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 горения составило 12 %. Условия нормальные.

Решение.

1. Составляем уравнение реакции горения толуола в воздухе:

С7Н8 + 9 (О2 + 3,76 N2) = 7 СО2 + 4 Н2О + 9·3,73 N2

2. Рассчитаем массу одного кмоля толуола:

МГВ = 12 · 7 + 1 · 8 = 92 кг/кмоль

3. Рассчитаем теоретические объёмы воздуха и продуктов горения при полном сгорании 1 кг толуола:

м3/кг;

м3/кг.

4. Поскольку, согласно условию задачи, в продуктах горения содержится кислород, горение протекало в избытке воздуха. В связи с этим рассчитаем коэффициент избытка воздуха (см. формулу 11):

5. Рассчитаем действительный объём воздуха, пошедший на горение: м3/кг.

6. Рассчитаем количество сгоревшего толуола в закрытом помещении объёмом 100 м3: кг

Ответ: в закрытом помещении объёмом 100 м3, где при нормальных условиях происходило горение в избытке воздуха, сгорело 6,9 кг толуола.

ПРИМЕР: Газовая смесь объёмом 10 м3, состоящая из 30 % ацетилена, 40 % пропана, 20 % углекислого газа и 10 % кислорода сгорает с 40-процентным избытком воздуха. Вычислить объём воздуха, принимающего участие в горении, если процесс протекает при нормальных условиях.

Решение.

1. Составляем уравнения реакций горения горючих газов смеси в воздухе:

С2Н2 + 2,5 (О2 + 3,76 N2) = 2 СО2 + Н2О + 2,5 3,76 N2;

С3Н8 + 5 (О2 + 3,76 N2) = 3 СО2 + 4 Н2О + 5 3,76 N2.

2. Рассчитаем теоретические объёмы воздуха и продуктов горения при полном сгорании 1 м3 газовой смеси (формулы (8) и (15)):

(м3/м3);

3. Рассчитаем действительные объёмы воздуха и продуктов горения с учётом 40-процентного избытка воздуха ( = 1,4).

(м3/м3);

(м3/м3).

4. Поскольку объём горючей смеси составлял 10 м3, действительные объёмы воздуха и продуктов горения составят 176,7 и 192,9 м3 соответственно.

Ответ: На сгорание 10 м3 сложной газовой смеси требуется 176,7 м3 воздуха, при этом образуется 192,9 м3 продуктов горения.

ПРИМЕР: Определить объёмы воздуха и продуктов горения при сжигании 2 кг горючего вещества, имеющего элементный состав: С = 50 %;
Н = 10 %; N = 10 %; золы = 12 %; влаги = 18 %. Считать, что воздух и продукты горения находятся при нормальных условиях.

Решение.

1. Для решения задачи воспользуемся формулами (9) и (16).

(м3/кг)

При сгорании 2 кг горючего вещества образуется соответственно 14,34 и 16,14 м3 воздуха и продуктов горения.

Ответ: При сгорании 2 кг горючего вещества расходуется 14,34 м3 воздуха и образуется 16,14 м3 продуктов горения.

2.1.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРА СВЕЧЕНИЯ ПЛАМЕНИ

Характер свечения пламени веществ при их горении зависит от процентного содержания углерода и кислорода в горючем веществе. При горении веществ в зоне горения происходит процесс их термического разложения. Наличие углерода в зоне горения будет придавать пламени яркость. О характере свечения пламени можно судить по процентному содержанию углерода и кислорода в горючем веществе (табл. 18).

Таблица 18

Характер свечения пламени	Содержание кислорода в горючем веществе, %	Содержание углерода в горючем веществе, %
Пламя бесцветное	Более 30	До 50
Пламя яркое, не коптящее	Отсутствует или менее 30	Не более 75
Пламя яркое, коптящее	Отсутствует или менее 25	Более 75

Процентное содержание углерода рассчитывается по формуле, %

, (26)

где АrС - атомный вес углерода;

МrГВ - молекулярная масса горючего вещества;

nС - количество атомов углерода в формуле горючего вещества.

Процентное содержание кислорода рассчитывается по формуле, %

, (27)

где АrО - атомный вес кислорода;

МrГВ - молекулярная масса горючего вещества;

nО - количество атомов кислорода в формуле горючего вещества.

ПРИМЕР. Определить характер свечения пламени этилового спирта.

Решение:

1. Рассчитываем содержание углерода в этиловом спирте (С2Н5ОН).

;

следовательно пламя бесцветное.

Ответ: поскольку содержание кислорода в этиловом спирте превышает 30 %, пламя будет бесцветным.

2.2 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ. РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ

Под температурой горения понимают максимальную температуру, до которой нагреваются продукты горения. В технике и пожарном деле различают теоретическую, калориметрическую, адиабатическую и действительную температуру горения.

Теоретическая температура горения - это температура, при которой выделившаяся теплота горения смеси стехиометрического состава расходуется на нагрев и диссоциацию продуктов горения. Практически диссоциация продуктов горения начинается при температуре выше 2000 К.

Калориметрическая температура горения - это температура, которая достигается при горении стехиометрической горючей смеси с начальной температурой 273 К и при отсутствии потерь в окружающую среду.

Адиабатическая температура горения - это температура полного сгорания смесей любого состава при отсутствии тепловых потерь в окружающую среду.

Действительная температура горения - это температура горения, достигаемая в условиях реального пожара. Она намного ниже теоретической, калориметрической и адиабатической, т. к. в реальных условиях до 40 % теплоты горения обычно теряется на излучение, недожог, нагрев избытка воздуха и т. д.

Экспериментальное определение температуры горения для большинства горючих веществ представляет значительные трудности, особенно для жидкостей и твёрдых материалов. Однако в ряде случаев теория позволяет с достаточной для практики точностью вычислить температуру горения веществ, основываясь только на знании их химической формулы, состава исходной горючей смеси и продуктов горения.

В общем случае для вычислений используется следующая зависимость (приближённая, так как

):

QПГ = VПГСрТ, (28)

где QПГ - энтальпия продуктов горения;

VПГ - количество продуктов горения, м3/кг;

Ср - средняя объемная теплоемкость смеси продуктов горения в интервале температур от Т0 до ТГ, кДж/(м3К);

ТГ - температура горения, К.

Энтальпия продуктов горения определяется из уравнения теплового баланса:

QПГ = Qh + Qисх - Qпот, (29)

Qпот = Qисп + Qнедож + Qдисс , (30)

где Qисп - теплота испарения;

Qпот - потери тепла за счёт излучения, недожога и диссоциации продуктов горения.

В зависимости от рода учитываемых потерь теплоты в зоне горения (на излучение, недожог, диссоциацию продуктов горения) вычисляется та или иная температура.

При кинетическом горении газопаровоздушных смесей потери теплоты из зоны горения пренебрежимо малы, поэтому для этих смесей действительная температура горения близка к адиабатической, которую и используют в пожарно-технических расчетах.

Среднюю теплоемкость смеси продуктов горения определить очень сложно. Ориентировочно энтальпия смеси продуктов горения может быть выражена как сумма энтальпий ее компонентов:

QПГ = (VПГ)i ·(Ср)i ТГ , (31)

где (VПГ)i - количество i-го компонента продуктов горения;

Ср - средняя объемная теплоемкость i-го компонента при ТГ и постоянном давлении;

ТГ - температура горения.

При расчётах температуры горения пользуются величиной Qн (низшей теплотой сгорания), так как при температуре горения вода находится в газообразном состоянии.

Значения низшей теплоты сгорания вещества (тепловой эффект химической реакции) приводятся в справочной литературе, а также могут быть рассчитаны из следствия закона Гесса:

, (32)

где - теплота образования i-го вещества,

ni - количество молей i-го вещества.

Согласно следствию из закона Гесса, тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования продуктов реакции и теплот образования исходных веществ. Напомним из курса химии, что теплота образования простых веществ (кислорода, азота и др.) равна нулю.

Например, рассчитаем теплоту сгорания (тепловой эффект) этана:

С2Н6 + 3,5(О2 + 3,76N2) = 2 CО2 + 3 Н2О + 3,763,5 N2.

Низшая теплота сгорания согласно следствию из закона Гесса:

. (33)

Подставляя значения теплоты образования СО2, Н2О и С2Н6 из справочных данных, определяют низшую теплоту сгорания этана.

При сгорании смеси индивидуальных веществ сначала определяют теплоту сгорания каждого компонента, а затем их суммируют с учётом процентного содержания каждого горючего вещества в смеси, кДж/кг

. (34)

Если горючее является сложным веществом и его элементный состав задан в массовых процентах, то для расчёта теплоты сгорания используют формулу Менделеева:

(35)

где С, Н, О, N, S - процентное содержание данного элемента в горючем

веществе;

W - содержание влаги в веществе, масс. %.

Для расчёта температуры горения составим уравнение теплового баланса, считая, что выделившееся в результате сгорания тепло нагревает продукты горения от начальной температуры Т0 до температуры ТГ.

, (36)

где - коэффициент теплопотерь (доля потерь тепла на излучение, а также в результате неполноты сгорания);

- теплоёмкость i-го продукта горения при постоянном давлении, кДж/моль К;

- объём i-го продукта горения, м3.

Расчёт объёма продуктов горения (СО2, Н2О, SO2, N2) проводится по следующим формулам 17-20.

Из уравнения теплового баланса

. (37)

Трудность в определении температуры горения по этой формуле заключается в том, что теплоёмкость газа зависит от температуры. Так как газы нагреваются от температуры Т0 до температуры ТГ, то в формулу (37) необходимо подставить среднее значение теплоёмкости именно в этом интервале температур. Но температура горения нам неизвестна, и мы хотим её найти. В этом случае можно поступить следующим образом. Среднее значение температуры горения большинства веществ в воздухе составляет примерно 1500 К. Поэтому с небольшой погрешностью в определении ТГ для расчётов можно взять среднее значение теплоёмкости в интервале температур от 273 до 1500 К. Эти значения для основных продуктов горения приведены в табл. 19.

Таблица 19

Средние значения теплоёмкостей основных продуктов горения в интервале температур 273-1500 К

Вещество	Удельная теплоёмкость,
	кДж/(м3К)	кДж/(мольК)
Диоксид углерода	2,27	5,0810-2
Диоксид серы	2,28	5,1110-2
Вода (пар)	1,78	3,9910-2
Азот	1,42	3,1810-2
Воздух	1,44	3,2310-2

Средние значения теплоёмкостей некоторых газообразных веществ в различных температурных интервалах приведены также в приложении 8.

Рассмотрим примеры решения задач на расчёт температуры горения.

2.2.1 РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ

ПРИМЕР: Рассчитать действительную температуру горения вещества сложного состава, состоящего из 40 % углерода, 20 % водорода, 30 % азота, 10 % влаги. Горение протекает при коэффициенте избытка воздуха, равном 1,2, а потери тепла на излучение составляют 30 %.

Решение:

1. Рассчитаем низшую теплоту сгорания горючего вещества, используя формулу Д. И. Менделеева (см. формулу 31).

2. Рассчитаем объёмы продуктов горения при полном сгорании 1 кг горючего вещества сложного состава (см. формулы) (33-35).

;

;

В связи с тем, что горение происходит при избытке воздуха, то в продуктах горения будет присутствовать избыточный воздух, который не участвовал в горении.

3. Рассчитаем избыточный объём воздуха при полном сгорании 1 кг горючего вещества (см. формулу 9).

.

4. Рассчитаем температуру горения и, т.к. в условии задачи ничего не сказано о начальной температуре горения, будем считать, что горение протекает при нормальных условиях (см. формулу 35 и табл. 6):

.

Ответ: действительная температура горения вещества сложного состава составила 1418 К.

2.2.2 РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ МЕТОДОМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ

Для более точных расчётов используют метод последовательных приближений по известной зависимости теплосодержания (энтальпии) продуктов горения от температуры.

Если теплосодержание продуктов горения при Т=273 К принять равным нулю, то полное теплосодержание продуктов горения при ТГ будет равно количеству теплоты, выделившейся в результате химической реакции.

С учётом теплопотерь:

, (38)

где - теплосодержание (энтальпия) i-го продукта горения.

Задача состоит в том, чтобы найти температуру, при которой будет справедливо это равенство.

ПРИМЕР: Найти адиабатную температуру горения этилового спирта в воздухе, если теплота его образования равна - 278,2 кДж/моль.

Решение.

Адиабатную температуру горения вещества находят при условии отсутствия теплопотерь ( = 0), для стехиометрической смеси горючего с воздухом, т. е. при = 1.

1. Для определения состава и объёма продуктов горения запишем уравнение химической реакции горения этилового спирта:

С2Н6О + 3(О2 + 3,76 N2) = 2 CО2 + 3 Н2О + 33,76 N2.

2. Объём продуктов горения составляет: ; ; ; объём продуктов горения .

3. Рассчитаем низшую теплоту сгорания этилового спирта по следствию из закона Гесса:

4. Так как теплопотери отсутствуют, то всё выделившееся тепло идёт на нагрев продуктов горения. Среднее теплосодержание 1 моля продуктов горения будет составлять:

(кДж/моль).

5. Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры (приложения 10 и 11), можно установить, какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать, ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения. Из приложения 10 видно, что при температуре 2200 С теплосодержание азота 74,1 кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры. При t1 = 2200 С

(кДж/моль).

Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения , поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2200 С. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов горения до 2100 С.

.

Но и , значит tГ  2100С

При температуре 2000 С

.

уже меньше, чем , из этого можно сделать вывод, что температура горения этанола имеет значение между 2000 и 2100 С.

Уточним искомую температуру линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениями:

С или 2302 (К).

Ответ: адиабатическая температура горения этанола составила 2302 К.

2.3 РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ

Горение может возникнуть в объёме газо- или паро-воздушной смеси в результате её воспламенения при нагревании в химическом реакторе, технологическом аппарате и т. п. В этом случае процесс горения возникает как бы самопроизвольно, поэтому его называют самовоспламенением.

Самовоспламенение - это явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций окисления, приводящее к возникновению горения и/или взрыва.

В некоторых случаях горение может возникнуть за счёт самонагревания, которое обусловлено происходящими в веществах физическими, химическими и биологическими процессами при низких (до 70С) температурах (окисление, разложение, адсорбция, конденсация, жизнедеятельность микроорганизмов и т. д.). Этот процесс называется самовозгоранием.

Причинами теплового самовозгорания веществ и материалов являются процессы адсорбции и окисления. Жизнедеятельность термофильных микроорганизмов служит причиной микробиологического самовозгорания. В основе химического самовозгорания лежит химическая реакция, протекающая с выделением большого количества тепла. К веществам, склонным к тепловому самовозгоранию, относятся также масла, жиры и олифы.

Условия самовозгорания зависят от химической природы материала, его формы и массы, начальных и граничных условий теплообмена с окружающей средой. При разработке мероприятий по предотвращению пожаров от самовозгорания необходимы знания параметров пожарной опасности веществ и материалов. К этим параметрам относятся температура самонагревания, температура тления и условия теплового самовозгорания.

Температура самонагревания - это температура, начиная с которой в веществе или материале, находящемся в атмосфере воздуха, возникают практически различимые процессы окисления, разложения и т. п.

Температура самонагревания является самой низкой температурой вещества, нагревание при которой может потенциально привести к самовозгоранию. Безопасной температурой длительного нагрева вещества считается температура не выше 90 % от температуры самонагревания.

Различная способность растительных масел и животных жиров к самовозгоранию объясняется тем, что они содержат глицериды различного состава и строения и не в одинаковом количестве. Чем больше кислорода (йода) присоединяется к молекуле глицерида, тем больше тепла выделяется при окислении и, следовательно, тем больше способность глицеридов к самовозгоранию. О количестве глицеридов непредельных кислот в масле или жире судят по йодному числу масла, т. е. по количеству йода, поглощённому 100 г масла.

Температура самовоспламенения - наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся пламенным горением.

Температура самовоспламенения Тсвп, при стандартных условиях различных веществ приведена в справочнике Баратова А. Н. «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения». Установлено, что в пределах гомологического ряда величина Тсвп является функцией длины углеродной цепи в молекуле. Чем длиннее цепь, тем ниже температура самовоспламенения. Метод расчета Тсвп основан на эмпирической зависимости Тсвп от длины углеродной цепи.

Метод пригоден для расчета Тсвп алифатических углеводородов, алифатических спиртов и ароматических углеводородов.

Задача состоит в том, чтобы по структурной формуле химического соединения найти для него среднюю длину углеродных цепей.

Углеродная цепь - это цепочка атомов углерода от одного конца молекулы до дрyгoгo.

Длина цепи - это число атомов углерода в такой цепи.

Например, в нормальном гептане

СН3 - СН2 - СН2 - СН2 - СН2 - СН2 - СН3

три цепи с одинаковой длиной (цепь 1-2-3, 1-2-4 и 3-2-4), длина каждой цепи равна 3. Средняя длина углеродных цепей в этом соединении тоже равна 3.

Определив среднюю длину цепи, далее по приложениям 13-15 находят Тсвп. Например, для н-гептана Тсвп = 496 К, а для изобутана Тсвп = 743 К (приложение 13 для предельных углеводородов).

В молекуле химического соединения со сложной структурой иногда бывает трудно сразу найти все углеродные цепи. Поэтому для определения числа цепей используют формулу

, (39)

где Мр - число концевых функциональных групп, таких как: -СН3,-ОН и бензольных колец.

Например, в н-гептане 2 группы СН3, т. е. Мр= 2, из формулы (39) следует, что число цепей равно 1. В изобутане Мр=3, подставляя это значение в формулу (39), получим m = 3.

2.4 РАСЧЁТ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ (КПРП)

Смесь горючих паров и газов с окислителем способна воспламеняться и гореть только в определённом интервале концентраций горючего вещества.

Нижним концентрационным пределом распространения пламени (НКПРП или н) называется наименьшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при которой смесь уже может воспламениться от источника зажигания с распространением горения на весь объём смеси. Аналогично верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПРП или в) - это наибольшая концентрация горючего вещества в смеси с воздухом, при которой смесь ещё способна воспламеняться от источника зажигания с распространением горения на весь объём смеси. Воздушные смеси с концентрацией горючего вещества ниже НКПРП или выше ВКПРП не являются горючими.