,76·в)·Vм]; кг/м3 (24)

Для пересчета массовой концентрации в объемную, или наоборот, применяются формулы:

цоб = Смас ·Vм ·100/М; %;(25)

Смас = цоб·M/Vм·100, кг/м3 (26)

Пример:

Условие: определить объемную и массовую стехиометрическую концентрацию изопропилацетата при нормальных условиях.

С5Н10О2+6,5(О2+3,76N2)>5СО2+ 5Н2О+6,5.3,76N2

цстех=100/(1+4,76в)=100/(1+4,76.6,5)=3,1%

Ответ: стехиометрическая концентрация паров изопропилацетата составляет цстех=3,1% (об.)

2.6 Расчет температуры горения

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

Задача вычисления адиабатической температуры горения сводится к нахождению такой температуры (Т'), при которой наблюдается равенство внутренних энергий исходных веществ и продуктов их горения.

Расчет температуры горения может быть осуществлен так же из уравнения энергетического баланса:

QH · (I- з) = V пг пр · Cp· (Tг- T0),

где:

Qн - тепло, выделяемое при реакции горения, кДж,

V пг пр - объём продуктов полного горения с учетом избытка воздуха, м3.

Ср- средняя объемная теплоёмкость продуктов горения при постоянном давлении; кДж/(м3·К),

Тг - температура горения, К,

Т0 - начальная температура, К.

Следовательно, чтобы рассчитать температуру горения, необходимо знать теплоту горения, объём и теплоёмкость продуктов горения.

В первом приближении температуру горения можно рассчитать непосредственно из уравнения теплового баланса, имея в виду, что средняя теплоёмкость продуктов горения в интервале температур 1500 - 2500 К может быть принята равной 1,75 кДж/(м3·К).

При выполнении расчёта 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.

В таблицах 3 и 4 приведены энтальпии газов - СрТ , отнесённые к молю или м3.

Важно иметь в виду, какой таблицей пользоваться, что зависит от того, в чем рассчитано количество продуктов горения (кмоль или м3).

Низшая теплота сгорания горючего принимается по справочной литературе, а также может быть определена расчетным методом. В настоящей работе допускается использовать теплоту сгорания рассчитанную в п.2.4.

В общем виде алгоритм вычисления температуры горения можно представить следующим образом:

Рассчитывается низшая теплота горения вещества;

Вычисляется количество продуктов горения, образующихся из единицы массы или объема горючего вещества.

Определяется средняя энтальпия (теплосодержание) продуктов горения с учетом теплопотерь в окружающую среду;

По значению средней энтальпии продуктов горения, с помощью справочной литературы по таблицам «Теплосодержание газов при постоянном давлении», ориентируясь на азот , приближенно определяем температуру горения.

Методом итераций (последовательных приближений) вычисляется температура горения: определяют теплосодержание продуктов горения при выбранной температуре, затем сравнивают ее с количеством тепла, выделяющегося при горении с учетом теплопотерь. Далее или понижают или повышают предполагаемую температуру горения и снова определяют теплосодержание ПГ. Снова сравнивают с количеством тепла, выделяющегося при горении с учетом теплопотерь. Так до тех пор, пока не будет определен интервал температур, в котором находится искомая температура горения. После этого методом интерполяции определяют температуру горения при заданных условиях.

Если потери теплоты не учитывались, то получается адиабатическая, а если учитывались, то - действительная температура горения.

Таблица 3. Теплосодержание газов при различных температурах (кДж/кмоль)

Температура воздуха (Т-273)К	Теплосодержание, кДж/кмоль
	Кислород	Азот	Воздух	Углекислый газ	Вода	Оксид серы
500	15678.9	14945.7	15058.8	22303.4	17828.4	23275.4
600	19072.9	18104.9	18255.8	27473.8	21733.5	28533.9
700	22521.2	21331.3	21524.0	32795.1	25772.7	33876.1
800	26019.9	24616.2	24842.5	38237.9	29937.5	39385.5
900	29564.6	27955.7	28211.3	43785.5	34232.3	44799.5
1000	33142.9	31337.0	31621.9	49442.0	38648.5	50321.9
1100	36750.5	34760.2	35074.5	55140.4	43198.9	55907.2
1200	40391.6	38221.2	38560.6	60922.6	47807.9	61492.4
1300	44036.9	41719.8	42067.6	66788.6	52584.5	67161.5
1400	47724.1	45252.0	45629.1	72654.6	57403.0	72797.1
1500	51453.2	48771.6	49190.6	78562.5	62347.2	78436.8
1600	55182.3	52375.0	52794.0	84554.2	67333.3	84135.2
1700	58953.3	55936.5	56397.4	90545.9	72445.1	89821.0
1800	62766.2	59539.9	66000.8	96579.5	77598.8	95557.1
1900	66579.1	63143.3	63646.1	102613.1	82794.4	101184.3
2000	70392.0	66788.6	67333.3	108646.7	88073.8	107012.6
2100	74246.8	70433.9	71020.5	114722.2	93395.1	112715.2
2200	78101.6	74121.1	74707.7	120839.6	98758.3	118451.3
2300	81998.3	77766.4	78394.9	126915.1	104163.4	124220.9
2400	85936.9	81453.6	82124.0	133032.5	109631.3	130024.1
2500	89875.5	85140.8	85853.1	139149.9	115141.1	135756.0
2600	94015.2	89003.9	89330.8	145325.9	119398.2	141513.0
2700	97857.4	92653.5	93105.9	151481.1	124782.4	147295.2

Таблица 4. Теплоемкость газов при различных температурах (кДж/м3)

Температура воздуха (Т-273)К	Теплосодержание, кДж/кмоль
	Кислород	Азот	Воздух	Углекислый газ	Вода	Оксид серы
500	669.3	666.6	672.0	925.1	586.2	1034.9
600	850.6	807.8	814.5	1225.6	969.5	1269.6
700	1004.7	951.9	960.3	1463.1	1149.7	1507.5
800	1160.6	1098.2	1108.2	1706.2	1335.3	1746.4
900	1319.0	1206.9	1258.7	1953.8	1527.2	1994.8
1000	1478.6	1398.2	1410.7	2205.2	1724.2	2237.4
1100	1639.5	1551.1	1564.9	2460.4	1926.5	2488.8
1200	1802.1	1705.3	1720.4	2718.5	2133.9	2735.2
1300	1965.1	1861.2	1877.5	2979.1	2345.5	2979.5
1400	2129.8	1808.8	2035.5	3241.4	2560.9	3238.0
1500	2295.7	2176.7	2194.7	3505.7	2781.3	3488.2
1600	2462.4	2335.5	2355.2	3771.4	3004.2	3747.5
1700	2630.5	2495.9	2515.7	4039.6	3231.7	4003.1
1800	2799.7	2656.9	2678.2	4307.3	3461.3	4161.2
1900	2669.4	2818.2	2840.4	4579.5	3693.5	4529.8
2000	3140.8	2979.9	3004.2	4847.8	3928.5	4667.6
2100	3311.7	3142.9	3167.6	5118.2	4166.1	5059.4
2200	3497.8	3306.3	3332.3	5392.5	4405.8	5337.2
2300	3559.1	3469.3	3497.4	5660.7	4667.1	5608.7
2400	3834.3	3633.1	3663.3	5933.0	4890.9	5892.8
2500	4009.8	3797.4	3828.8	6209.6	5136.5	6169.8
2600	4184.9	3553.9	3988.4	6487.4	5387.1	6460.1
2700	4368.9	4135.9	4156.5	6761.8	5639.3	6753.8

Пример: Вычислить действительную температуру горения анилина С6Н5NH2, если потери тепла излучением составляют 20 %, а горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,1.

1. Составляем уравнение реакции горения анилина:

С6Н5NH2 + 7,75(O2 + 3,76 N2) = 6 CO2 + 3,5 H2O + 7,753,76 N2 + 0,5 N2

2. По уравнению реакции горения определяем количество киломоль продуктов горения:

Поскольку в рассматриваемом случае горение протекает с избытком воздуха (), необходимо учесть остаточный кислород в продуктах сгорания и азот в избытке воздуха:

Таким образом, практический состав продуктов сгорания следующий:

Определяем общее количество продуктов сгорания при сжигании 1 киломоля горючего:

3. Определяем среднее теплосодержание продуктов горения

Теплота горения анилина составляет :

Qгор = 32386, кДж/кг

Поскольку расчет ведется на 1 кмоль, необходимо перевести эту величину в кДж/кмоль:

кДж/кмоль

По условию задачи теплопотери составляют 20 %, следовательно, = 0,2.

QПГ = 3011898 (1 - 0,2) = 2409518,4кДж/моль

Среднее теплосодержание продуктов горения:

Qср = 56270,8кДж

4. По справочным данным, ориентируясь на азот (табл. 4), определяем Т1 = 17000С

5. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения

QПГ1700 = 90545,96 + 72445,13,5 + 55936,532,54 + 58953,3·0,775= 543275,4+253557,85+1820173,71+45688,8=2662696 кДж

QПГ1700 = 2662696 > QПГ = 2409518,4 , следовательно, выбираем Т2 = 16000С

Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 16000С.

QПГ1600 =84554.2·6+67333,3·3,5+52375·32,54+55182,3·0,775=2490041кДж

QПГ1600 = 2490041 > QПГ = 2409518,4, следовательно, выбираем Т3 = 15000С

Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 15000С.

QПГ1500 =78562.5·6+62347.2·3,5+48771.6·32,54+51453.2·0,775=2316494кДж

QПГ1500 = 2316494 < QПГ = 2409518,4, следовательно температура горения находится в интервале от 1500 до 16000С.

6. Методом интерполяции рассчитываем температуру горения:

1553

Ответ: температура горения анилина при заданных условиях составляет 1553 К.

Если потери тепла не учитывались, то получаем адиабатическую температуру горения, а если учитывались, то действительную температуру горения вещества.

Пример 2. Вычислить действительную температуру горения горючего сланца следующего состава: С - 35 %, Н - 5 %, О - 10 %, S - 4 %, N - 1 %, W - 15 %, зола - 30 %. Потери тепла излучением составляют 10 %, а горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,2. Условия нормальные.

1. Определяем объем каждого компонента продуктов горения 1 кг горючего сланца.

V(СО2) = = 0,651 м3

V(H2O) = = 0,746 м3

V(SО2) = = 0,028 м3

V(N2) = = 3,455 м3

VПГ = 0,651 + 0,746 + 0,028 + 3,455 = 4,88 м3

2. Горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,2, следовательно, в состав продуктов горения будет входить избыточный воздух.

Определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной массы образца угля:

Vвтеор = = 4,28 м3

Определяем избыток воздуха:

Vв= Vвтеор( 1) = 4,28(1,2 - 1) = 0,856 м3

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

VПГ* = VПГ + Vв = 4,88 + 0,856 = 5,736 м3

3. Рассчитываем Qн по формуле Д.И. Менделеева.



Qн = 339,435 + 12575 - 108,9(10 + 1 - 4) - 25,1(95 + 15) = 15881,7 кДж/кг

4. С учетом теплопотерь определяем теплосодержание продуктов горения:

QПГ = 15881,7 (1,1 - 1) = 14293,53 кДж/кг

5. Определяем среднее теплосодержание продуктов горения:

Qср = 2480,22 кДж/м3

По таблице 3, ориентируясь на азот, определяем Т1 = 15000С.

6. Определяем теплосодержание продуктов горения при 15000С:

QПГ1500 = 3505,70,651 + 2781,30,746 + 2176,73,455 + 3488,20,028 + 2194,70,856 = 13853,889 кДж

7. QПГ1500 = 13853,889 < QПГ = 14293,53, следовательно, выбираем Т2 = 16000С.

8. Определяем теплосодержание продуктов горения при 16000С:

QПГ1600 = 3771,40,651 + 3004,20,746 + 2335,53,455 + 3747,50,028 + 2355,20,856 = 14886,44 кДж

9. QПГ1600= 14886,44 > QПГ = 14293,53, следовательно, температура горения вещества находится в интервале от 1500 до 16000С.

10. Определяем температуру горения:

ТГ =1500 + = 15560С = 1829 К

Ответ: температура горения горючего сланца при заданных условиях составляет 1829 К.

2.7 Максимальное давление взрыва

Максимальное давление взрыва--наибольшее избыточное давление, возникающее при дефлаграционном сгорании газо-, паро- или пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении смеси 101,3 кПа.

Максимальное давление взрыва определяется экспериментально и расчетными методами. Методика расчета регламентируется приложением 11 [3.6].

Метод расчета максимального давления взрыва газо- и паровоздушных смесей распространяется на вещества, состоящие из атомов С, Н, О, N, S, F, CI, Вг, Р, Si.

Максимальное давление взрыва рмакс без учета степени диссоциации продуктов горения в кПа вычисляют по формуле

(51)

где:

рн -- начальное давление, при котором находится исходная смесь, кПа;

Тад (V) -- адиабатическая температура горения стехиометрической смеси горючего с воздухом при постоянном объеме, К (принимать значение, расчитанное в п.2.6 настоящей работы без учета теплопотерь);

-- сумма числа молей конечных продуктов горения (определяется по п.2.3 курсовой работы с учетом избытка воздуха);

Тн -- температура исходной смеси. К;

-- сумма числа молей газообразных исходных веществ (определяется по п.2.3 курсовой работы с учетом избытка воздуха).

Относительная средняя квадратическая погрешность расчета по данной методике составляет 30 %.

Пример:

Условие: Вычислить максимальное давление взрыва смеси гексана С6Н14 с воздухом, если начальное давление 101,3 кПа, начальная температура 273 К, температура взрыва (адиабатическая температура горения) 2355 К.

Решение:

1. Уравнение реакции горения гексана в воздухе:

С6Н14 + 9,5( О2 + 3,76 N2 ) =6СО2 + 7Н2О + 9,5 3,76 N2

2. Рассчитаем число молей (киломолей) газообразных веществ до и после взрыва:

до взрыва: n = 1 + 9,54,76 = 46,22 моль

после взрыва: m = 6 + 7 + 9,53,76 = 48,72 моль

3. Максимальное давление взрыва составит:

Рвзр = = 921,1 кПа

Ответ: максимальное давление взрыва составляет 921.1 кПа.

Размещено на Allbest.ru

...