Теория горения и взрыва

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»

Кафедра Техносферной безопасности

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

«Теория горения и взрыва»

Новосибирск - 2016

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Расчет параметров горения и взрыва

1.1 Адиабатическая температура горения

1.2. Температура взрыва

1.3 Расчет концентрационных пределов распространения пламени (КПР) по аппроксимационой формуле

1.4 Расчет минимальной флегматизирующей концентрации азота

1.5 Расчет концентрации горючего в точке флегматизации

1.6 Зависимость КПР от концентрации флегматизатора

1.7 Минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК)

1.8 Температурные пределы распространения пламени (ТПР)

1.9 Температура самовоспламенения

1.10 Максимальное давление взрыва

1.11 Расчет тротилового эквивалента

2. Сравнение полученных расчетных значений со справочными данными

3. Расчет параметров взрыва паровоздушной смеси в помещении

3.1 Расчет количества испарившегося вещества для создания наиболее взрывоопасной паровоздушной смеси

3.2 Тротиловый эквивалент наиболее взрывоопасной паровоздушной смеси

3.3 Безопасное расстояние по действию воздушной ударной волны взрыва

3.4 Минимальное количество диоксида углерода для предотвращения взрыва

Литература

ВВЕДЕНИЕ

В курсовой работе требуется теоретически на основании расчетных методов определить параметры горения и взрыва 2,2-диметилпентана C₇H₁₆ (является одним из восьми изомеров гептана):

– адиабатическую температуру горения (Т_ад);

– температуру взрыва (Т_взр);

– концентрационные пределы распространения пламени (КПР);

– минимальную флегматизирующую концентрацию азота (МФК);

– концентрацию горючего в точке флегматизации;

– зависимость КПР от концентрации флегматизатора;

– минимально взрывоопасное содержание кислорода (МВСК);

– температурные пределы распространения пламени (ТПР);

– температуру самовоспламенения (Т_св);

– максимальное давление взрыва (Р_max);

– тротиловый эквивалент вещества (з_ТНТ).

Охарактеризовать его пожаровзрывоопасные свойства и сравнить полученные расчетные значения с экспериментально установленными показателями пожарной опасности, имеющимися в справочной литературе.

Для помещения размером 8,0Ч5,5Ч4,0 м определить:

– какое количество 2,2-диметилпентана (кг) должно испариться в этом помещении, чтобы в нем создалась наиболее взрывоопасная паровоздушная смесь,

– тротиловый эквивалент взрыва этой паровоздушной смеси,

– безопасное расстояние по действию воздушной ударной волны взрыва,

– минимальное количество диоксида углерода (кг), которое потребуется для предотвращения взрыва в этом помещении.

1. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

1.1 Адиабатическая температура горения

Под температурой горения понимают максимальную температуру, до которой нагреваются продукты горения. Принято различать адиабатическую температуру горения, рассчитываемую без учета потерь тепла в окружающее пространство, и действительную температуру горения, учитывающую эти теплопотери.

Температура горения зависит от концентрации горючего в горючей смеси. взрывоопасный кислород паровоздушный ударный

Если горение происходит с избытком воздуха, т.е. при б > 1, то выделившееся в результате сгорания тепло частично затрачивается на нагрев этого лишнего воздуха.

В горючей смеси с б < 1 из-за недостатка воздуха полное сгорание горючего вещества произойти не может, поэтому и тепловыделение в такой смеси будет неполным.

Из этого можно сделать вывод, что максимальная температура горения будет при сгорании стехиометрической смеси, т.е. при б = 1.

Адиабатическая температура горения, как правило, рассчитывается для стехиометрической смеси, т.е. при условии б = 1.

Уравнение горения 2,2-диметилпентана в воздухе:

(1.1)

Объем продуктов горения в воздухе составляет ; ; .

Низшая теплота сгорания вычисляется по закону Гесса:

,(1.2)

где - теплота образования i-го вещества (таблица III Приложения, [1]),

- количество молей i-го вещества.

Низшая теплота сгорания 2,2-диметилпентана:

Так как теплопотери отсутствуют, то все выделившееся тепло идет на нагревание продуктов горения. Среднее теплосодержание продуктов горения составит:

.

На основании зависимости теплосодержания газов от температуры (таблица IV Приложения [1]), можно установить, какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать, ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения.

Задача решается методом последовательных приближений.

При температуре 2300°С теплосодержание азота 77,8 кДж/моль. Сколько потребуется тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры?

.(1.3)

При Т₁ = 2300°С:

, .

При Т₂ = 2200°С:

, .

При Т₃ = 2100°С:

, .

Так как , то из этого можно сделать вывод, что температура горения имеет значение между 2100°С и 2200°С. Эта температура уточняется линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениями

.(1.4)

.

1.2 Температура взрыва

Принципиальное различие между горением и взрывом заключается в скорости процесса. При взрыве химическое превращение происходит настолько быстро, что все выделившееся тепло остается в системе, а образовавшиеся продукты не успевают расшириться (V = const). Количество теплоты, выделившееся при взрыве, примерно равно низшей теплоте сгорания вещества Q_взр?Q_н.

Температура взрыва значительно выше адиабатической температуры горения, так как при горении часть тепла, выделившегося при химическом превращении, затрачивается на совершение работы расширения газа, а при взрыве все выделившееся тепло расходуется только на увеличение внутренней энергии системы.

Температура взрыва находится методом последовательных приближений так же как адиабатическая температура горения (уравнение 1.4).

Уравнение химического превращения при взрыве аналогично уравнению горения (уравнение 1.1)

.

Объем продуктов взрыва составляет ; ; .

Избыток воздуха ДV_в = 0, так как смесь стехиометрическая (б = 1).

Низшая теплота сгорания 2,2-диметилпентана рассчитывается по закону Гесса (уравнение 1.2) и составляет

.

Так как процесс взрыва адиабатно-изохорный (теплопотери отсутствуют и нагревание продуктов происходит без расширения газовой смеси), все выделившееся тепло расходуется на увеличение внутренней энергии системы. Среднее значение внутренней энергии продуктов взрыва составит

.

По зависимости внутренней энергии газов от температуры (таблица V Приложения [1]), можно установить, какой температуре соответствует такое значение внутренней энергии (уравнение 1.3). Лучше всего это сделать, ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения.

При Т₁ = 2800°С:

, .

При Т₂ = 2700°С:

, .

При Т₃ = 2600°С:

, .

Так как , то из этого можно сделать вывод, что температура взрыва имеет значение между 2700°С и 2600°С. Эта температура уточняется линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениями

.(1.5)

.

Сравнение полученного значения температуры взрыва (2911,22 К) с адиабатической температурой горения (2392,40 К) показывает, что температура взрыва на 518 К выше адиабатической температуры горения. Таким образом, химическое превращение, протекающее в форме взрыва (изохорно-адиабатический процесс), происходит со значительно большим разогревом.

1.3 Расчет концентрационных пределов распространения пламени (КПР) по аппроксимационой формуле

Газовая смесь горючего с окислителем способна воспламеняться и распространять пламя только при определенных концентрациях горючего.

Минимальная концентрация горючего, при которой смесь способна воспламеняться и распространять пламя, называется нижним концентрационным пределом распространения пламени (НКПР), а максимальная концентрация горючего - верхним концентрационным пределом распространения пламени (ВКПР).

При концентрациях горючего ниже НКПР и выше ВКПР его смеси с воздухом негорючи.

Для расчета КПР необходимо знать число молей кислорода, необходимое для полного сгорания 1 моля 2,2-диметилпентана.

Уравнение горения 2,2-диметилпентана

.(1.6)

Из уравнения (1.6) видно, что n(О₂) = 11.

Нижний концентрационный предел распространения пламени рассчитывается по аппроксимационной формуле·

;(1.7)

верхний концентрационный предел распространения пламени

.(1.8)

Значения коэффициентов а и b принимаются по таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Величины а и b для расчета КПР

Область применения	а	b
Для вычисления нижнего предела	8,684	4,679
Для вычисления верхнего предела при n<7,5 при n>7,5	1,550 0,768	0,560 6,554

Нижний концентрационный предел распространения (НКПР) пламени составляет

;

верхний концентрационный предел распространения (ВКПР) пламени составляет

.

Справочные данные КПР для 2,2-диметилпентана - НКПР=1,10%; ВКПР=6,00%.

Расхождение расчетных и экспериментальных данных небольшое.

1.4 Расчет минимальной флегматизирующей концентрации азота

Концентрация флегматизатора, при которой происходит смыкание нижнего и верхнего концентрационных пределов, называется минимальной флегматизирующей концентрацией (МФК) - это минимальное количество флегматизатора, которое необходимо ввести в газовоздушную смесь стехиометрического состава, чтобы сделать ее негорючей.

Минимальную флегматизирующую концентрацию рассчитывают исходя из того, что адиабатическая температура горения смеси стехиометрического состава не может быть меньше 1500 К.

Если за предельную адиабатическую температуру горения принять температуру, равную 1500 К, то достаточно точно расчет МФК можно провести по уравнению

,(1.9)

где - среднее значение теплоемкости флегматизатора при постоянном давлении для температурного интервала 273-1500 К;

- среднее значение теплоемкости i-го продукта горения при постоянном давлении для температурного интервала 273-1500 К (таблица 1 [1]);

- количество флегматизатора в исходной горючей смеси.

При расчете МФК принимают, что при сгорании горючего вещества на этом пределе углерод, содержащийся в нем, окисляется в основном до СО.

Химическое уравнение горения 2,2-диметилпентана

.

Низшая теплота сгорания по закону Гесса в этом случае

.

Уравнение материального баланса процесса горения 2,2-диметилпентана включая флегматизатор азот

,(1.10)

где n_ф - число молей флегматизатора.

Уравнение (1.9) в этом случае примет вид

,(1.11)

Из правой части уравнения материального баланса процесса горения 2,2-диметилпентана (1.10)·

;	;
;	;
;	.

Уравнение материального баланса сгорания смеси (1.10) предельного состава принимает вид

.(1.12)

В исходной горючей смеси (левая часть уравнения 1.12) на 1 моль 2,2-диметилпентана приходится , и флегматизатора.

Минимальная флегматизирующая концентрация азота

.

1.5 Расчет концентрации горючего в точке флегматизации

С учетом вычислений, выполненных в п. 1.4 концентрация горючего в точке флегматизации вычисляется по формуле и составляет

.

1.6 Зависимость КПР от концентрации флегматизатора

Концентрационные пределы распространения пламени для 2,2-диметилпентана в воздухе составляют 1% и 6,67% (об.) - из расчета п. 1.3.

Минимальная флегматизирующая концентрация азота .

Концентрация горючего в точке флегматизации составляет .

Этих данных достаточно для построения зависимости КПР от концентрации флегматизатора (рисунок 1).

Рисунок 1 - Зависимость КПР 2,2-диметилпентана от концентрации флегматизатора (азота)

1.7 Минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК)

Минимальное взрывоопасное содержание кислорода (концентрация кислорода в точке флегматизации) вычисляется по формуле и составляет (с учетом вычислений, выполненных в п. 1.4)

.

1.8 Температурные пределы распространения пламени (ТПР)

Температурными пределами распространения характеризуют пожарную опасность жидких горючих веществ. Нижний температурный предел распространения (НТПР) - это температура жидкости, при которой концентрация насыщенных паров над ее поверхностью равна НКПР. Аналогично при верхнем температурном пределе распространения пламени (ВТПР) концентрация насыщенных паров жидкости равна ВКПР.

Из этого следует, что если для горючего вещества известны КПР, то по зависимости давления насыщенного пара от температуры могут быть найдены температурные пределы.

Расчетом в п. 1.3 определен НКПР для 2,2-диметилпентана 1%.

По концентрации паров ц_н (значение НКПР) вычисляется парциальное давление насыщенных паров

(1.13)

где P₀ - атмосферное давление (P₀=101,3 кПа).

.

Вычисление НТПР (Т_н) по известной величине Р_н выполняется по уравнению Антуана, выражающим зависимость давления насыщенного пара от температуры жидкости

,(1.14)

где Р выражено в кПа, а t в °С;

А, В и С - константы уравнения Антуана (таблица III приложения [1]); А=6,07647; В=1295,405; С=219,819.

Уравнение Антуана решается относительно t:

.

Вычисленное значение НТПР=«минус» 6,44 незначительно отличается от справочного Справочное значение НТПР=«минус» 7°С.

Расчет ВТПР выполняется аналогично НТПР:

– НКПР для 2,2-диметилпентана 6,67%;

– ;

;

справочное значение ВТПР=26°С.

1.9 Температура самовоспламенения

Температура самовоспламенения Т_св, приведенная в справочниках, получена экспериментально по стандартной методике для горючей смеси стехиометрического состава. Установлено, что в пределах гомологического ряда величина Т_св является функцией длины углеродной цепи в молекуле. Чем длиннее цепь, тем ниже температура самовоспламенения. Метод расчета Т_св основан на эмпирической зависимости Т_св от средней длины углеродной цепи.

При структурной формуле 2,2-диметилпентана



возможно 6 вариантов углеродной цепи разной длины:

1-2-3-4-5;

6-2-3-4-5;

7-2-3-4-5;

1-2-6;

1-2-7;

6-2-7.

Среднее значение длины углеродной цепи·

.

По таблице VII приложения [1] температура самовоспламенеия Т_СВ=686К=413°С.

Справочное значение Т_СВ=407°С.

1.10 Максимальное давление взрыва

Максимальное давление взрыва - это давление, которое возникает в результате сгорания или детонации парогазовых смесей в изохорно-адиабатических условиях. При сгорании парогазовой смеси в замкнутом объеме изменение давления в системе вызвано повышением температуры и изменением числа молей газа, которое происходит в результате химического превращения.

Уравнение материального баланса процесса горения 2,2-диметилпентана в воздухе

.

Количество молей газовой смеси до взрыва

.

Количество молей газовой смеси после взрыва

.

Ранее вычисленная в п.1.2 температура взрыва Т_ВЗР=2638,22°С=2911,22К.

Максимальное давление взрыва парогазовых смесей рассчитывается по формуле

кПа(1.15)

где Р₀=101,3 кПа; Т₀=273К.

.

Избыточное давление взрыва составляет

.

1.11 Расчет тротилового эквивалента

Для оценки мощности взрыва используется понятие тротилового эквивалента. Известно, что при взрыве 1 кг тротила (тринитротолуола - ТНТ) выделяется энергия, равная Q_ТНТ = 4,19Ч10^-3 кДж/кг. Исходя из этого, мощность любого взрыва можно условно характеризовать количеством тротила, которое может произвести во взрыве выделение такого же количества энергии.

Величина тротилового эквивалента вещества вычисляется по формуле

.(1.16)

Количество энергии, выделяющейся при взрыве рассматриваемого вещества вычисляется по формуле

,(1.17)

где - масса одного моля 2,2-диметилпенатана (составляет 0,10023 кг).

.

Величина тротилового эквивалента 2,2-диметилпенатана составляет (при взрыве парогазовой смеси углеводородных топлив в ограниченном объеме коэффициент г принимают равным 1):

.

2. СРАВНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РАСЧЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ СО СПРАВОЧНЫМИ ДАННЫМИ

Расчетные значения параметров горения и взрыва 2,2-диметилпентана (С₇Н₁₆)

Параметр горения и взрыва	Адиабатическая температура горения, Тад, °С/К	Температура взрыва, Твзр, °С/К	КПР, %	МФК азота N2, %	МВСК N2, %	ТПР, °С/К	Температура самовоспламенения, Тсв, °С/К	Максимальное давление взрыва, Pmax, кПа	Тротиловый эквивалент вещества, зтнт
Значение параметра	2119,40/ 2394,2	2638,22/ 2911,22	1,00-6,67	34,06	13,47	-6,44…+27/ 266.56…300	413/686	1140,98	10,74

Справочные значения показателей пожарной опасности 2,2-диметилпентана (С₇Н₁₆)

Параметр горения и взрыва	Адиабатическая температура горения, Тад, °С/К	Температура взрыва, Твзр, °С/К	КПР, %	МФК азота N2, %	МВСК N2, %	ТПР, °С/К	Температура самовоспламенения, Тсв, °С/К	Максимальное давление взрыва, Pmax, кПа	Тротиловый эквивалент вещества, зтнт
Значение параметра	-	-	1,1 - 6,0	-	-	-7…+26/ 266…299	407/680	-	-

Справочные значения показателей пожарной опасности взяты из справочной литературы [1, 2].

Сравнение полученного значения температуры взрыва (2911,22 К) с адиабатической температурой горения (2392,40 К) показывает, что температура взрыва на 518 К выше адиабатической температуры горения. Таким образом, химическое превращение, протекающее в форме взрыва (изохорно-адиабатический процесс), происходит со значительно большим разогревом.

Нижний концентрационный предел распространения (НКПР) пламени 2,2-диметилпентана составляет 1,00%. Верхний концентрационный предел распространения (ВКПР) пламени 2,2-диметилпентана составляет 6,67%. Справочные данные КПР для 2,2-диметилпентана - НКПР=1,10%; ВКПР=6,00%. Расхождение расчетных и экспериментальных данных небольшое.

Температурные пределы распространения пламени применяются при расчете пожаровзрывобезопасных температурных режимов работы технологического оборудования, при оценке аварийных ситуаций, связанных с разливом жидкостей и для расчетов КПР пламени. В курсовой работе расчетные значения ТПР 2,2-диметилпентана близки к экспериментальным, приводимым в справочной литературе.

Значение температуры самовоспламенения 2,2-диметилпентана, полученное расчетом с экспериментальными данными расходится на 4°С.

Так как тротиловый эквивалент и максимальное давление высоки, а температура самовоспламенения вполне возможна, в эксплуатации данное горючее вещество весьма пожаровзрывоопасно.

Без наличия флегматизатора горючее в концентрации от 1,1% до 6,6 % способно воспламениться с распространением горения на всю смесь.

Средства тушения: воздушно-механическая пена, порошки.

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВА ПАРОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ПОМЕЩЕНИИ

Параметры расчетного помещения 8,0Ч5,5Ч4,0=176 м³.

3.1 Расчет количества испарившегося вещества для создания наиболее взрывоопасной паровоздушной смеси

Из уравнения материального баланса процесса горения 2,2-диметилпентана в воздухе видно, что стехиометрическая смесь содержит:

– 1 моль 2,2-диметилпентана;

– 11 моль кислорода;

– 11·3,76 моль азота.

Концентрация горючего в такой смеси

.

Объем паров 2,2-диметилпентана в помещении объемом 176 м³ при концентрации 1,87% составит 3,2912 м³.

Количество молей составит 146,93 из условия, что при нормальных условиях 1 моль любого вещества занимает объем 22,4·10^-3 м³.

Из формулы

(2.1)

где - количество молей 2,2-диметилпентана в помещении;

-молярная масса 2,2-диметилпентана (100,23 г);

- искомая масса 2,2-диметилпентана.

Из формулы (2.1) определяется масса 2,2-диметилпентана, испарение которой создаст в помещении объемом 176 м³ наиболее взрывоопасную паровоздушную смесь

.

3.2 Тротиловый эквивалент наиболее взрывоопасной паровоздушной смеси

Количество тротила или тротиловый эквивалент взрыва будет равен

.(2.2)

Исходя из ранее полученных результатов:

;

;

;

г=1 при взрыве парогазовой смеси углеводородных топлив в ограниченном объеме тротиловый эквивалент взрыва будет равен

.

3.3 Безопасное расстояние по действию воздушной ударной волны взрыва

Размер безопасной зоны по действию давления ударной воздушной волны взрыва вычисляется по формуле

.

С учетом вычисленного в п. 3.2

.

3.4 Минимальное количество диоксида углерода для предотвращения взрыва

Уравнение материального баланса процесса горения 2,2-диметилпентана включая флегматизатор диоксид углерода

.

Расчет выполняется аналогично п.1.4.

Из правой части уравнения материального баланса процесса горения 2,2-диметилпентана

;	;
;	;
;	.

Объем флегматизатора составляет

Уравнение материального баланса сгорания смеси предельного состава примет вид

.

В исходной горючей смеси (левая часть уравнения) на 1 моль 2,2-диметилпентана приходится , и флегматизатора.

Минимальная флегматизирующая концентрация диоксида углерода

.

Концентрация 2,2-диметилпентана в точке флегматизации состаит

.

Объем паров СО₂ при концентрации 22,44% в помещении 8,0Ч5,5Ч4,0=176 м³ составляет 43,01 м³.

Этому объему соответствует 1920,29 молей СО₂.

Молярная масса СО₂ составляет 44,01 г.

Минимальное количество диоксида углерода для предотвращения взрыва составляет 84,51 кг.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бегишев И.Р. теория горения и взрыва: методические указания по выполнению курсовой работы для слушателей ИЗиДО (в авторской редакции). - М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. - 60 с.

2. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. - М.: Асс. «Пожнаука», 2004. - Ч. I. - 713 с.

Размещено на Allbest.ru

...