Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ

И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ»

Методические указания и задания для выполнения контрольной работы слушателями II курса факультета заочного обучения

по направлению подготовки 280705 Пожарная безопасность

Екатеринбург

2012

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА. Методические указания и задания для выполнения контрольной работы слушателями II курса факультета заочного обучения по направлению подготовки (специальности) 280705 Пожарная безопасность. Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2012. - 87 с.

Составители:

Беззапонная О.В., доцент кафедры химии и процессов горения Уральского института ГПС МЧС России, к.т.н.

Гайнуллина Е.В., доцент кафедры химии и процессов горения Уральского института ГПС МЧС России, к.т.н.

Рецензенты:

Баранова О.Ю., доцент кафедры физики и теплообмена УрИ ГПС МЧС, к.т.н.

Кожевникова Н.С., старший научный сотрудник Института химии твёрдого тела УрО РАН, доцент, к.х.н.

В методических указаниях для выполнения контрольной работы слушателями факультета заочного обучения даны рекомендации по выбору варианта контрольной работы, разобраны примеры решения типовых задач и приведены условия задач контрольной работы.

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании Методического совета Уральского института ГПС МЧС России

«15» марта 2012 года. Протокол № _7_.

ФГБОУ ВПО Уральский институт

ГПС МЧС России, 2012.

ОГЛАВЛЕНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ВЫБОР ЗАДАНИЯ И ВАРИАНТА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
• 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДИСЦИПЛИНЫ И РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ
• 2.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ.
• 2.1.1 РАСЧЁТ ОБЪЁМА ВОЗДУХА, ОБЪЁМА И СОСТАВА ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ
• 2.1.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРА СВЕЧЕНИЯ ПЛАМЕНИ
• 2.2 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ
• 2.2.1 РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ
• 2.2.2 РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ МЕТОДОМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ
• 2.3 РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ
• 2.4 РАСЧЁТ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ (КПРП)
• 2.4.1 РАСЧЁТ НКПРП ИНДИВИДУАЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЕ СГОРАНИЯ
• 2.4.2 РАСЧЁТ КПРП ПО АППРОКСИМАЦИОННОЙ ФОРМУЛЕ
• 2.4.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОДОПУСТИМОЙ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ (ПДВК)
• 2.4.4 РАСЧЁТ КПРП ДЛЯ СМЕСИ ГОРЮЧИХ ВЕЩЕСТВ
• 2.5 РАСЧЁТ МИНИМАЛЬНОЙ ФЛЕГМАТИЗИРУЮЩЕЙ КОНЦЕНТРАЦИИ И МИНИМАЛЬНОГО ВЗРЫВООПАСНОГО СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА
• 2.6 ИСПАРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ. ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА
• 2.7 РАСЧЁТ ЛИНЕЙНОЙ И МАССОВОЙ СКОРОСТЕЙ ВЫГОРАНИЯ ЖИДКОСТИ
• 2.8 РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРЕДЕЛОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ
• 2.9 РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ВСПЫШКИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ
• 2.10 РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВА
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
• ПРИЛОЖЕНИЯ
• ВВЕДЕНИЕ
• Изучение дисциплины «Теория горения и взрыва» на факультете заочного обучения состоит из цикла установочных и обзорных лекций, практических, лабораторно-практических занятий, выполнения контрольной работы в межсессионный период и сдачи итогового экзамена.
• Начинать самостоятельное изучение дисциплины в межсессионный период необходимо с анализа рабочей программы курса и подбора рекомендуемой литературы. После изучения каждой темы рекомендуется составлять краткий конспект. При записи формул необходимо приводить принятые обозначения и размерности входящих в расчётные формулы величин.
• Усвоив основные теоретические положения отдельных тем курса, слушатель может переходить к решению задач и выполнению контрольной работы по данной дисциплине.
• При самостоятельном изучении дисциплины «Теория горения и взрыва» в межсессионный период слушатели выполняют одну письменную контрольную работу. Вариант контрольной работы определяется в соответствии с номером зачётной книжки слушателя. В контрольную работу включены семь задач по основным темам дисциплины.
• При решении каждой задачи необходимо внимательно прочитать её текст, полностью переписать в тетрадь условие задачи, указать, что нужно рассчитать и привести ход решения задачи со всеми математическими преобразованиями. Ход решения задач должен сопровождаться краткими пояснениями. Должны быть записаны формулы, уравнения реакций, указаны соответствующие справочные пособия, которыми пользовался слушатель. В конце решения задачи следует сделать соответствующий вывод. Работа должна быть выполнена либо в печатном варианте (на формате А 4), либо в рукописном варианте в тетради (аккуратно и разборчивым почерком). В работе необходимо отвести поля для замечаний преподавателя, рецензирующего контрольную работу.
• В помощь слушателям при самостоятельном выполнении контрольной работы в методических указаниях приведены примеры решения типовых задач. Приступая к самостоятельному решению задачи контрольной работы, необходимо обдумать план решения, сравнивая её с предложенным вариантом типовой задачи. В случае появления неясностей при выборе решения следует обратиться к теоретическому материалу той темы, по которой построена задача. Для удобства слушателей при выполнении контрольной работы в приложении к методическим указаниям даны необходимые справочные данные.
• 1. ВЫБОР ЗАДАНИЯ И ВАРИАНТА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
• горение взрыв воспламенение
• 1. Номер контрольного задания выбирается в соответствии с предпоследней цифрой номера зачётной книжки. Соответствующие ему номера задач для решения указаны в таблице 1.
• 2. Номер варианта каждой из задач выбирается в соответствии с последней цифрой номера зачётной книжки из таблицы к условию соответствующей задачи.
• Пример. Номер зачётной книжки 02817. По предпоследней цифре зачётной книжки выбираем номер задания - задание № 1. По табл. 1 находим, что в задании №1 (предпоследняя цифра зачётной книжки) следует решить задачи 1, 2, 5, 7, 9, 11, 14.
• Для данных задач выбираем вариант, соответствующий последней цифре зачётной книжки (т.е. вариант № 7).
• Таблица 1

Номер задания	Номера задач
1	1, 2, 5, 7, 9, 11, 14.
2	2, 4, 6, 8, 10, 12, 14.
3	1, 3, 5, 8, 11, 13, 14.
4	1, 4, 5, 7, 9, 11, 14.
5	2, 3, 6, 8, 10, 13, 14.
6	1, 4, 6, 7, 9, 11, 14.
7	1, 3, 5, 7, 11, 12, 14.
8	2, 5, 8, 11, 12, 13, 14.
9	1, 3, 5, 8, 10, 12, 14.
0	2, 4, 6, 7, 9, 11, 14.

• Работы, выполненные не в соответствии с данными указаниями, к проверке не принимаются.
• Задача 1. Рассчитать объём воздуха и продуктов горения, а также состав продуктов горения (в об. %), образующихся при сгорании m кг вещества (табл. 2), если горение происходит при заданных условиях (табл. 2) и коэффициенте избытка воздуха (табл. 2).
• Таблица 2

Номер вар.	Название вещества	Химическая формула	Температура t С	Давление P, кПа	m
1	Этанол	С2Н6О	10	100,0	10	1,1
2	Пропанол-1	С3Н8О	15	100,0	12	1,2
3	Бутанол-1	С4Н10О	20	105,0	44	1,3
4	Толуол	С7Н8	25	105,0	18	1,4
5	Анилин	С6Н5NН2	30	105,0	97	1,5
6	Глицерин	С3Н5 (ОН)3	35	110,0	10	1,6
7	Этиленгликоль	С2Н4 (ОН)2	40	110,0	33	1,7
8	Ацетон	С3Н6О	45	110,0	26	1,8
9	Диэтиловый эфир	С4Н10О	50	115,0	55	1,9
0	Пропилацетат	С5Н10О2	50	115,0	72	1

• Задача 2. Рассчитать объём воздуха и продуктов горения при сгорании горючего газа (табл. 3) объёмом V м3 при заданных условиях (табл. 3), если горение происходит при избытке воздуха .
• Таблица 3

№ вар.	Название вещества	Химическая формула	Исходная темпера-тура, t С	Темпера-тура продуктов горения, t С	Объём V, м3
1	Метан	СН4	30	1600	1	1,4
2	Этан	С2Н6	25	1700	2	1,3
3	Пропан	С3Н8	20	1800	3	1,1
4	Бутан	С4Н10	15	1700	4	1,5
5	Ацетилен	С2Н2	10	2200	5	1,1
6	Метилэтило-вый эфир	С3Н8О	5	1650	6	1,4
7	Диметиловый эфир	С2Н6О	35	1600	7	1,6
8	Диметилпро-пан	С5Н12	40	1700	8	1,4
9	Сероводород	Н2S	20	1500	9	1,2
0	Водород	Н2	10	2000	10	1,3

• Задача 3. Определить объём воздуха, пошедшего на горение, и объем образовавшихся продуктов горения при сгорании смеси газов (табл. 4), если горение происходит при коэффициенте избытка воздуха . Объем исходной газовой смеси V, м3.
• Таблица 4

Состав смеси, %	Номер варианта
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Оксид углерода (II)	-	10	-	-	-	43	-	10	-	5
Водород	50	-	-	-	-		-		25	5
Метан	-	-	20	-	-	36	-	20		60
Этан	-	-	-	45	45		24		5
Пропан	-	-	-	-	-			14
Бутан	8	-	-	-	20
Этилен	20	22	28	-			16	2
Пропен	-	-	-	20		21
Ацетилен	-	8	-				10		20
Углекис-лый газ	20	10	18	20	20		10	26		25
Азот	-	50	24		15		15	25	30
Кислород	2		10	15			25	3	20	5
	1,4	1,8	1,3	1,1	1,2	1,9	1,2	1,4	1,1	1,3
V, м3	100	55	25	10	45	50	75	60	150	35

• Задача 4. Определить, какое количество вещества (табл. 5) может выгореть в закрытом помещении объёмом Vп, если известно, что горение прекращается при содержании кислорода в помещении, равном . Для расчёта коэффициента избытка воздуха рекомендуется воспользоваться формулой (11).
• Таблица 5

Номер варианта	Название вещества А	Химическая формула	Vп, м3	.
1	Ацетон	СН3СОСН3	100	11
2	Бензол	С6Н6	200	12
3	Метанол	СН3ОН	300	13
4	Этанол	С2Н5ОН	400	14
5	Глицерин	С3Н5(ОН)3	500	15
6	Гексан	С6Н14	600	16
7	Диэтиловый эфир	С2Н5ОС2Н5	700	17
8	Толуол	С6Н5СН3	800	16
9	Стирол	С6Н5С2Н3	900	15
0	Бутонол	С4Н9ОН	1000	14

• Задача 5. Методом последовательных приближений рассчитать калориметрическую температуру горения для стехиометрической смеси горючего вещества с воздухом (табл. 6).
• Таблица 6

Номер варианта	Горючее вещество	Химическая формула
1	Толуол	С7Н8
2	Анилин	С6Н5NН2
3	Глицерин	С3Н5(ОН)3
4	Этиленгликоль	С2Н4(ОН)2
5	Ацетон	С3Н6О
6	Диэтиловый эфир	С4Н10О
7	Пропилацетат	С5Н10О2
8	Этанол	С2Н6О
9	Пропанол-1	С3Н8О
0	Бутанол-1	С4Н10О

• Задача 6. Пользуясь средними значениями теплоёмкостей (табл. 19), рассчитать температуру горения горючего вещества (табл. 7), если горение протекает при коэффициенте избытка воздуха (табл. 7), а доля потерь тепла излучением составляет (табл. 7).
• Таблица 7

Номер варианта	Название вещества	Элементный состав вещества, масс. %
		С	Н	О	S	N	W	зола
1	Антрацит	67	3	4	0,5	1,0	3	21,5	1,1	0,2
2	Горючий сланец	24,2	1,8	4,5	3,0	2,0	25	39,5	1,2	0,3
3	Керосин	80	13,7	0,3	-	-	6	-	1,3	0,4
4	Бензин	85	8,0	5,0	-	2,0			1,4	0,3
5	Соляровое масло	86,0	12,0	1,2	0,8	-	-	-	1,5	0,2
6	Мазут	84	10	2	3	-	1	-	1,6	0,3
7	Древесина	46	6	37	-	2	9	-	1,7	0,4
8	Уголь	72	6	4	2	3	13	-	1,8	0,3
9	Церезин	85	14	1	-	-	-	-	1,7	0,2
0	Горючий сланец	30	5	12	5	2	10	36	1,6	0,3

• Задача 7. Рассчитать, какое количество (в кг) горючей жидкости (табл. 8) должно испариться в закрытом помещении объёмом Vп при нормальных условиях, чтобы создалась минимальная взрывоопасная концентрация горючих паров. Условно принять, что пары горючей жидкости равномерно распределены в объёме помещения. Нижний концентрационный предел распространения пламени рассчитать по аппроксимационной формуле.
• Таблица 8

Номер варианта	Название горючей жидкости	Химическая формула	Объём помещения, м3
1	Этиленгликоль	С2Н4(ОН)2	200
2	Ацетон	СН3СОСН3	300
3	Толуол	С6Н5СН3	400
4	Гексан	С6Н14	500
5	Глицерин	С3Н5(ОН)3	600
6	Бензол	С6Н6	700
7	Пропаноло	С3Н7ОН	800
8	Этанол	С2Н5ОН	350
9	Метанол	СН3ОН	450
0	Бутанол	С4Н9ОН	550

• Задача 8. Используя аппроксимационную формулу, рассчитать концентрационные пределы распространения пламени и величину предельно допустимой взрывобезопасной концентрации (ПДВК) следующих веществ при заданной температуре t, єС (табл. 9).
• Таблица 9

Номер варианта	Вещество	Температура t, єС
1	Ацетилен	40
2	Водород	45
3	Ацетон	50
4	Метиловый спирт	55
5	Этиловый спирт	60
6	Пропиловый спирт	65
7	Бутиловый спирт	70
8	Бензол	75
9	Стирол	80
0	Ксилол	85

• Задача 9. Рассчитать концентрационные пределы распространения пламени газовой смеси следующего состава при заданных условиях (табл. 10).
• Таблица 10

Номер варианта	Состав смеси, %	Условия среды
	СН4	СО	Н2	Н2О	С3Н8	t,С	Р, кПа
1	25	50	20	5	-	10	90
2	30	20	30	20	-	15	95
3	30	20	10	-	40	-10	90
4	30	10	20	10	30	65	105
5	20	25	15	15	25	90	108
6	40	20	20	-	20	85	110
7	30	30	10	30	-	60	112
8	-	45	15	10	30	65	114
9	40	20	-	10	30	70	112
0	45	-	25	5	25	75	110

• Задача 10. Рассчитать минимальную флегматизирующую концентрацию инертного разбавителя, об. %, исходя из минимальной адиабатической температуры горения паровоздушной смеси вещества А при разбавлении её флегматизатором Ф (табл. 11), а также минимальное взрывоопасное содержание кислорода и безопасную концентрацию кислорода. Построить график зависимости КПРП от концентрации флегматизатора.
• Таблица 11

Номер варианта	Название вещества А	Химическая формула	Флегматизатор Ф
1	Пентан	С5Н12	Азот
2	Гексан	С6Н14	Азот
3	Уксусноэтиловый эфир	СН3СООС2Н5	Водяной пар
4	Диэтиловый эфир	С4Н10О	Водяной пар
5	Этиловый спирт	С2Н6О	Диоксид углерода
6	Метиловый спирт	СН4О	Диоксид углерода
7	Ацетон	СН3СОСН3	Азот
8	Бензол	С6Н6	Азот
9	Пропилен	С3Н6	Диоксид углерода
0	Пропиловый спирт	С3Н8О	Диоксид углерода

• Задача 11. Рассчитать температурные пределы распространения пламени жидкости (табл. 12) по ее концентрационным пределам распространения пламени, определить взрывобезопасный температурный режим.
• Таблица 12

Номер варианта	Название вещества	Химическая формула
1	Метиловый спирт	СН3ОН
2	Бутиловый спирт	С4Н9ОН
3	Пропиловый спирт	С3Н7ОН
4	Аллиловый спирт	С3Н5ОН
5	Ацетон	С3Н6О
6	Бензол	С6Н6
7	Толуол	С6Н5СН3
8	Октан	С8Н18
9	Стирол	С8Н8
0	Этилбензол	С8Н10

• Задача 12. Рассчитать температуру вспышки или температуру воспламенения горючей жидкости (табл. 13) по формуле В.И. Блинова. Определить класс жидкости по пожарной опасности и категорию помещения. Сравнить найденное значение со справочным [3]. При расчётах использовать данные приложения 12.
• Таблица 13

Номер варианта	Название жидкости	Химическая формула	Определяемый параметр
1	2	3	4
1	Уксусноэтиловый эфир	СН3СООС2Н5	Температура вспышки (о.т.)
2	Толуол	С6Н5СН3	Температура вспышки (о.т.)
3	Октан	С8Н18	Температура воспламенения
4	Бутилформиат	С5Н10О2	Температура вспышки (з.т.)
5	Метиловый спирт	СН3ОН	Температура вспышки (о.т.)
6	Этиловый спирт	С2Н5ОН	Температура вспышки (о.т.)
7	Бутиловый спирт	С4Н9ОН	Температура воспламенения
8	Ацетон	С3Н6О	Температура воспламенения
1	2	3	4
9	Бензол	С6Н6	Температура вспышки (з.т.)
0	Пропиловый спирт	С3Н8О	Температура вспышки (з.т.)

• Задача 13. Используя данные приложений 13, 14, 15, определить стандартную температуру самовоспламенения вещества (табл. 14) по средней длине углеродной цепи, определив число концевых групп и число цепей.
• Таблица 14

№ Вар	Название вещества	Структурная формула
1	2	3
1	2,4-диметил- 3-этилоктан
2	1,2-диметил- 4-бутилбензол
3	4-метил- 2-этилгексанол-1
4	1-этил-2-этил-4-пропилбензол
5	2,4-диметил- 3-этилпентанол-1
6	изопентилбензол
7	3,3,5-триметил гептанол-2
8	3-метил-2-этилгептанол-1
9	2,2,4,4-тетраметилпентан	СН3 СН3 СН3 - С - СН2 - С - СН3 СН3 СН3
0	2,2,3-триметилгексан	СН3 СН3 - С - СН - СН2 - СН2 - СН3 СН3 СН3

• Задача 14. Сферический заряд ТНТ (тринитротолуол) массой W (табл. 15) взрывается при стандартных атмосферных условиях. Найти параметры падающей (рис. 5) и нормально отражённой от препятствия (рис. 6) взрывной волны на расстоянии R (табл. 15) от центра взрыва.
• Таблица 15

Номер варианта	Масса ТНТ W, кг	Расстояние R, м
1	5	150
2	10	100
3	15	50
4	6	30
5	8	10
6	10	80
7	2	250
8	4	300
9	6	350
0	20	400

• 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДИСЦИПЛИНЫ И РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ
• Приступая к изучению курса, необходимо представлять, что горение - основной процесс на пожаре. Знание сути явлений, законов горения, механизмов и способов его прекращения необходимо для успешной работы инженера пожарной безопасности в любой области его деятельности.

2.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

Горением называется сложный, самоподдерживающийся физико-химический процесс, представляющий собой окислительно-восстановительную реакцию, протекающую с большой скоростью и сопровождающуюся выделением тепла и излучением света.

Для горения необходимо наличие трёх составляющих:

· горючего вещества;

· окислителя (кислород воздуха, озон, перекись водорода, галогены, перманганат калия, хромовый ангидрид и т. д.);

· источника зажигания (открытое пламя, искры различного происхождения, высоко нагретые поверхности) или благоприятствующего фактора (физико-химический или биологический процесс, протекающий с выделением тепла).

С точки зрения электронной теории, горение - это перераспределение валентных электронов между горючим веществом и окислителем.

Горючим веществом называется вещество, атомы (молекулы) которого способны отдавать в процессе реакции свои валентные электроны. Горючее вещество в процессе реакции окисляется, образуя продукты окисления.

Окислителем называется вещество, атомы (молекулы) которого способны присоединять валентные электроны в процессе реакции. Окислитель в ходе реакции восстанавливается.

Процесс горения как одна из форм химического взаимодействия атомов и молекул может быть по-настоящему понятен только на основе изучения молекулярно-кинетической теории строения материи. Необходимо представлять, что в химических процессах прежде чем образуются новые молекулы, разрушаются старые. Энергия, необходимая для разрыва связей в молекулах горючего и окислителя, называется энергией активации. Разрушение или ослабление химических связей в молекулах происходит под действием теплового движения атомов. Чем выше температура, тем выше доля активных молекул, тем эффективнее соударения и больше их число. Для реакции горения, как и для многих других химических реакций, справедливо положение: повышение температуры на 10 С приводит к увеличению её скорости в 2-4 раза (правило Вант-Гоффа). Кроме того, скорость реакции, согласно закону действующих масс, увеличивается с возрастанием концентрации реагентов. Скорость горения максимальна при стехиометрическом составе смеси - когда отношение реагентов соответствует коэффициентам в уравнении реакции.

В условиях пожара горение чаще всего протекает в среде воздуха. Для решения задач по определению основных параметров, характеризующих процесс горения, необходимо уметь составлять уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе.

Обобщённая запись брутто-уравнения материального баланса реакции горения имеет вид:

nГВ[ГВ] + nОК[ОК]= ?nПГi[ПГ], (1)

где nГВ, nОК, nПГi - стехиометрические коэффициенты при соответствующих веществах: [ГВ] - горючее вещество, [ОК] - окислитель,

[ПГ] - продукты горения.

Данное уравнение является обобщённым выражением материального баланса любой химической реакции окисления. Оно не несёт информации о промежуточных стадиях процесса, которых может быть великое множество, а выражает только начальное и конечное состояние системы. Поэтому его называют также суммарным или брутто-уравнением реакции горения. Для решения многих инженерно-технических задач этого уравнения бывает достаточно.

При составлении уравнения материального баланса процессов горения принято учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. Воздух состоит из азота, кислорода, водорода, углекислого и инертных газов. При ведении теоретических расчётов водород, углекислый газ и инертные газы (их вместе взятых в воздухе около 1 %) причисляют к азоту, которого в воздухе 78 %. Поэтому можно принять, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79 % азота. Нетрудно установить, что на 1 объём кислорода в воздухе приходится 3,76 объёма азота (79 : 21 = 3,76) или на 1 моль кислорода приходится 3,76 моля азота и, таким образом, состав воздуха в уравнениях реакций горения - (О2 + 3,76 N2).

В реакции горения принимает участие только кислород. Азот в реакцию не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения. В левой части уравнения реакции горения записывают горючее вещество и воздух, в правой части - продукты горения. При уравнивании левой и правой частей уравнения реакции горения коэффициент перед горючим веществом для упрощения расчётов параметров процесса горения, как правило, не ставят, т.е. принимают равным единице, в связи с чем коэффициент перед воздухом может получаться дробным.

Рассмотрим примеры составления уравнений реакций горения горючих веществ в воздухе.

ПРИМЕР: Составить уравнение реакции горения пентана (С5Н12) в воздухе.

При горении углеводородов в воздухе продуктами горения будут углекислый газ (СО2), пары воды (Н2О) и азот (N2) из воздуха:

С5Н12 + (О2 + 3,76 N2) CО2 + Н2О + 3,76 N2.

Расставим коэффициенты в данном уравнении реакции так, чтобы число атомов каждого элемента в правой части уравнения было равно числу атомов этих элементов в левой части.

Углерода в молекуле пентана 5 атомов, следовательно, в продуктах горения образуется 5 молекул углекислого газа. Атомов водорода в молекуле пентана 12, следовательно в продуктах горения образуется 6 молекул воды, так как в молекуле Н2О два атома водорода (12 : 2 = 6). В последнюю очередь уравнивается число атомов кислорода. Подсчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения: число атомов кислорода в 5 молекулах СО2 равно 10 (5  2 =10); число атомов кислорода в 6 молекулах воды равно 6 (6  1 = 6). Всего в правой части получается 16 атомов кислорода, следовательно в левой части перед скобкой мы должны поставить коэффициент, равный 8 (16 : 2 = 8), т. к. в молекуле кислорода 2 атома. Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3,76.

Окончательная запись уравнения реакции горения пентана в воздухе имеет вид

С5Н12 + 8 (О2 + 3,76 N2) = 5 CО2 + 6 Н2О +83,76 N2.

Коэффициент, стоящий перед скобкой воздуха, называется стехиометрическим коэффициентом реакции горения и обозначается . В нашем случае = 8.

При горении кислородсодержащих соединений в воздухе уравнивание реакции происходит аналогично. Однако при уравнивании атомов кислорода нужно вычесть количество атомов кислорода, содержащихся в горючем веществе, из количества атомов кислорода в правой части уравнения реакции, а потом уже делить на 2.

Если в состав горючего вещества входит галоген (например хлор, фтор и т.д.) и горючее вещество не содержит водород, то в продуктах горения он будет выделяться в свободном виде (Cl2, Br2 и т. д.). Если же горючее вещество содержит водород, то в продуктах горения он будет выделяться в соединении с водородом, например хлороводород (НCl).

Если в состав горючего вещества входит сера, алюминий, кремний и др., то в продуктах горения будут выделяться оксиды этих элементов (SO2, Al2O3, SiO2).

При горении веществ, содержащих азот, он выделяется в виде чистого газа азота (N2) и записывается отдельно от азота, содержащегося в воздухе.

C2H5Cl + 3(O2 + 3,76 N2) = 2 CO2 + 2 H2O + HCl + 33,76 N2;

C4H4S + 6(O2 + 3,76 N2) = 4CO2 + 2 H2O + SO2 + 6 3,76 N2;

CH3NH2 + 2,25(O2 + 3,76 N2) = CO2 + 2,5 H2O + 0,5 N2 + 2,253,76 N2.

2.1.1 РАСЧЁТ ОБЪЁМА ВОЗДУХА, ОБЪЁМА И СОСТАВА ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ

При решении многих практических вопросов необходимо знать количество воздуха, расходуемого на горение единицы массы или объёма горючего вещества, количество образовавшихся продуктов горения и их процентный состав. Рассмотрим расчётные методы определения отдельных составляющих материального баланса процессов горения.

Методика расчёта объёма воздуха для горения зависит от состава горючего вещества, его агрегатного состояния и условий горения. По своей природе горючие вещества могут быть индивидуальными химическими соединениями и смесями сложных химических соединений. К индивидуальным химическим соединениям относятся такие вещества, которые имеют постоянное химическое строение и постоянную химическую формулу, например, бензол (С6Н6), пропанол (С3Н7ОН), уксусная кислота (СН3СООН) и др. Смеси сложных химических соединений - вещества, не имеющие определённого химического строения, и их состав одной химической формулой выразить нельзя. К этой группе веществ относятся уголь, нефть, древесина, жиры и др. Состав этих веществ выражается в процентном содержании отдельных элементов или газов (C, S, H, и др. или СО, СН4, Н2S и др.).

Различают объём воздуха, теоретически необходимый для горения (VВтеор), и объём воздуха, действительно (практически) израсходованный на горение (VВдейств). При этом

. (2)

Множитель называется коэффициентом избытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз объём воздуха, поступивший на горение, больше теоретического объёма воздуха, необходимого для полного сгорания единицы количества вещества в стехиометрической смеси.

Разность между действительным и теоретически необходимым количеством воздуха называется избытком воздуха (VВ).

. (3)

Объём продуктов горения, образовавшихся при сжигании единицы горючего (1 кг, 1 м3, 1 кмоль) в теоретическом количестве воздуха, равен сумме объёмов углекислого газа, паров воды и азота:

. (4)

Полный, действительный объём продуктов горения рассчитывается с учётом избытка воздуха:

(5)

Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на следующие группы (табл. 16): индивидуальные химические соединения (в газообразном и конденсированном состоянии); вещества сложного состава (древесина, торф, нефть и т. п.); смесь газов (генераторный, попутный газы и т. п.).

Таблица 16

Расчётные формулы для определения теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания веществ

Группа горючих веществ	Расчётные формулы	Размер-ность
Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии	(6)	м3/м3
Индивидуальное горючее вещество в конденсированном состоянии	(7)	м3/кг
Смесь газов	(8)	м3/м3
Вещество сложного состава в конденсированном состоянии	(9)	м3/кг

Примечание:

- количество горючего, кислорода и азота, получаемых из уравнения реакции горения, кмоль/кмоль;

МГВ - молекулярная масса горючего вещества;

Vt - молярный объём газа при заданных условиях, м3/кмоль;

C, H, S, O - весовое содержание соответствующих элементов в составе горючего вещества, % масс.;

- сумма произведений стехиометрического коэффициента реакций горения каждого компонента горючей смеси (i) на процентное содержание этого компонента (i) в смеси;

- процентное содержание кислорода в сложном горючем газе.

Для газообразных горючих веществ расчёт объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м3/м3. Так как 1 кмоль любого газа в одинаковых условиях занимает один и тот же объём (при нормальных условиях 22,4 м3), то объём, рассчитанный в м3/м3, численно будет таким же, как и в кмоль/кмоль.

Если горючее вещество находится в конденсированном состоянии (жидком или твёрдом), то, как правило, расчёты объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м3/кг.

Для определения объёма воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются объединённым газовым законом:

, (10)

где Р0 - нормальное давление, Па;

Т0 - нормальная температура, К;

V0 - объём воздуха при нормальных условиях (м3 или м3/кмоль);

P1, T1, V1 - соответственно давление, объём и температура воздуха, характеризующие заданные условия горения.

Иногда на практике приходится решать обратную задачу - по известному процентному содержанию кислорода в продуктах горения находить коэффициент избытка воздуха:

. (11)

Для веществ, у которых объём продуктов горения равен объёму израсходованного воздуха (например, горение углерода, серы), эта формула упрощается:

. (12)

При расчёте объёма продуктов горения пользуются формулами, приведёнными в табл. 17.

Таблица 17

Расчётные формулы для определения теоретического объёма продуктов горения

Группа горючих веществ	Расчётные формулы	Раз-мер-ность
Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии	(13)	м3/м3
Индивидуальное горючее вещество в конденсирован-ном состоянии	(14)	м3/кг
Смесь газов	(15)	м3/м3
Вещество сложного состава в конденсирован-ном состоянии	(16)	м3/кг

Расчёт объёма продуктов горения (СО2, Н2О, SO2, N2) при горении веществ сложного состава проводится по следующим формулам:

; (17)

; (18)

; (19)

. (20)

Процентный состав продуктов горения рассчитывается исходя из количества молей продуктов горения. Например, процентное содержание паров воды в продуктах горения составит, %

. (21)

Если горение протекает с избытком воздуха, то при расчёте количества молей продуктов горения учитывается избыточное число молей кислорода и азота ( и ), %

, (22)

, (23)

. (24)

Рассмотрим примеры решения задач на расчёт объёма воздуха, объёма и состава продуктов горения.

ПРИМЕР: Сгорает 4 м3 пропана (С3Н8). Рассчитать теоретические объёмы воздуха, объём и состав (в объёмных %) продуктов горения. Условия нормальные.

Решение.

Сгорает индивидуальное горючее вещество, находящееся в газообразном состоянии.

1. Запишем уравнение реакции горения пропана в воздухе:

С3Н8 + 5(О2 + 3,76N2) = 3 CО2 + 4 Н2О + 3,765 N2.

2. Рассчитаем теоретические объёмы воздуха и продуктов горения по формулам (6) и (13) в расчёте на 1 м3 горючего вещества:

(м3/м3);

(м3/м3).

3. Учитывая, что сгорает не 1 м3 газа, а 4 м3, находим действительные объёмы воздуха и продуктов горения:

(м3);

(м3).

4. Рассчитаем состав продуктов горения, %

;

;

.

Ответ: на сгорание 4 м3 пропана необходимо 95,2 м3 воздуха, при этом образуется 103,2 м3 продуктов горения, из которых СО2 - 11,6 %, Н2О - 15,5 %, N2 - 72,9 %.

ПРИМЕР: Сгорает 100 кг ацетона. Рассчитать действительные объёмы воздуха и продуктов горения и процентное содержание углекислого газа (СО2), если коэффициент избытка воздуха равен 2. Условия нормальные.

Решение.

Сгорает индивидуальное химическое соединение в конденсированном состоянии.

1. Составляем уравнение реакции горения ацетона в воздухе:

С3Н6О + 4(О2 + 3,76 N2) = 3 CО2 + 3 Н2О + 43,76 N2.

2. Объём воздуха, необходимый для сгорания 1 кг ацетона, рассчитываем по формуле (7), учитывая при этом, что масса одного киломоля ацетона составляет 58 кг/кмоль:

(м3/кг).

3. Действительный объём воздуха, пошедшего на сгорание 1 кг ацетона, рассчитывается с учётом коэффициента избытка воздуха :

(м3/кг).

4. Избыток воздуха составит:

(м3/кг).

5. Теоретический объём продуктов горения рассчитываем по формуле (14):

(м3/кг).

6. Действительный объём продуктов горения составит:

(м3/кг).

7. Объём воздуха, теоретически необходимого для сгорания 100 кг ацетона, составит соответственно 740 м3 (7,4 100), при этом выделится 1 550 м3 продуктов сгорания.

8. Процентное содержание углекислого газа рассчитывается по формуле, %

Ответ: При сгорании 100 кг ацетона объём воздуха при нормальных условиях составит 1480 м3, а объём продуктов горения - 1550 м3, процентное содержание углекислого газа в продуктах горения составило 7,48 %.

Примечание. Если в процессе горения были заданы условия, отличные от нормальных (Т273 К, Р101,3 кПа), то объём продуктов горения и воздуха рассчитывается с учётом объёма, который занимает один кмоль газа при заданной температуре:

, (25)

где Р0 =101,3 кПа; Т0 = 273 К; Т и Р заданные температура и давление.

ПРИМЕР: Рассчитать количество толуола (С7Н8), которое сгорело в закрытом помещении объёмом 100 м3, если содержание кислорода в продуктах горе...