Саратов 2010
Составитель: Р.П.Волков преподаватель ФГОУ СПО «СГППК имени Ю. А. Гагарина»
Внутренний рецензент: О.Г.Стегалкина – преподаватель
ФГОУ СПО «СГППК имени Ю.А.Гагарина»
Методические указания к решению задач и выполнению самостоятельных работ по курсу «Физико-химические основы развития и прекращения горения на пожаре» для студентов всех форм обучения специальности «Пожарная безопасность».
В методических указаниях рассматриваются примеры решения типовых задач раздела «Основы процессов горения. Материальный и тепловой баланс процессов горения» дисциплины «Физико-химические основы развития и прекращения горения на пожаре»; даны варианты заданий для самостоятельного решения задач.
Напечатано в типографии ФГОУ СПО «СГППК имени Ю.А. Гагарина»
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания к решению задач и выполнению самостоятельных работ по разделу «Основы процессов горения. Материальный и тепловой баланс процессов горения» дисциплины «Физико-химические основы развития и прекращения горения на пожаре» предназначены для подготовки инженеров пожарной безопасности в рамках рабочей программы дисциплины «Физико-химические основы развития и прекращения горения на пожаре» по специальности 280104.
Методические указания по решению задач составлены в полном соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования с учетом особенностей профессиональной деятельности сотрудников ГПС. Задания предназначены для закрепления теоретического курса и методики практических расчетов по данному разделу дисциплины. Методические указания помогут студентам освоить материал изучаемой дисциплины, необходимый для успешной работы инженера пожарной безопасности в любой области его деятельности.
Методические указания включают в себя: краткие теоретические положения, общие положения расчётов материального и теплового баланса процессов горения газообразных и конденсированных веществ, характера свечения пламени, температуры горения, а также большое количество примеров решения типовых задач и справочной информации, необходимой при решении задач.
Структура и содержание методических указаний к решению задач предусматривают возможность самостоятельной отработки обучаемыми, материала по каждому разделу дисциплины.
Приступая к изучению курса, необходимо представлять, что в основе всех явлений, происходящих на пожаре, лежит процесс горения. Знание сути этого явления, законов горения, механизмов и способов его прекращения необходимы для успешной работы инженера пожарной безопасности в любой области его деятельности.
1. Написать структурные формулы,составить уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе и рассчитать стехиометрические коэффициенты.
1.1. амилбензол, абиетиновая кислота, аллиламин;
1.2. амилдифенил, адипиновая кислота, аллилизотиоцианат;
1.3. амилен, акриловая кислота, альнафт;
1.4. амилнафталин, аллилацетат, альтакс;
1.5. амилтолуол,аллилидендиацетат,амиламин;
1.6. антрацен, аллилкапроат, амилнитрат;
1.7. аценафтен, аллиловьiй спирт, амилнитрит;
1.8. ацетилен, амилацетат, амилсульфид;
1.9. бензол,амилбутират,амилтрихлорсилан;
1.10. бутилбензол, амилксилиловый эфир, амилхлорнафталин;
1.11. бутилциклогексан, амиллаурат, аминалон;
1.12. бутилциклопетан, амилметилкетон, аминоазокраситель;
1.13. гексадекан, амилолеат, аминокапроновая кислота;
1.14. гексан, амилсалицилат, аминопеларгоновая кислота;
1.15. гексилциклопентан, амилстеарат, аминоциклогексан;
1.16. гептадекан, амилфенилметиловый эфир, ампициллин;
1.17. гептан, амнлфениловый эфир, ангинин;
1.18. декан, амилформиат, анилин;
1.19. диамилбензол, анизол, антримид;
1.20. диамилнафталин, ацеталь, атофан;
1.21. дивинилацетилен, ацетальдегид, ацеклидин;
1.22. дигидроциклопентадиен, ацетилацетон, ацетанилид;
1.23. диизобутилен, ацетисалициловая кислота, ацетилхлорид;
1.24. диизопропилбензол, ацетилтрибутилцитрат, ацетоацетанилид;
1.25. диметиленциклобутан, ацетометоксан, ацетонитрил;
1.26. дитолилметан, ацетон, ацетоксим;
1.27. дифенил, ацетонилацетон, ацетоэтиламид;
1.28. дифенилметан, ацетопропиловый спирт, бензамид;
1.29. диэтилциклогексан, ацетоуксусный эфир, бензилдиэтиламин;
1.30. додекан, ацетофенон, бензилтиол;
1.31. изобутилбензол, бензальдегид, бензилхлорид;
1.32. изобутилциклогексан, бензантрон, бензилцианид;
1.33. изооктан, бензгидрол, бензимидазол;
1.34. изопентан, бензилацетат, бензоат натрия;
1.35. изопрен, бензилбензоат, бензоилхлорид;
1.36. изопропенилбензол, бензилсалицилат, бензоксазолон;
1.37. изопропилацетилен, бензилцеллозольв, бензолсульфазид;
1.38. метилциклогексан, бензилэтиловый эфир, бензолсульфамид;
1.39. метилциклопентан, бензилянтарная кислота, бензолсульфокислота;
1.40. октилтолуол, метоксибутилацетат, бензонитрил.
2. Написать структурные формулы и определить при сгорании какого горючего вещества выделится большее число молей продуктов горения?
2.1. бензофенон и бензофенонтетракарбоновая кислота;
2.2. борнеол и бутаналь;
2.3. бутановая кислота и бутилацетат;
2.4. бутилацетилрицинолеат и бутилацетоацетат
2.5. бутилбензилсебацинат и бутилбензоат;
2.6. бутилбутират и бутилвиниловый эфир;
2.7. бутилгликоль и бутилгликольацетат;
2.8. бутилглицидный эфир и бутилдиэтиладипинат;
2.9. бутилизовалериат и бутилкапронат;
2.10. бутилкарбитол и бутиллактат;
2.11. бутиллаурат и бутилметакрилат;
2.12. бутилметилкетон и бутилолеат;
2.13. бутилпропионат и бутилрициноолеат;
2.14. бутилстеарат и бутилфениловый эфир;
2.15. бутилформиат и бутилэтилацетальдегид;
2.16. бутилэтилкетон и бутилэтиловый эфир;
2.17. валериановая кислота и валериановый альдегид;
2.18. ванилин и ветиверилацетат;
2.19. ветиверовый спирт и ветинилацетат;
2.20. ветинон и винилаллиловый эфир;
2.21. винилацетат и винилбутират;
2.22. винилизобутиловый эфир и винилизооктиловый эфир;
2.23. винилизопропиловый эфир и винилкротонат;
2.24. винилметилкетон и винилоксиэтилметакрилат;
2.25. винилоктадециловый эфир и винилпропионат;
2.26. винилтриметилнониловый эфир и винилэтиловый эфир;
2.27. винилэтиловый эфир и винная кислота;
2.28. витамин А (ацетат) и витамин С;
2.29. галловая кислота и гексаналь;
2.30. гексановая кислота и гексилацетат;
2.31. гексилбутират и гексилдиэтилгексагидрофталат;
2.32. гексилметакрилат и гексилметилкетон;
2.33. гексиловый спирт и гексилпропионат;
2.34. гексилформиат и гексилцеллозольв;
2.35. гелиотропин и гептадециловый спирт;
2.36. гептаналь и гептилацетат;
2.37. гептилбутират и гептилдифенилкетон;
2.38. гептилизобутилкетон и гептилметилкетон;
2.39. гептиловый спирт и гептилпропионат;
2.40. гептилформиат и гидрохинон.
РЕШЕНИЕ.
1. Составляем уравнения реакций горения горючих газов смеси в воздухе:
С 2 Н 2 + 2,5 (О 2 + 3,76 N 2) = 2 СО 2 + Н 2 О + 2,5 *3,76 N 2 ,
С 3 Н 8 + 5 (О 2 + 3,76 N 2) = 3 СО 2 + 4 Н 2 О + 5 *3,76 N 2 .
2. Рассчитаем теоретические объёмы воздуха и продуктов горения при полном сгорании 1 м 3 газовой смеси (формулы 8 и 15):
3. Рассчитаем действительные объёмы воздуха и продуктов горения с учётом 40 % - ного избытка воздуха (α = 1,4).
4. Поскольку объём горючей смеси составлял 10 м 3 , действительные объёмы воздуха и продуктов горения составят 176,7 и 192,9 м 3 соответственно.
ОТВЕТ : На сгорание 10 м 3 сложной газовой смеси требуется 176, 7 м 3 воздуха, при этом образуется 192, 9 м 3 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).
При сгорании 2 кг горючего вещества образуется соответственно 14, 34 и 16, 14 м 3 воздуха и продуктов горения.
ОТВЕТ: При сгорании 2 кг горючего вещества расходуется 14, 34 м 3 воздуха и образуется 16, 14 м 3 продуктов горения.
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
1. Определить объём воздуха, необходимого для сгорания 50 м 3 ацетилена при α=1, 7.
2. Определить объёмы воздуха, продуктов горения и процент содержания продуктов горения 2 м 3 этана. Температуру продуктов горения принять 1200 К, давление 101, 3 кПа, избыток воздуха α=1, 2.
3. Определить объём воздуха, необходимого для сгорания 15 м 3 бутана при температуре 10С и давлении 750 мм рт. ст., если горение протекает с коэффициентом избытка воздуха, равным 1, 4 (α=1,4).
6. Рассчитать количество амилбензола, которое может сгореть в закрытом помещении объёмом 200 м 3 , если горение прекратилось при остаточном содержании кислорода 12 %. Начальная температура в помещении 24 о С, давление 98 кПа.
7. Определить, какое количество бутилацетата может сгореть в помещении объёмом 200 м 3 , если его горение прекращается при содержании кислорода воздуха, равном 13, 8 % (условия нормальные).
8. Определить объёмы продуктов горения и воздуха при сжигании 7 кг гексана. Процесс горения протекал при температуре 33 о С и давлении 730 мм. рт. ст. Температура продуктов горения принять равной 1300 К.
9. Определить объёмы продуктов горения и воздуха при сжигании 11 кг ацетона. Процесс горения протекал при температуре 30 о С и давлении 720 мм рт. ст. Температуру продуктов горения принять равной 1300 К.
10. Определить объём продуктов горения и воздуха при сжигании 17 кг толуола. Процесс горения протекал при температуре 30 о С и давлении 745 мм рт. ст. Температуру продуктов горения принять равной 1100 К.
11. Рассчитать объём воздуха и объём продуктов горения при полном сгорании 6 кг целлюлозы, состоящей из 80 % углерода, 13 % водорода и 7 % кислорода, если горение протекает при температуре 25 о С и давлении 95 кПа. Коэффициент избытка воздуха равен 1, 4.
12. Определить объём воздуха, необходимого для сгорания 6 кг диэтилового эфира при температуре 15 о С и давлении 750 мм рт. ст. Коэффициент избытка воздуха составил 1, 3.
13. Определить, какое количество бензола сгорело в закрытом помещении объёмом 180 м 3 , если известно, что горение его прекратилось при содержании кислорода в воздухе, равном 14, 6 %. Температура до пожара была 19 о С и давление 100 кПа.
15. Определить коэффициент избытка воздуха, если для сгорания 8 кг этилацетата израсходовано 212 м 3 воздуха при температуре 25 о С и давлении 760 мм рт. ст.
16. Рассчитать коэффициент избытка воздуха и процентное содержание в продуктах горения диоксида углерода, если на полное сгорание 4 кг этилпропилового эфира (С 5 Н 12 О) при температуре 22 о С и давлении 92 кПа израсходовано 70 м 3 воздуха.
17. Сгорает 3 кг акролеина при температуре 21 о С и давлении 98 кПа. Рассчитать объём воздуха, перешедшего в продукты горения, и процентное содержание в них воды, если горение протекает с избытком воздуха (коэффициент избытка воздуха равен 1, 2).
20. Рассчитать объём газовой смеси, состоящей из 45 % бутана, 30 % метана, 20 % ацетилена и 5 % кислорода, если на её сгорание при нормальных условиях израсходовано 80 м 3 воздуха. Коэффициент избытка воздуха равен 1,6.
22. Рассчитать объём воздуха и объём продуктов горения при полном сгорании 7 м 3 газовой смеси, состоящей из 57 % водорода, 18 % окиси углерода и 25 % метана, если горение протекает с избытком воздуха (коэффициент избытка воздуха равен 1,3).
23. Рассчитать объём воздуха и объём продуктов горения при полном сгорании 6 кг церезина, состоящего из 80 % углерода, 15 % водорода и 5 % кислорода, если горение протекает при температуре 25 о С и давлении 95 кПа. Коэффициент избытка воздуха равен 1, 5.
25. Определить объём и состав продуктов горения (в об. %) смеси газов (табл. 4), если горение происходит при коэффициенте избытка воздуха α(см. табл. 4).
Таблица 4
| Состав смеси, % | Номер задания | |||||||||
| 25.1 | 25.2 | 25.3 | 25.4 | 25.5 | 25.6 | 25.7 | 25.8 | 25.9 | 25.10 | |
| Оксид углерода | - | - | - | - | - | - | ||||
| Водород | - | - | - | - | - | - | - | |||
| Метан | - | - | - | - | - | - | ||||
| Этан | - | - | - | - | - | -- | ||||
| Пропан | - | - | - | - | - | - | - | - | - | |
| Бутан | - | - | - | - | - | - | - | - | ||
| Этилен | - | - | - | - | - | |||||
| Пропен | - | - | - | - | - | - | - | - | ||
| Ацетилен | - | - | - | - | - | - | - | |||
| Углекислый газ | - | - | ||||||||
| Азот | - | - | - | - | ||||||
| Кислород | - | - | - | |||||||
| α | 1,2 | 1,3 | 1,1 | 1,2 | 1.2 | 1,2 | 1,4 | 1,1 | 1,3 |
Таблица 5
| № задания | Вещество | Элементный состав вещества | t o С | Масса вещества, кг | |||||
| C | H | O | S | W | зола | ||||
| 26.1 | Церезин | ||||||||
| 26.2 | Уголь | ||||||||
| 26.3 | Древесина | ||||||||
| 26.4 | Бензин | ||||||||
| 26.5 | Нефть | ||||||||
| 26.6 | Мазут | ||||||||
| 26.7 | Керосин | ||||||||
| 26. 8 | Горючий сланец | ||||||||
| 26.9 | Каменный уголь | ||||||||
| 26.10 | Антрацит | 0,2 | 5,8 |
27. Определить характер свечения пламени этилбензола.
28. Определить характер свечения пламени уксусной кислоты.
29. Определить характер свечения пламени гексана.
30. Определить характер свечения пламени амилового спирта.
31. Определить характер свечения пламени бутана.
32 . Определить характер свечения пламени бензола.
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 2 000 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 С р =f(T)):
Q пг =V пг *C р *T г,
где Q пг - энтальпия продуктов горения;
V пг - количество продуктов горения, м 3 /кг;
C р - средняя объёмная теплоемкость смеси продуктов горения в интервале температур от Т 0 до Т г, кДж/(м 3 *К);
Т г - температура горения, К.
Энтальпия продуктов горения определяется из уравнения теплового баланса :
Q пг = Q H + Q исх – Q пот, (24)
Q пот = Q и + Q недож + Q дисс , (25)
где Q исп – теплота испарения;
Q пот – 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:
Q пг = Σ (V пг) i (С р) i * Т г , (26)
|
|
где (V пг) i – количество i-го компонента продуктов горения;
С р – средняя объемная теплоемкость i-го компонента при Т г и постоянном давлении;
Т г – температура горения.
При расчётах температуры горения пользуются величиной Q н (низшей теплотой сгорания), так как при температуре горения вода находится в газообразном состоянии.
Значения низшей теплоты сгорания вещества (тепловой эффект химической реакции) приводится в справочной литературе, а также может быть рассчитана из следствия закона Гесса:
Q н =(Σ ΔН i *n i) прод -(ΣΔН i *n i) исх, где (27)
ΔН i – теплота образования i-го вещества,
n i – 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:
С 2 Н 6 + 3,5 *(О 2 + 3,76N 2) = 2 CО 2 + 3 Н 2 О + 3,76 *3,5 N 2 .
Низшая теплота сгорания, согласно следствию Гесса равна:
Q н =ΔH CO 2 *n CO 2 +Δ H H 2 O * n H 2 O - ΔH C 2 H 6 *n C 2 H 6 (28)
Подставляя значения теплоты образования СО 2 , Н 2 О, С 2 Н 6 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:
Если горючее является сложным веществом и его элементный состав задан в массовых процентах, то для расчёта теплоты сгорания используют формулу Менделеева:
Q n c м =339,4*С+1257*H-108,9(O-N-S)-25(9*H+W), кДж/кг (30)
где C,H,O,N,S-процентное содержание данного элемента в горючем веществе;
W – содержание влаги в масс. %.
Для расчёта температуры горения составим уравнение теплового баланса, считая, что выделившееся в результате сгорания тепло нагревает продукты горения от начальной температуры Т 0 до температуры Т г. :
Q н (1-η)=Σс рпг i *V пг i (Т г -Т 0)
Где η– коэффициент теплопотерь (доля потерь тепла на излучение, а также в результате неполноты сгорания);
с рпг i – теплоёмкость i-го продукта горения при постоянном давлении, кДж/мольК;
V пг i – объём i-го продукта горения, м 3 .
Расчёт объёма продуктов горения (СО 2 , Н 2 О, SO 2 , N 2 ) проводится по следующим формулам:
Из уравнения теплового баланса:
Трудность в определении температуры горения по этой формуле заключается в том, что теплоёмкость газа зависит от температуры. Так как газы нагреваются от температуры Т 0 до температуры Т г , то в формулу (36) 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 Т г для расчётов можно взять среднее значение теплоёмкости в интервале температур 273–1500 К. Эти значения для основных продуктов горения приведены в табл. 6.
Таблица 6
Средние значения теплоёмкостей основных продуктов горения в интервале температур 273–1500 о С
 |
 |
Среднее значение теплоёмкости некоторых газообразных веществ в различных температурных интервалах приведены также в табл. III приложения.
Рассмотрим примеры решения задач на расчёт температуры горения.
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
1. В каком случае в условиях пожара при горении бутана выделится больше тепла: при полном горении или неполном, протекающем по реакции С 4 Н 10 + 4,5О 2 →4СО+5Н 2 О . Ответ необходимо подтвердить расчётом с использованием закона Гесса.
2. Вычислить теплоту образования ацетилена из элементов, если его теплота горения равна 1411, 2 кДж/моль.
3. Определить теплоту сгорания 12 кг бензола, если теплота его образования составляет 82, 9 кДж/моль, теплота образования углекислого газа 396, 9 кДж/моль, теплота образования водяного пара 242, 2 кДж/моль.
4. Определить теплоту образования пимелиновой кислоты (С 7 Н 12 О 4), если теплота её сгорания составляет 3453, 5 кДж/моль.
5. Определить теплоту сгорания салициловой кислоты, если теплота её образования составляет 589, 5 кДж/моль.
6. Вычислить теплоту образования метана, если при сжигании 10 г его в стандартных условиях выделяется 556, 462 кДж тепла.
7. Определить теплоту сгорания бензилового спирта (С 7 Н 8 О), если теплота его образования составляет 875, 4 кДж/моль.
8. При образовании октана из элементов выделяется 208, 45 кДж/моль тепла. Рассчитать его теплоту горения.
9. Теплота образования ацетона составляет -248, 28 кДж/моль. Определить его теплоту горения и количество тепла, которое выделится при сгорании 30 г вещества.
11. Определить теплоту сгорания сульфофенилгидразина (С 6 Н 8 О 3 N 2 S) с учётом потерь на испарение воды. Содержание влаги в веществе 20 %.
12. Определить теплоту сгорания 4, 4 / -диаминодифенилсульфона (С 12 Н 12 О 2 N 2 S) без учёта потерь на испарение влаги.
13. Определить теплоты сгорания 4, 6-диметилгексагидро-1, 3, 5-триазинтиона-2 (С 5 Н 9 N 3 S) по формулам Д. И. Менделеева.
14. Определить теплоту сгорания диаминомезитилен-6-сульфокислоты (С 9 Н 14 О 3 N 2 S), если содержание влаги в веществе 35 %.
15. Определить низшую теплоту горения древесины состава: С – 41,5%; Н – 6%; О – 43 %; N – 2%; W– 7,5%.
16. Определить теоретическую температуру горения ацетона с использованием средних значений теплоёмкостей.
17. Определить теоретическую температуру горения пентана с использованием средних значений теплоёмкостей.
18. Определить теоретическую температуру горения октана и использованием средних значений теплоёмкостей.
19. Определить теоретическую температуру горения бензола с использованием средних значений теплоёмкостей.
20. Методом последовательных приближений рассчитать адиабатическую температуру горения пропанола.
21. Рассчитайте температуру горения для стехиометрической смеси горючего вещества с воздухом (табл. 7).
Таблица 7
22. Методом последовательных приближенийрассчитать действительную температуру горения горючего вещества (табл. 8), если горение протекает при коэффициенте избытка воздуха α, а доля потерь тепла излучением составляет η.
Таблица 8
| № задания | Название вещества | Элементный состав вещества, масс. % | α | η | ||||||
| C | H | O | S | N | W | зола | ||||
| 22.1 | Антра-цит | 0,5 | 1,0 | 21,5 | 1,1 | 0,2 | ||||
| 22.2 | Горю-чий сланец | 24,2 | 1,8 | 4,5 | 3,0 | 2,0 | 39,5 | 1,2 | 0,3 | |
| 22.3 | Керо-син | 13,7 | 0,3 | - | - | - | 1,3 | 0,4 | ||
| 22.4 | Бензин | 8,0 | 5,0 | - | 2,0 | 1,4 | 0,3 | |||
| 22.5 | Соля-ровое масло | 86,0 | 12,0 | 1,2 | 0,8 | - | - | - | 1,5 | 0,2 |
| 22.6 | Мазут | - | - | 1,6 | 0,3 | |||||
| 22.7 | Древе-сина | - | - | 1,7 | 0,4 | |||||
| 22.8 | Уголь | - | 1,8 | 0,3 | ||||||
| 22.9 | Цере- зин | - | - | - | - | 1,7 | 0,2 | |||
| 22.10 | Горю-чий сланец | 1,6 | 0,3 |
23. Определить теоретическую температуру горения резины состава: С = 80 %, Н = 15 %, S = 2 %, О= 1 %, N = 2 %.
24 . Определить действительную температуру горения бумаги состава: С = 55 %, Н = 25 %, N = 3 %, О = 15 %, Н 2 О = 2 %, если потери тепла за счёт недожога составили η х =0,15, за счёт излучения η изл =0,20.
25. Определить действительную температуру горения пластмассы состава: С = 70 %, Н = 20 %, N = 5 %, О = 2 %, негорючие компоненты (наполнители) составили 3 %/, если потери тепла за счёт недожога составили η х =0,20, за счёт излучения η изл =0,25. Коэффициент избытка воздухаα = 1, 4.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Список принятых обозначений
n – число молей вещества;
β – стехиометрический коэффициент;
V в теор – теоретически необходимый для горения, м 3 ;
V в д – действительный (практический) объём воздуха, пошедшего на горение, м 3 ;
V пг т – теоретический объём продуктов горения, м 3 ;
Р – давление газа, Па;
Р 0 – исходное (атмосферное) давление, Па;
Т – температура вещества, К;
Q – количество теплоты, Дж;
V i – объём i-того газообразного вещества, м 3 , кмоль;
α - коэффициент избытка воздуха;
m – масса вещества, кг;
М – масса одного кмоля вещества, кг/кмоль;
Q н – низшая теплота сгорания вещества, кДж/моль, кДж/кг;
Н i – энтальпия i-го вещества, кДж/моль, кДж/м 3 ;
Т г – температура горения, К;
срi – теплоёмкость i-го газа при постоянном давлении, кДж/моль*К; кДж/ м3 ;
η – коэффициент теплопотерь.
Таблица I
Основные физические константы некоторых газов
1 МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ Академия Государственной противопожарной службы А.С.Андросов, Е.П. Салеев ПРИМЕРЫ И ЗАДАЧИ по курсу ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Москва 5
2 МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ Академия Государственной противопожарной службы А.С.Андросов, Е.П. Салеев ПРИМЕРЫ И ЗАДАЧИ по курсу ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Учебное пособие Допущено Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий в качестве учебного пособия для высших образовательных учреждений МЧС России Москва 5
3 УДК ББК А ISB N Андросов А.С., Салеев Е.П. Примеры и задачи по курсу. Теория горения и взрыва. Учебное пособие. - М.: Аrfltvbz ГПС МЧС России, с. Рецензенты: кафедра общей и специальной химии Академии ГПС МЧС России, кафедра пожарной техники и службы Академии ГПС МЧС России. Примеры и задачи по курсу Теория горения и взрыва составлены на основании многолетнего опыта преподавания дисциплины в Академии ГПС МЧС России с таким расчетом, чтобы они могли служить пособием при курсовом проектировании. В целях обеспечения методического единства с теоретической частью курса в начале каждой главы приведены примеры решения задач, а также основные расчетные формулы. В приложении приведены таблицы значений, наиболее часто используемых при решении задач по данному курсу. Предназначено для курсантов, слушателей и адъюнктов образовательных учреждений МЧС России пожарно-технического профиля. Главы 1, 3 написаны канд. техн. наук доцентом Андросовым А.С., глава 4 канд. техн. наук старшим научным сотрудником Салеевым Е.П. ISB N Академия государственной противопожарной службы МЧС России, 5
4 Оглавление Стр. Глава 1. Материальный и тепловой балансы процессов горения Расчет количества воздуха, необходимого для горения веществ Расчет объема и состава продуктов горения Расчет теплоты сгорания веществ Расчет температуры горения и взрыва Глава. Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) Глава 3. Температурные показатели пожарной опасности Расчет температурных пределов распространения пламени (воспламенения) Расчет температур вспышки и воспламенения Расчет стандартной температуры самовоспламенения. 61 Глава 4. Параметры взрыва парогазовых смесей Расчет максимального давления взрыва Расчет тротилового эквивалента взрыва и безопасного расстояния по действию воздушных ударных волн.. 63 Приложение
5 Глава 1. Материальный и тепловой балансы процессов горения Теоретической базой для расчетов материального и теплового балансов являются фундаментальные законы сохранения вещества и энергии Расчет количества воздуха, необходимого для горения веществ Расчетные формулы Для практических расчетов принимают, что воздух состоит из 1% кислорода и 79 % азота. Таким образом, объемное соотношение азота и кислорода в воздухе составит: φ φ Ο 79 3,76, (1.1) 1 Ν где φ Ν, φ Ο соответственно объемное (% об.) содержание азота и кислорода в окислительной среде. Следовательно, на 1 м 3 (кмоль) кислорода в воздухе приходится 3,76 м 3 (кмоля) азота. Массовое соотношение азота и кислорода в воздухе составляет 3,3 % O и 76,7 % N. Его можно определить, исходя из выражения: φ φ N O M M N O ,9, (1.) 1 3 где M,M O N молекулярные массы соответственно кислорода и азота. Для удобства расчетов горючие вещества разделяют на три типа (табл. 1.1): индивидуальные химические соединения (метан, уксусная кислота и т.п.), вещества сложного состава (древесина, торф, сланцы, нефть и т.п.), смесь газов (генераторный газ и т.д.). 5
6 Т а б л и ц а 1.1 Тип горючего вещества Расчетные формулы Размерность Индивидуальное вещество В (1.3, а) n no + n кмоль м 3 ; N кмоль м 3 Вещество сложного состава Смесь газов Г (no + nn) В nгм г (1.3, б) C S O В,69 + H (1.4) φг O i φo В in (1.5) 1 м 3 кг м 3 кг м 3 кмоль; м 3 кмоль Здесь В теоретическое количество воздуха; n Г, no, nn количество горючего, кислорода и азота, получаемого из уравнения химической реакции горения, кмоль; М Г молекулярная масса горючего; объем 1 кмоля газа при нормальных условиях (,4 м 3); С, Н, S, О массовое содержание соответствующих элементов в составе горючего, %; ϕ Г i концентрация i-го горючего компонента, % об.; ϕ O концентрация кислорода в составе горючего газа, % об.; no i количество кислорода, необходимое для окисления одного кмоля i-го горючего компонента, кмоль. Для определения объема воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются уравнением состояния идеальных газов Р T Р T 1 1, (1.6) где Р нормальное давление, Па; Т нормальная температура, К; объем воздуха при нормальных условиях; P 1, 1, Т 1 - соответственно давление, объем и температура воздуха, характеризующие заданные условия горения. Практическое количество воздуха В объем воздуха, фактически поступивший в зону горения. Отношение практического объема воздуха к теоретическому называется коэффициентом избытка воздуха α: 1 В α. (1.7) Разность между практическим и теоретическим объемами воздуха называется избытком воздуха В: В В В В. (1.8) 6
7 Из уравнений (1.7) и (1.8) следует, что В В (α-1). (1.9) Если известно содержание кислорода в продуктах горения, то коэффициент избытка воздуха определяется по формуле φ α 1+ O В (1 φ) O, (1.1) где ϕ O концентрация кислорода в продуктах горения, % об.; теоретический объем продуктов горения. Для веществ, у которых объем продуктов горения равен объему израсходованного воздуха (например, углерод), формула (1.1) упрощается: 1 α. (1.11) 1 В случае образования продуктов неполного сгорания (CO, H, CH 4, и др.) формула (1.11) приобретает вид φ O 1 α 1 φ, (1.11, а) О +,5φ,5φ φ СО + Н + СН 4 где φ O, φ со, φ CH, φ 4 H содержание соответствующих веществ в продуктах горения, % об. Если содержание кислорода в окислительной среде отличается от содержания его в воздухе, то формулу (1.1) можно записать в виде: α 1+ и соответственно формулу (1.11) φ O (φ φ) O O O O (1.1) φo α, (1.13) φ φ где φ O исходное содержание кислорода в окислительной среде, % об.; теоретический объем окислительной среды. Часто в пожарно-технических расчетах требуется определить массу воздуха, пошедшего на горение, где ρ в плотность воздуха, кг/м 3. Очевидно, что m в в ρ в, (1.14) 7
8 ρ φ М + φ М PT N N O O В. (1.15) PT 1 После подстановки постоянных значений в формулу (1.15) получим 3 P ρв 3, 47 1, (1.16) T где P атмосферное давление, Па; Т температура воздуха, К. Примеры П р и м е р 1. Определить теоретические массу и объем воздуха, необходимого для горения 1 м 3 метана при нормальных условиях. Р е ш е н и е. Горючее вещество является индивидуальным химическим соединением, поэтому для расчета объема воздуха надо пользоваться формулой (1.3, а). Запишем уравнение химической реакции горения СН 4 в воздухе CH 4 + O + 3,76 N CO + H O + 3,76 N. Из уравнения находим n O ; n 3, 76 7, 5; N n 1 CH, тогда 4 + 7, 5 В 9, 5 м 3 /м 3 или кмоль/кмоль. 1 По формуле (1.14) с учетом уравнения (1.15) рассчитываем массу воздуха,79 8 +,1 3 m В 9,5 9,5 1,8 1, кг/м 3.,4 П р и м е р. Определить теоретический объем воздуха, необходимого для горения 1 кг бензола. Р е ш е н и е. Горючее индивидуальное химическое соединение, поэтому для расчета по формуле (1.3, б) запишем уравнение химической реакции горения C 6 H 6 + 7,5 O + 7,5 3,76 N 6 CO + 3 H O + 7,5 3,76 N, найдем n 1; n 7 5 ; n 7,5 3,76 8,. O, N Молекулярная масса бензола М Объем 1 кмоля газа при нормальных условиях составляет,4 м 3 (7, 5 +,) 8, 4 В 1, 3м 3 /кг
9 П р и м е р 3. Определить объем и массу воздуха, необходимого для горения 1 кг органической массы состава: С 6 %, Н 5 %, О 5 %, N 5 %, W 5 % (влажноcть), если коэффициент избытка воздуха α,5; температура воздуха 35 К, давление 995 Па. Р е ш е н и е. Так как горючее вещество сложного состава, то теоретическое количество воздуха при нормальных условиях определим по формуле (1.4) 6 5 В, 9м 3 /кг. 3 8 Из формулы (1.7) рассчитаем практическое количество воздуха при нормальных условиях α, 5 5, м 3 /кг. В В, Находим количество воздуха, пошедшего на горение вещества при заданных условиях горения. Используя формулу (1.6), получим m 14, В (РТ) 16, 8 м 3 /кг,8 1, (РТ) В ρ В 18, 9 В кг/кг. П р и м е р 4. Определить объем воздуха, необходимого для горения 5 м 3 смеси газов, состоящих из % СН 4 ; 4 % C H ; 1 % CO; 5 % N и 5 % O, если коэффициент избытка воздуха равен 1,8. Р е ш е н и е. Горючее смесь газов, поэтому для расчета объема воздуха, пошедшего на горение, воспользуемся формулой (1.5). Для определения стехиометрических коэффициентов при кислороде no i запишем уравнение реакций горения горючих компонентов в кислороде CH 4 + O CO + H O, C H +,5O CO + H O, CO +,5O CO, +, 5 4 +, тогда В 5, 7м 3 /м 3. 1 Для горения 5 м 3 газовой смеси необходимый теоретический объем воздуха составит В 5 5, 7 8, 5м 3. Практическое количество воздуха: 18, 3, м 3. В, 9
10 П р и м е р 5. Определить коэффициент избытка воздуха при горении уксусной кислоты, если на горение 1 кг поступило 3 м 3 воздуха. Р е ш е н и е. Для определения коэффициента избытка воздуха по формуле (1.7) необходимо рассчитать его теоретическое количество. Молекулярная масса уксусной кислоты 6. CH 3 COOH + O + 3,76 N CO + H O + 3,76N ; (+,) 3 76, 4 В 3, 6 м 3 /кг. 1 6 Тогда коэффициент избытка воздуха по формуле (1.7) равен 3, α, 8. 3, 6 Горение протекало при недостатке воздуха. П р и м е р 6. Определить объем воздуха, пошедшего на окисление 1 м 3 аммиака, если в продуктах горения содержание кислорода составило 18%. Р е ш е н и е. Определяем теоретическое количество воздуха, необходимого для горения 1 м 3 аммиака: тогда NH 3 +,75O +,75 3,76N,5N + 1,5H O +,75 3,76N, 75+, 75 3, 76 В 3, 6 м 3 /м 3. 1 Для определения коэффициента избытка воздуха по формуле (1.1) необходимо рассчитать теоретическое количество продуктов горения 1 м 3 аммиака (1., формула 1.14) 1,5 +,5 +,75 3,76 4,8 м 3 /м 3. 1 Коэффициент избытка воздуха 18 4, 8 α 1+ 9,. 3, 6 1 (18) Объем воздуха, участвующего в процессе горения 1м 3 аммиака, определим из формулы (1.7) 9 3, м 3 /м 3. В, 1
11 П р и м е р 7. Определить объем окислительной среды, состоящей из 6 % O и 4 % N, необходимый для горения 1 кг изопропилового спирта, если ее температура равна 95 К, давление 6, кпа. Р е ш е н и е. Так как окислительная среда отличается по составу от воздуха, определим по формуле (1.1) объемное соотношение кислорода и азота 4:6,67. Уравнение реакции горения изопропилового спирта C 3 H 7 OH + 4,5O + 4,5,67N 3CO + 4H O + 4,5,67N. Теоретический объем окислительной среды при нормальных условиях рассчитаем по формуле (1.3, б). Молекулярная масса горючего равна 6: (4,5 + 4,5,67) 1 6,4 ос,8 м 3 /кг. Объем окислительной среды при заданных условиях горения определим из формулы (1.6) () 4, 9 ос РТ,35 6, 73 м 3 /кг. П р и м е р 8. Определить массу динитротолуола, C 7 H 6 (NO), сгоревшего в герметичном объеме 1 м 3, если содержание кислорода в продуктах горения составило 1 %. Р е ш е н и е. Так как в продуктах горения содержится кислород, то горение протекало в избытке воздуха. Коэффициент избытка определим по формуле (1.1). C 7 H 6 (NO) + 6,5O + 6,5 3,76N 7CO + 3H O + N + 6,5 3,76N. Молекулярная масса горючего 18. Теоретический объем воздуха (6, 5 + 6, 5 3, 76), 4 В 38, м 3 /кг Теоретический объем продуктов горения (формула 1.14) (, 5,) 3 76, 4 4, 4 м 3 /кг, 4 α 1+, 1 (1) Практический объем воздуха, пошедший на горение, 55 38, 9 7 м 3 /кг. В, 11
12 Тогда массу сгоревшего динитротолуола m г определим из соотношения П 1 m Г 1,3 кг. 9,7 В Контрольные задачи 1. Определить массу и объем (теоретический) воздуха, необходимого для горения 1 кг метилового, этилового, пропилового и амилового спиртов. Построить график зависимости объема воздуха от молекулярной массы спирта.. Определить теоретический объем воздуха, необходимого для горения 1 м 3 метана, этана, пропана, бутана и пентана. Построить график зависимости объема воздуха от положения вещества в гомологическом ряду (содержания углерода в молекуле вещества). 3. Определить теоретическую массу воздуха, пошедшего на горение 1 кг метана, метилового спирта, муравьиного альдегида, муравьиной кислоты. Объяснить причину влияния состава вещества на объем воздуха, требуемого для их горения. 4. Определить объем и массу воздуха, пошедшего на горение 1 кг древесины состава: С 47 %, Н 8 %, O 4 %, W 5 %, если коэффициент избытка воздуха равен,8; давление 9 ГПа, температура 85 К. 5. Сколько воздуха, кг, поступило на горение 1 кг углерода, если в продуктах горения содержание кислорода составило 17 %? 6. Сколько воздуха, кг, требуется подать на сжигание м 3 генераторного газа состава: СО 9 %, Н 14 %, СН 4 3 %, СО - 6,5 %, N - 45 %, О -,5 %, если коэффициент избытка воздуха равен,5? 7. Определить количество сгоревшего толуола, кг, в помещении объемом 4 м 3 если после пожара при отсутствии газообмена установлено, что содержание кислорода снизилось до 17 %. 8. Сколько хлора, м 3, поступило на горение 3 м 3 водорода, если в продуктах горения избыток окислителя составил 8 м 3? 9. Определить избыток воздуха в продуктах горения газовой смеси состава: СО 15 %, С 4 H 1 45 % О 3 %, N 1 %, если коэффициент избытка воздуха равен 1,9. 1. Сколько окислительной среды, м 3, состоящей из 5 % кислорода и 5 % азота, необходимо для горения 8 кг этилацетата, если коэффициент избытка равен 1,; температура 65 К, давление 85 ГПа. 11. Определить коэффициент избытка окислительной среды, состоящей из 7 % кислорода и 3 % азота, если при горении серы содержание 1
13 кислорода снизилось до 55 %. Определить количество сгоревшей серы (кг), если объем помещения равен 18 м Сколько антрацита (принять, что содержание углерода равно 1 %) сгорело в помещении объемом 15 м 3, если прекращение горения наступило при снижении кислорода до 13 %. Газообмен не учитывать. 13. Рассчитать массовый и объемный расход воздуха, необходимый для горения газового фонтана дебитом 3 млн. м 3 /сут., состоящего из СН 4 8 %, СО 1 %, H S 5 %, O 5 % при температуре воздуха 7 о С и давлении 15 кпа. Домашнее задание Рассчитать объем и массу окислительной среды, необходимые для горения i-го горючего вещества (табл. 1.). Номер варианта Горючее вещество Химическая формула Кол-во горючего Состав окислительной среды 1 Метиловый спирт CH 3 OH кг Воздух Анилин 3 Смесь газов 4 Нитробензол 5 Сложное вещество C 6 H 7 N CO 45 % N 15 % C 4 H 8 1 % O 3 % 5 кг О 7 % N 3 % Т а б л и ц а 1. Условия горения Т 3 К Р1135 Па α 3 Т 9 К Р 9 Па α,5 3 м 3 Воздух Нормальные α 1,8 C 6 H 5 NO 3 кг Воздух C 65 % O % H 5 % S 1 % Т 8 К Р 98 Па α,5 г Воздух Нормальные α 1,4 6 Этилен C H 4 5 м 3 О 5 % N 75 % 7 Сера О 6 % S кг N 4 % 8 Сложное вещество C 9 % H 3 % N 5 % O % 1 кг Воздух Нормальные α,5 Т 35 К Р1 Па α 1,8 Т 3 К Р 95 Па α 1,5 13
14 Номер варианта 9 Смесь газов Горючее вещество Химическая формула CH 4 15 % C 3 H 8 7 % O 1 % H 5 % П р о д о л ж е н и е т а б л и ц ы 1. Кол-во Состав окислительной Условия горения горючего среды 5 м 3 Воздух Нормальные α 1,9 1 Алюминий Al 15 кг О 4 % N 58 % Нормальные α,8 11 Сплав Mg % Al 8 % 8 кг Воздух Т 65 К Р 9 Па α 1,5 1 Муравьиная кислота CH O 5 кг Воздух Нормальные α 1, 13 Диметиловый эфир (CH 3) O 1 кг Воздух 14 Смесь газов 15 Сложное вещество 16 Глицерин H S 5 % SO 15 % CO 15 % H 3 % O 15 % C 8 % H 8 % W 1 % Т 8 К Р116 Па α 4, 15 м 3 Воздух Нормальные α 1,4,7 кг Воздух C 3 H 8 O 3 1 кг Воздух 17 Ацетилен C H 15 л Cl 18 % N 8 % 18 Смесь газов 19 Этиловый эфир уксусной кислоты Метилэтил кетон 1 Хлорбензол Нитротолуол CH 4 3 % O 8 % N 15 % H 47 % Т 6 К Р11 Па α 1,4 Т 35 К Р113 Па α 1,9 Нормальные α 1,8 3 м 3 Воздух Нормальные α 3, C 4 H 8 O 5 кг Воздух Т 7 К Р 85 Па α 1,5 C 4 H 8 O 5 кг Воздух Нормальные α,5 Т 35 К C 6 H 5 Cl 7 кг Воздух Р 1 Па α,8 C 7 H 7 NO 1 кг О 5 % N 75 % Т 8 К Р 98 Па α 1,4 14
15 Номер варианта 3 Смесь газов Горючее вещество Химическая формула NH 3 5 % C 4 H 1 5 % C 4 H 8 15 % CO 3 % O 5 % Кол-во горючего л О к о н ч а н и е т а б л и ц ы 1. Состав окислительной Условия горения среды Воздух 4 Бутиловый спирт C 4 H 1 O 4 кг Воздух 5 Дибромгексан C 6 H 1 Br 3 кг 6 Сложное вещество 7 Смесь газов C 7 % S 5 % H 5 % O % C 3 H 8 1 % CO 79 % H 5 % O 5 % N 1 % О 65 % N 35 % 15 кг Воздух Нормальные α 1,8 Т 65 К Р1 Па α 1,8 Т 8 К Р 98 Па α 1,7 Т 85 К Р 1 Па α,8 1 м 3 Воздух Нормальные α 3,5 1.. Расчет объема и состава продуктов горения В целях упрощения расчета все горючие вещества разделены на три типа: индивидуальные, сложные, смеси горючих газов (табл. 1.3) Тип горючего вещества Индивидуальное вещество Вещество сложного состава n Расчетные формулы (1.17) nг ni (1.18) n M Г C CO 1,86 1 (1.19) H W H O 11, + 1,4 1 1 (1.) S SO,7 1 (1.1) 1 7C+ 1 H O +,63S +,8 N (1.) N 1 8 Т а б л и ц а 1.3 Размерность м 3 ; кмоль м 3 кмоль м 3 кг м 3 ; кмоль кг кг 15
16 Тип горючего вещества Смесь газов i Расчетные формулы i 1 ni φ н ii + φнгi. 1 nг (1.3) Размерность м 3 ; кмоль м 3 кмоль Здесь теоретический объем продуктов горения; n НГi количество i-го продукта горения в уравнении реакции, кмоль; n Г количество горючего, кмоль; объем 1 кмоля газа; М молекулярная масса горючего; НГi объем i-го продукта реакции; C, H, S, O, N, W cодержание соответствующих элементов (углерода, водорода, серы, кислорода, и азота) и влаги в горючем веществе, % вес; ϕ Гi содержание i-го горючего компонента в газовой смеси, % об.; ϕ НГi содержание i-го негорючего компонента в составе газовой смеси, % об. Практический (полный) объем продуктов горения состоит из теоретического объема продуктов горения и избытка воздуха или + (α 1) + Δ (1.4) В В. (1.5) Состав продуктов горения, т.е. содержание i-го компонента определяется по формуле φ i 1, (1.6) i i где ϕ i содержание i-го компонента в продуктах горения, % об.; i объем i-го компонента, м 3, кмоль; Σ i полный объем продуктов горения, м 3, кмоль. При горении в избытке воздуха в продуктах горения содержится кислород и азот O,1ΔВ; (1.7) N + 79, (1.8) N, В где N теоретический объем азота в продуктах горения, м 3, кмоль, 79. (1.9) N В 16
17 Примеры П р и м е р 1. Какое количество продуктов горения выделится при сгорании 1 м 3 ацетилена в воздухе, если температура горения составила 145 К. Р е ш е н и е. Горючее индивидуальное химическое соединение (формула 1.17). Запишем уравнение химической реакции горения C H +,5O +,5 3,76N CO + H O +,5 3,76N Объем продуктов горения при нормальных условиях + 1+,5 3,76 1,4м/м 3. 1 Объем продуктов горения при 145 K 1,4 145 (РТ) 65, 9 м 3 /м П р и м е р. Определить объем продуктов горения при сгорании 1 кг фенола, если температура горения 1 К, давление 95 Па, коэффициент избытка воздуха 1,5. Р е ш е н и е. Горючее индивидуальное химическое соединение (формула 1.18). Запишем уравнение химической реакции горения C 6 H 5 OH + 7O + 7 3,76N 6CO + 3H O + 7 3,76N. Молекулярная масса горючего 98. Теоретический объем продуктов горения при нормальных условиях () 3,76,4 8,1 м 3 /кг Практический объем воздуха при нормальных условиях (1.5) (,76)(1,5 1) 8,1 +,4 11,9 м 3 /кг Объем продуктов горения при заданных условиях 11, (РТ) 55, 9 м 3 /кг П р и м е р 3. Определить объем продуктов горения при сгорании 1 кг органической массы состава: С 55 %, O 13 %, Н 5 %, S 7 %, N 3 %, W 17 %, если температура горения 117 К, коэффициент избытка воздуха 1,3. 17
18 Р е ш е н и е. Горючее вещество сложного состава (формулы). Теоретический состав продуктов горения при нормальных условиях 55 CO 1,86 1. м 3 /кг; H O 11, + 1,4,6 +,8 м 3 /кг; SO,7,5 м 3 /кг; N ,63+,8 3 4,7 м 3 /кг. 1 8 Полный теоретический объем продуктов горения при нормальных условиях 1+,8 +,5 + 4,7 6,55 м 3 /кг. Практический объем продуктов горения при нормальных условиях,55+, (1,3 1) 6,55+ 1,8 8, 35 м 3 /кг. 3 8 Практический объем продуктов горения при температуре горения 8, (РТ) 35, 8 м 3 /кг. 73 П р и м е р 4. Рассчитать объем продуктов горения при cгорании 1 м 3 газовой смеси, состоящей из С 3 Н 6 7 %, С 3 Н 8 1 %, СО 5 %, 15 %, если температура горения 13 К, коэффициент избытка воздуха,8. Температура окружающей среды 98 К. Р е ш е н и е. Горючее - смесь газов (формула 1.3) C 3 H 6 + 4,5O + 4,5 3,76N 3CO + 3H O + 4,5 3,76N, C 3 H 8 + 5O + 5 3,76N 3CO + 4H O + 5 3,76N. Объем продуктов горения определим по формуле (1.3) 1 CO (), 45 м 3 /м 3 ; 1 1 Н O (), 4 м 3 /м 3. 1 Так как газовая смесь содержит в составе кислород, он будет окислять часть горючих компонентов, следовательно, понизится расход воздуха (формула 1.5). 18
19 В этом случае теоретический объем азота удобнее определять по формуле (1.9) 4, N,79 13, м 3 /м 3. 1 Теоретический объем продуктов горения,45 +,4 + 13, 18,5 м 3 /м 3. Практический объем продуктов горения (формулы 1.4, 1.5) 4,5 + (,8 1) 4, 5 м 3 /м 3. 1 Объем продуктов горения при температуре 13 К 4,5 13 (РТ) 183,4 м 3 /м П р и м е р 5. Определить состав продуктов горения метилэтилкетона. Р е ш е н и е. При такой постановке задачи рациональнее определять непосредственно из уравнения горения объем продуктов в кмолях, выделившихся при сгорании 1 кмоля горючего CH 3 COC H 5 + 5,5O + 5,5 3,76N 4CO + 4H O + 5,5 3,76N, CO 4 кмоля; 4 Н О кмоля; N, 7 кмоля; 7 i 8, кмоля. По формуле (1.6) находим состав продуктов горения 4 1 ϕ H 14 O ϕco %, ϕ N 1 () 7 %. 8,7 П р и м е р 6. Определить объем и состав (% об.) продуктов горения 1 кг минерального масла состава: С 85 %, H 15 %, если температура горения 145 К, коэффициент избытка воздуха 1,9. Р е ш е н и е. По формулам () определим объем продуктов горения 85 CO 1,86 1,6 м 3 /кг; 1 15 H O 11, 1,7 м 3 /кг; 1 1 N () 9, 1 м 3 /кг. 1 Теоретический объем продуктов горения при нормальных условиях 19
20 1,6 + 1,7 + 9,1 1,4 м 3 /кг. Практический объем продуктов горения при нормальных условиях (формула 1.5) 85 1,4 +, (1,9 1) 1,4 + 1,5, 9 м 3 /кг. 3 Объем продуктов горения при температуре 145 К,9 145 (РТ) 11,7 м 3 /кг. 73 Очевидно, что состав продуктов горения не зависит от температуры горения, поэтому целесообразно определять его при нормальных условиях. По формулам (1.6, 1.8) 1,6 1,1 1,5 1 ϕ CO 7,1 %; ϕ 9, 4 O %;,9,9 (9,1 +,79 1,5) 1 1,7 1 ϕ N 76, %; ϕ 7, 3 H O,9 %.,9 П р и м е р 7. Определить количество сгоревшего ацетона, кг, если объем выделившейся двуокиси углерода, приведенный к нормальным условиям, составил 5 м 3. Р е ш е н и е. Запишем уравнение реакции горения ацетона в воздухе CH 3 COCH 3 + 4O + 4 3,76N 3CO + 3H O + 4 3,76N. Из уравнения следует, что при горении из 58 кг (молекулярная масса ацетона) выделяется 3,4 м 3 двуокиси углерода. Тогда для образования 5 м 3 двуокиси углерода должно вступить в реакцию m Г горючего 5 58 m Г 43, кг. 3,4 П р и м е р 8. Определить количество сгоревшей органической массы состава: С 58 %, O %, Н 8 %, N %, W 1 % в помещении объемом 35 м 3, если содержание двуокиси углерода составило 5 %. Р е ш е н и е. Определим объем выделившейся двуокиси углерода Выд 35,5 17,5 м 3. CO По формуле (1.19) для вещества сложного состава определим объем СО, выделяющийся при горении 1 кг горючего, 58 CO 1,86 1,1 м 3 /кг. 1
21 Определим количество сгоревшего вещества 17,5 m Г 15,9 кг. 1,1 П р и м е р 9. Определить время, когда содержание двуокиси углерода в помещении объемом 48 м 3 в результате горения древесины (С 45 %, Н 5 %, O 4 %, W 8 %) составило 8 %, если удельная массовая скорость выгорания древесины,8 кг/(м с), а поверхность горения 38 м. При решении газообмен с окружающей средой не учитывать, разбавлением в результате выделения продуктов горения пренебречь. Р е ш е н и е. Поскольку не учитывается разбавление продуктами горения, определяем объем выделявшейся в результате горения двуокиси углерода, соответствующий 8 % ее содержания в атмосфере 8 48 CO 38,4 м 3 1 из выражения (1.19) определим, сколько должно сгореть горючего материала, чтобы выделился данный объем двуокиси углерода 38,4 m Г 46 кг. 1,86,45 Время горения определим, исходя из соотношения m τ, υ Г F m где τ время горения; m Г масса выгоревшей древесины, кг; υ m массовая скорость выгорания древесины, кг/(м c); F поверхность горения, м; 46 τ 151 с,5 мин.,8 38 Контрольные задачи 1. Определить объем и состав (% об.) продуктов горения 1 м 3 этилена, пропилена, бутилена, если температура горения 18 К, давление 98 Па. Построить график зависимости объема продуктов горения и содержания отдельных компонентов от молекулярной массы горючего.. Определить объем продуктов горения и содержание паров воды и кислорода при горении 1 кг гексана, гептана, октана, декана, если температура горения 13 К, давление ГПа, коэффициент избытка 1
22 воздуха при горении 1,8. Построить график зависимости объема продуктов горения и содержания кислорода от молекулярной массы горючего. 3. Определить объем и состав продуктов горения 1 кг древесины состава C 49 %, H 6 %, O 44 %, N 1 %, если температура горения 15 К, коэффициент избытка воздуха 1,6. 4. Сколько продуктов горения, приведенных к нормальным условиям, образуется в результате сгорания 5 м 3 газовой смеси состава Н 45 %, C 4 H 1 %, CO 5 %, NH 3 15 %, O 15 %, если горение протекало при коэффициенте избытка воздуха, равном 3,? 5. Определить, сколько сырой нефти состава: С 85 %, H 1 %, S 5 % выгорело в объеме 5 м 3, если содержание сернистого газа составило,5 м 3. Рассчитать, при каком содержании кислорода наступило прекращение горения. 6. Через какое время содержание СО в помещении объемом 3 м 3 в результате горения гексанола с поверхности 8 м составит 7 %? Массовая скорость выгорания гексана,6 кг/(м с). 7. Определить содержание SO (% об.) в объеме 1 м 3 на,5 м и 4 мин горения нефти состава: C 8 %, H 8 %, S 1 %, если ее скорость выгорания с площади 5 м составила,4 кг/(м с). Построить график зависимости содержания сернистого газа от времени горения. 8. Определить объем выделившихся на 5-й мин после воспламенения продуктов горения газовой смеси состава: С H 3 %, H %, O 15 %, H S 18 %, CO 15 % и содержание двуокиси углерода, если коэффициент избытка воздуха 1,5, температура горения 13 К. Расход газа 5 м 3 /с, температура газа 95 К. Домашнее задание Рассчитать объем образующихся продуктов, м 3, и содержание в них азота (% об.) при горении i-го вещества (табл. 1.4). Т а б л и ц а 1.4 Номер варианта Горючее вещество Химическая формула Кол-во горючего Состав окислительной среды 1 Диэтиловый спирт (C H 5) O 1 кг Воздух Уксусная кислота C H 4 O 5 кг «3 Сплав Mg % Al 8 % 1 кг «Условия горения Т г 15 К Р114 Па α,5 Т г 1 К Р 98 Па α,6 Т г 8 К P 95 Па α 1,6
23 П р о д о л ж е н и е т а б л. 1.4 Номер варианта 4 Смесь газов Горючее вещество Химическая формула CH 4 % C 3 H 8 65 % O 15 % Кол-во горючего Состав окислительной среды 1 м 3 «5 Октиловый спирт C 8 H 18 O 1 кг «6 Сложное вещество 7 Смесь газов 8 Анилин C 9 % H 5 % O 5 % NH 3 1 % C 4 H 1 8 % N 7 % O 3 % 1 кг «1 м 3 «C 6 H 7 N 1 кг «9 Диэтиловый эфир (C H 5) O 5 кг «1 Смесь газов 11 Нитробензол 1 Сложное вещество 13 Смесь газов CO 7 % C 3 H 8 5 % O 5 % C 6 H 5 NO C 7 % H 6 % O 14 % W 1 % CH 4 6 % CO 3 % H 1 % 14 Диметиловый эфир (CH 3) O 1 кг 15 Глицерин 16 Сложное вещество C 3 H 8 O 3 C 8 % H 1 % O 8 % 1 м 3 О 4 % N 58 % кг Воздух 1 кг «1 м 3 «1 кг O 3 % N 7 % O 7 % N 73 % 1 кг Воздух Условия горения Т г 148 К Р113 Па α,4 Т г 13 К P1 Па α,5 Т г 13 К Р 97 Па α 1,6 Т г 16 К Р113 Па α 1, Т г 155 К Р 94 Па α 1,7 Т г 16 К Р113 Па α 1,4 Т г 14 К Р113 Па α,5 Т г 18 К Р 87 Па α 1,8 Т г 13 К Р 97 Па α 1,3 Т г 15 К Р113 Па α 1, Т г 18 К Р 87 Па α 1,8 Т г 16 К Р113 Па α,1 Т г 135 К Р 99 Па α 1,8 3
24 П р о д о л ж е н и е т а б л. 1.4 Номер варианта 17 Смесь газов Горючее вещество Химическая формула C H 6 6 % C 3 H 8 3 % H 5 % O 5 % Кол-во горючего Состав окислительной среды 1 м 3 - «- 18 Метилэтил кетон C 4 H 8 O 1 кг - «- 19 Сложное вещество Нитротолуол 1 Смесь газов C 6 % H 7 % O - 1% W 1 % 4 кг - «- C 7 H 7 NO кг - «- NH 3 4 % C 3 H 8 4 % H 1 % O 1 % Дибромгексан C 6 H 1 Br 1 кг 1 м 3 - «- О 5 % N 5 % 3 Динитробензол C 6 H 4 (NO) 1 кг Воздух 4 Сероуглерод CS кг - «- 5 Дихлор бензол C 6 H 4 Cl 5 кг - «- 6 Муравьиная кислота 7 Этилацетат C 7 % S 5 % H 5 % O % 1 кг O 8 % N % C 4 H 8 O 1 кг Воздух Условия горения Т г 165 К Р113 Па α,6 Т г 148 К Р 91 Па α 1,7 Т г 11 К Р113 Па α 1,4 Т г 134 К Р1 Па α,6 Т г 18 К Р113 Па α 1,7 Т г 14 К Р 9 Па α,3 Т г 165 К Р 81 Па α 1,1 Т 17 К Р 97 Па α 1,6 Т 13 К Р 99 Па α 1,4 Т 6 К Р 98 Па α,5 Т г 15 К Р1 Па α 1,5 4
25 1.3. Расчет теплоты сгорания веществ Расчетные формулы При расчетах теплового баланса на пожаре определяют, как правило, низшую теплоту сгорания. Количество тепла, выделяющегося при сгорании единицы массы (объема) горючего при газообразном состоянии воды Q Q Q, В H где Q в высшая теплота сгорания; Q н низшая теплота сгорания; Q ис теплота испарения воды, образующейся при сгорании вещества. ис Тип горючего Вещества Индивидуальные вещества Вещества сложного состава (формула Менделеева) Смесь газов Т а б л и ц а 1.5 Расчетные формулы Размерност ь Q (n i H n H) (1.3) кдж/моль Н i i j QН 339,4C + 157H 18,9(O S) 5,1(9H + W) (1.31) 1 Q Н QНφгi (1.3) 1 кдж/кг кдж/моль; кдж/м 3 где H i, H j соответственно теплота образования одного кмоля i-го конечного продукта горения и j-го исходного вещества; n i, n j соответственно количество кмолей i-го продукта реакции и j-го исходного вещества в уравнении реакции горения; С, Н, S, W соответственно содержание, % масс. углерода, водорода, серы и влаги в составе вещества; О сумма кислорода и азота, % веc; Q H i низшая теплота сгорания i-го горючего компонента газовой смеси, кдж/кмоль; ϕ гi содержание i-го горючего компонента в газовой смеси, % об. Расчет теплоты сгорания газовоздушных смесей проводят по формуле СМ 1 Q Н Q Нφ Г, (1.33) 1 СМ где Q Н теплота сгорания газовоздушной смеси, кдж/м 3, кдж/кмоль; Q Н низшая теплота сгорания горючего вещества, кдж/м 3, кдж/кмоль; ϕ г концентрация горючего в смеси с окислителем, % об. 5
26 Удельная скорость (интенсивность) тепловыделения при горении равна q Q Н υ М, (1.34) где q удельная интенсивность тепловыделения квт/м; υ м массовая скорость выгорания, кг/(м c). Скорость тепловыделения при горении теплота пожара равна q Q Н υ М F, (1.35) где q n интенсивность тепловыделения, квт; F площадь горения, м. Примеры П р и м е р 1. Определить низшую теплоту сгорания уксусной кислоты, если теплота ее образования 485,6 кдж/моль. Р е ш е н и е. Для расчета по формуле (1.3) запишем уравнение горения уксусной кислоты в кислороде СH 3 COOH + O CO + H O; (396,9 + 4, 1 485,6) 79, 6 3 Q кдж/моль 79,6 1 кдж/кмоль. Н Для расчета количества тепла, выделяющегося при горении 1 кг горючего, необходимо полученную величину разделить на его молекулярную массу (64) 3 79, 6 1 Q Н 1384 кдж/кг. 64 П р и м е р. Рассчитать низшую теплоту сгорания органической массы состава: С 6 %, H - 8 %, O 8 %, S %. Р е ш е н и е. По формуле Д.И. Менделеева (1.31) () 5, Q Н 339,9 8 кдж/кг. П р и м е р 3. Определить низшую теплоту сгорания газовой смеси, состоящей из СН 4 4 %, С 4 Н 1 %, O 15 %, H S 5 %, NH 3 1 %, CO 1 %. Р е ш е н и е. Для каждого горючего компонента смеси по формуле (1.3) находим теплоту сгорания (табл. 1.6). 6
27 Теплота Уравнение реакции образования горючего, 1-3 кдж/кмоль CH 4 + O CO + H O 75 C 4 H 1 + 6,5O 4CO + 5H O 13,4 Q Н Теплота сгорания, 1-3 кдж/кмоль Т а б л и ц а,9 + 4, 75 86,3 Q 4 396, 13,5 Н 666,1 H S + 1,5O H O + SO 1,1 Q 4, + 97,5 1,1 338,6 Н NH 3 +,75O 1,5H O +,5N 46,1 Q 1,5 4, 46,1 317, Н По формуле (1.3) определим теплоту сгорания газовой смеси Q Н (86, 1) 1 178,5 1, 1 кдж/кмоль. Для определения теплоты сгорания 1 м 3 газовой смеси необходимо полученное значение разделить на объем, занимаемый 1 кмолем газа при стандартных условиях (4,4 м 3): 3 178,5 1 Q Н 5776 кдж/м 3. 4,4 П р и м е р 4. Рассчитать теплоту сгорания 1 м 3 стехиометрической гексано-воздушной смеси. Р е ш е н и е. Находим стехиометрический состав горючей смеси по уравнению реакции горения C 6 H ,5O + 9,5 3,76N 6CO + 7H O + 9,5 3,76N. Весь объем вступивших в реакцию компонентов (1 + 9,5 + 9,5 3,76) принимаем за 1 %, а количество горючего (1 кмоль) будет соответствовать стехиометрической концентрации 1 1 φ Г, %. 1+ 9,5 + 9,5 3,76 Теплоту сгорания 1 м 3 гексана определим по формуле (1.3) Q 6 396, 167, 399,6 кдж/моль, Н 399,6 Н 1 4,4 3 3 Q 1 16, кдж/м 3. 7
28 Объем одного кмоля газа при стандартных условиях равен 4,4 м 3. Теплоту сгорания 1 м 3 стехиометрической гексано-воздушной смеси определим по формуле (1.33) 3 16, 1, Q 355 кдж/м 3. 1 П р и м е р 5. Определить интенсивность тепловыделения на пожаре органической массы (состав в примере), если скорость выгорания,15 кг/(м с), а площадь пожара 15 м. Р е ш е н и е. Согласно формуле (1.35): 3 q 646,5 квт 59,5 МВт. П 1 Контрольные задачи 1. Определить низшую теплоту сгорания 1 м 3 этана, пропана, бутана, пентана и гексана. Построить зависимость Q н от молекулярной массы горючего. Теплота образования горючих веществ: этана 88,4 кдж/моль, пропана 19,4 кдж/моль, бутана 3,4 кдж/моль, пентана 184,4 кдж/моль, гексана 11, кдж/моль.. Рассчитать теплоту сгорания 1 м 3 ацетилено-воздушной смеси на нижнем и верхнем концентрационных пределах воспламенения, а также при стехиометрической концентрации. Концентрационные пределы воспламенения (КПВ) ацетилена равны,-81, %. П р и м е ч а н и е. Построить график зависимости низшей теплоты сгорания от концентрации горючего в воздухе. При расчете теплоты сгорания смеси на ВКПВ необходимо учесть, что только часть горючего способна полностью окислиться в воздухе, остальное количество горючего не вступит в реакцию горения вследствие недостатка окислителя. 3. Определить низшую теплоту сгорания 1 кг древесины состава С 49 %, Н 8 %, O 43 %. Какова удельная интенсивность тепловыделения на пожаре, если массовая скорость выгорания составляет,1 кг/(м с)? 4. Для условия предыдущей задачи определить изменение теплоты сгорания и удельной интенсивности тепловыделения при содержании влаги в древесине (сверх 1 %) в количестве 3, 5, 1 и 15 %. Скорость выгорания влажной древесины соответственно снизится до,9,8,6 и,5 кг/(м c). Построить график зависимости Q н и q от содержания влаги в горючем материале. П р и м е ч а н и е. Для решения задачи необходимо пересчитать состав древесины о учетом влаги таким образом, чтобы содержание всех компонентов равнялось 1%. 8
29 5. Определить интенсивность тепловыделения, квт, при горении газовой смеси состава: СО 15 %, С 4 H 8 4 %, O %, Н 14 %, CO 11 %, если скорость истечении,8 м 3 /с Расчет температуры горения и взрыва Температура горения температура продуктов горения в зоне химической реакции. Это максимальная температура зоны пламени. Температура горения и взрыва определяется из уравнения теплового баланса Q Н n C i 1 p (v) i (TГ T) При этом адиабатическая температура горения а действительная температура горения. (1.36) * QН TГ T +, (1.37) C T Г T + pi Q C pi, (1.38) * где T Г и T Г соответственно адиабатическая и действительная температуры горения; T - начальная температура; i объем i-го продукта горения; Q Н - низшая теплота горения вещества; Q теплота, пошедшая на нагрев продуктов горения; С i теплоемкость i-го продукта горения при постоянном объеме. При этом Q Q Н (1 - η), (1.39) где η доля теплопотерь в результате излучения энергии, химического и механического недожога. Расчет температуры горения по формуле (1.37) или (1.38) может быть проведен только методом последовательных приближений, поскольку теплоемкость газов зависит от температуры горения (табл. 1.7) 9
30 Определяемые параметры п/п 1 Объем и состав продуктов горения Низшая теплота сгорания или количество тепла, пошедшего на нагрев продуктов горения (при наличии теплопотерь) 3 Среднее значение энтальпии продуктов горения 4 Температура горения T 1 по средней энтальпии с помощью табл.1а или 1б, ориентируясь на азот (наибольшее содержание в продуктах горения) 5 Теплосодержание продуктов горения с температурой Т 1 (табл. 1а, 1б прил.) 6 Если Q < Q Н (), то T > T 1 (в i (1.) кмоль/кмоль, м 3 /кг Q или Q Н (1.3) кдж/кмоль, кдж/кг Примечание Т а б л и ц а 1.7 QН () HCP (1.4) i 1 Q Hi i (1.41) H i - энтальпия i-го продукта горения; i - / объем i-го продукта горения том случае, если Q > QН (), то T < T 1) 7 Q по формуле (1.41) 8 Расчет проводим до получения неравенства Q < QН () < Q 9 Температура горения (Н())(1) T Q Q T T T Г 1 + (1.4) Q Q Температура взрыва, протекающего в изохорно-адиабатическом режиме (при постоянном объеме) рассчитывается по уравнению теплового баланса (1.36) по методике, приведенной в табл Отличие заключается в том, что при расчетах вместо средней энтальпии продуктов горения и их теплосодержания (пп. 3-7) используется значение внутренней энергии газов (табл. приложения). Внутренняя энергия газов U C v T, где С v теплоемкость при постоянном объеме, кдж/(моль К), кдж/(м 3 К). Действительная температура горения на пожаре для большинства газообразных, жидких и твердых веществ изменяется в достаточно узких пределах (13-18 К). В связи с этим расчетная оценка действительной температуры горения может быть значительно упрощена, если теплоемкость продуктов горения выбирать при температуре 15 К: 3
31 Qн TГ T +, (1.43) * С * где C Pi теплоемкость i-го продукта горения при 15 К (табл. 1.8). Вещество кдж/(м 3 К) Pi i Теплоемкость Т а б л и ц а 1.8 кдж/(моль К) CO,7 5, SO,8 51,7 1-3 H O (пар) 1,78 39, N 1,4 31, Воздух 1,44 3,6 1-3 Примеры П р и м е р 1. Определить адиабатическую температуру горения этилового спирта в воздухе. Р е ш е н и е. Расчет проводим по схеме, приведенной в табл Так как горючее индивидуальное вещество, для определения объема и состава продуктов горения запишем уравнение химической реакции горения C H 5 OH + 3O + 3 3,76N CO + 3H O + 3 3,76N. Следовательно, продукты горения состоят из: CO моля, H O 3 моля, N 11,8 моля, 16,8 моля.. Низшую теплоту сгорания определим по формуле (1.3). Из табл.3 приложения находим теплоту образования горючего - 78, кдж/моль Q Н 396, - 78, 14, кдж/моль. 3. Средняя энтальпия продуктов горения 14, H ср 76,3 кдж/моль. 16,8 4. Так как H ср выражена в кдж/моль, по табл. 1а приложения выбираем, ориентируясь на азот, первую приближенную температуру горения Т 1 1 o С. 5. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 1 о С по формуле (1.41) Q 114,7 + 93,4 11,8 133,7 кдж/моль. 31
32 6. Сравниваем Q Н и Q, так как Q > QН, выбираем температуру горения равной о С. 7. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при о С: Q 18,6 + 88,1,8 11,8 135 кдж/моль. 8. Так как Q < Q < Q, определим температуру горения по формуле (1.4) Н (14, 135)(1) T + 1 о С. 133,7 135 Г П р и м е р. Определить адиабатическую температуру горения органической массы, состоящей из С 6 %, Н 7 %, О 5 %, W 8 %. Р е ш е н и е. 1. Так как горючее представляет собой сложное вещество, состав продуктов горения рассчитываем по формулам () 6 CO 1,86 1,1 м /кг; 1,4, 88 H O 11, 1 + м 3 /кг; N ,1 м 3 /кг. 1 8 Общий объем продуктов горения равен 7, 1 м3 /кг.. Определим низшую теплоту cгорания вещества по формуле Д.И. Менделеева (1.31) Q Н 339,9 5-5,1() 3958,4 кдж/кг. 3. Определим среднюю энтальпию продуктов горения 3958,4 H CP 3417,7 кдж/м 3. 7,1 4. Так как величина энтальпии рассчитана в кдж/м 3, первую приближенную температуру выбираем по табл. 1б приложения. Ориентируясь на азот, принимаем Т 1 1 о С. 5. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 1 о С по формуле (1.41) Q 5118, 1,1,9 5,1 5144,5 кдж/кг 6. Из сравнения Q Н и Q Q Н > Q выбираем вторую приближенную температуру, равную 19 о С. 7. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 19 С 3
33 Q 4579,7 1,5, 5,1 498,8 кдж/кг. 8. Так как Q < QН < Q, определим температуру горения (3958,4 498,8)(1 19) T Г о С,8 П р и м е р 3. Рассчитать действительную температуру горения фенола (H обр 4, кдж/моль), если потери тепла излучением составили 5 % от Q н, а коэффициент избытка воздуха при горении,. Р е ш е н и е. 1. Определим состав продуктов горения: C 6 H 5 OH + 7O + 7 3,76N 6CO + 3H O + 7 3,76N, 6 моль; 3 моля; 6, 3 моля, CO H O (,76)(, 1) 39, 98 N В моля, 75, 3 моля.. Определим низшую теплоту сгорания фенола (формула 1.3): Q Н 7 396, - 1 4, 35,7 кдж/моль, так как по условию задачи 5 % тепла теряется, определим количество тепла, пошедшее на нагрев продуктов горения (теплосодержание продуктов горения при температуре горения) (формула 1.39) Q 35,7(1 -,5) 65,5 кдж/моль. По формуле (1.43) определим действительную температуру горения 65,5 Т Г К. 3 1 (5,81 6,3+ 3,6 39,98) П р и м е р 4. Рассчитать температуру взрыва метановоздушной смеси стехиометрического состава. Р е ш е н и е. Расчет проводим по схеме, представленной в табл Объем и состав продуктов горения СН 4 + О + 3,76N СО + Н О + 3,76N. Продукты горения: CO 1 кмоль/кмоль, H O моль/моль, N 3,76 7,5 кмоль/кмоль.. Низшая теплота сгорания: Q Н 1 396,6 + 4, кдж/моль. 3. Средняя внутренняя энергия продуктов горения QН 86 U ср 76,8 кдж/моль. 1,5 33
34 4. По табл. приложения принимаем первую приближенную температуру взрыва (по азоту) Т 1 7 о С. 5. Рассчитываем внутреннюю энергию продуктов горения при Т 1: U 1 пгi U i 1 18,9 + 1,4 + 7,5 7, 86, кдж/моль. 6. Сравнение значение Q Н и U 1 показывает, что Т 1 завышена. 7. Выбираем Т 5 о С. U 1 118,3 + 94,3 + 7,5 64,3 789, кдж/моль. 8. Так как U 1 > Q Н > U Т взр, (7 5) 54 о С. 86, 789, Контрольные задачи 1. Определить, как изменяется адиабатическая температура горения в гомологическом ряду предельных углеводородов (на примере метана, пропана, пентана и гептана). Построить график зависимости температуры горения от молекулярной массы горючего вещества.. Определить, как изменяется адиабатическая температура горения древесины состава: C 49 %, H 8 %, O 43 %, если содержание влаги (сверх 1 %) cоставляет, 5, 15 %. Построить график зависимости температуры горения от влажности горючего. П р и м е ч а н и е. При решении задачи необходимо состав древесины пересчитать так, чтобы количество всех компонентов (в том числе и воды) составляло 1 %. 3. Определить, как изменится адиабатическая температура горения бензола в воздухе и окислительной среде, содержащей 5, 3, и 4% кислорода. Построить график зависимости температуры горения от содержания кислорода. 4. Рассчитать действительную температуру горения газовой смеси, состоящей из 45 % H, 3 % C 3 H 8, 15 % O, 1 % N, если потери тепла составили 3 % от Q Н, а коэффициент избытка воздуха при горении равен 1,8. 5. Определить количество сгоревшего антрацита (С 1 %) в помещении объемом 18 м 3, если среднеобъемная температура возросла с 35 до 65 К. 6. Рассчитать действительную температуру горения бутановоздушной смеси стехиометрической концентрации на нижнем концентрационном пределе воспламенения (1,9 % бутана и 98,1 % воздуха), если потери тепла излучением составили % от низшей теплоты сгорания. 34
35 7. Определить, как изменится температура горения ацетилена при разбавлении его азотом в количестве 1, 3 %, если потери тепла излучением составляют 5 % от низшей теплоты сгорания, коэффициент избытка воздуха 1,. Построить график зависимости температуры от содержания азота в ацетилене. 8. Определить время горения толуола, при котором температура в помещении объемом 4 м 3 повысится с 95 до 375 К, если скорость его выгорания,15 кг/(м с), а площадь пожара 5 м. При расчете пренебречь приращением объема продуктов горения над расходуемым воздухом. Домашнее задание Рассчитать температуру горения i-го вещества (табл. 1.9). Номер варианта Горючее вещество Химическая формула Состав окислительной среды 1 Смесь газов CO 4 %, C 3 H 8 5 %, CO 1 % Воздух Т а б л и ц а 1.9 Условия горения α 1,4 η,5 Вещество C 8 %, H 5 %, α 1,6 сложного состава S 6 %, W 9 % - «- η,3 3 Пропионовая кислота C 3 H 6 O O 5 %, N 75 % α 1,3 η,4 4 Глицерин C 3 H 8 O 3 Воздух α 1, η,35 5 Уксуснобутиловый эфир C 6 H 1 O - «- α 1,4 η,15 6 Этилбензол C 8 H 1 - «- α 1,5 η, 7 Вещество сложного состава C 8 %, H 8 %, O 5 %, W 5 % - «- α 1, η,35 8 Смесь газов CO 6 %, H 4 % - «- α 1,8 η,4 9 Аммиак NH 3 - «- α 1, η, 1 Гексан C 6 H 14 - «- α 1,4 η,15 11 Нитроэтан C H 5 NO - «- α 1,5 η, 1 Гексиловый спирт C 6 H 14 O Воздух α, η,1 35
36 Номер варианта О к о н ч а н и е т а б л. 1.9 Горючее вещество Химическая формула Состав окислительной среды Условия горения C 75 %, H 8 %, - «- α 1, сложного состава C 1 %, W 5 % η,4 14 Вещество 15 Смесь газов CH 4 7 %, NH 3 %, O 1 % 16 Муравьиная кислота 17 Вещество сложного состава 18 Вещество сложного состава CH O O 5 %, N 75 % C 56 %, H 14 %, O %, W 1 % C 78 %, H 1 %, O 1 % 19 Смесь газов CO 75 %, CH 4 5 % Смесь газов C 3 H 8 7 %, C 4 H 1 %, O 1 % C 85 %, H 1 %, O 5 % 1 Вещество сложного состава Смесь газов C H 6 75 %, CH 4 %, O 5 % 3 Вещество сложного состава C 7 %, H 16 %, O 14 % 4 Смесь газов CO 5 %, CH 4 3 %, CO % 5 Вещество сложного состава C 77 %, H 13 %, N 4 %, O 6 % - «- α 1,8 η, α, η,3 Воздух α 1, η,4 - «- α 1,6 η,15 - «- α 1,9 η, - «- α 1,8 η, - «- α 1,4 η,3 - «- α 1,7 η, - «- α 1, η,35 - «- α 1,9 η,15 - «- α 1, η,45 6 Этилен C H 4 O 3 % N 7 % α 1,5 η,4 7 Амиловый спирт C 5 H 1 O Воздух α, η,15 36
37 Глава. Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени минимальная (максимальная) концентрация горючего в окислителе, способная воспламениться от высокоэнергетического источника с последующим распространением горения на всю смесь. Расчетные формулы Нижний концентрационный предел воспламенения ϕ Н определяют по предельной теплоте сгорания. Установлено, что 1 м 3 различных газовоздушных смесей на НКПВ выделяет при горении постоянное среднее количество тепла 183 кдж, называемое предельной теплотой горения. Следовательно, φ Q 1 ПР Н, (.1) QН если принять среднее значение Q ПР равным 183 кдж/м 3, то ϕ Н будет равно φ Н Q где Q Н низшая теплота сгорания горючего вещества, кдж/м 3. Нижний и верхний КПВ могут быть определены по аппроксимационной формуле Н ϕ () 1 Н В, (.) an + b где n cтехиометрический коэффициент при кислороде в уравнении химической реакции; a и b эмпирические константы, значения которых приведены в табл..1. Т а б л и ц а.1 Концентрационные пределы Значения коэффициентов воспламенения a b Нижний 8,684 4,679 Верхний n 7,5 1,55,56 n > 7,5,768 6,554 37
38 Концентрационные пределы воспламенения паров жидких и твердых веществ могут быть рассчитаны, если известны температурные пределы φ Н (В) pн(В) 1, (.3) p где p Н(В) давление насыщенного пара вещества при температуре, соответствующей нижнему (верхнему) пределу воспламенения, Па; p - давление окружающей среды, Па. Давление насыщенного пара может быть определено по уравнению Антуана или по табл. 4 приложения B lg P A, (.4) С + t где A, B, C константы Антуана (табл. 1 приложения); t - температура, С (температурные пределы). Для расчета концентрационных пределов воспламенения смесей горючих газов используют правило Ле-Шателье где φ Р 1 н() СМ 1 φ Н(В), (.5) μ i φ Н(В) i В нижний (верхний) КПВ смеси газов, % об.; ϕ н(в)i - Н(В) Р нижний (верхний) предел воспламенения i-го горючего газа %, об.; µ i - мольная доля i-го горючего газа в смеси. Следует иметь при этом в виду, что Σµ i 1, т.е. концентрация горючих компонентов газовой смеси принимается за 1 %. Если известны концентрационные пределы воспламенения при температуре Т 1, то при температуре Т они вычисляются по формулам где НГ φ 1 НГ φ Т Т Т 1 φнг НГ 1 1 Г Т1 Т ВГ φвг 1+ Т Т 1 φ 1 Г Т1 ; (.6), (.7) φ, нижний концентрационный предел воспламенения соответственно при температурах Т и Т 1 ; φ ВГ и 1 φ ВГ верхний концентрационный предел воспламенения соответственно при температурах Т 1 и Т; Т Г температура горения смеси. 38
39 Приближенно при определении НКПВ Т Г принимают 155 К, при определении ВКПВ 11 К. При разбавлении газовоздушной смеси инертными газами (N, СО, Н О пары и т.п.) область воспламенения cужается: верхний предел снижается, а нижний возрастает. Концентрация инертного газа (флегматизатора), при которой нижний и верхний пределы воспламенения смыкаются, называется минимальной флегматизирующей концентрацией ϕ ф. Содержание кислорода в такой системе называют минимальным взрывоопасным содержанием кислорода МВСК О) содержание кислорода ниже МВСК называют безопасным указанных параметров проводят по формулам φ Ф h + + f H f hф hi mi h 1+ h m Ф φ О О без i i (φ. Некоторое φ О без. Расчет 1 ; (.8) 1 φф; (.9) 4,844 φ,φ 4, (.1) 1 O где ΔH f стандартная теплота образования горючего, Дж/моль; h i, h" i, h Ф константы, зависящие от вида химического элемента в молекуле горючего и вида флегматизатора (табл. 11 приложения); m i количество атомов i-го элемента (структурной группы) в молекуле горючего. Расчет этих параметров может поводиться по другой физически более прозрачной методике решением уравнения теплового баланса (1.36) при следующих двух условиях: - в точке флегматизации горючая смесь имеет предельную температуру горения 15 К; - смесь является стехиометрической при окислении углерода до СО, водорода до Н О. Уравнение теплового баланса (1.36) в случае разбавления нейтральным газом представляем в виде: Q Н (Т) Г Т С ni + Cрф nф Рi, (.11) * где Т Г предельная температура горения 15 К; С Pi, С Рф соответственно теплоемкость i -го продукта горения и нейтрального газа (флегматизатора), кдж/(моль К); n i количество молей i-го продукта горения стехиометрической смеси, моль/моль; n ф количество молей нейтрального газа в точке флегматизатора, моль/моль. 39
40 Из (.11) n Q (Т Г Т) СРi С (Т Т) Н ф РФ Г n i (.1) Приняв объем всех компонентов газовоздушной смеси за 1 %, определяется концентрация (% об.) каждого из них n i φi 1 (.13) n + n + n + n Г O N ф Примеры П р и м е р 1. По предельной теплоте сгорания определить нижний концентрационный предел воспламенения бутана в воздухе. Р е ш е н и е. Для расчета по формуле (.1) в табл. 3 приложения находим низшую теплоту сгорания вещества 88,3 кдж/моль. Эту величину надо перевести в другую размерность кдж/м 3: 88, кдж/м 3., 4 По формуле (.1) определим НКПВ φ Н 1,4%. 18,7 13 По табл. 4 приложения находим, что экспериментальное значение ϕ Н 1,9 %. Относительная ошибка расчета, следовательно, составила 1,9 1,4 Н 1 5%. 1,9 П р и м е р. Определить концентрационные пределы воспламенения этилена в воздухе. Р е ш е н и е. Расчет КПВ проводим по аппроксимационной формуле. Определяем значение стехиометрического коэффициента при кислороде Таким образом, n 3, тогда C H 4 + 3O CO + H O. 1 φ Н 3,5 8,679 %; 1 φ 18, 1,55 3,56 3 В + %. Определим относительную ошибку расчета. По табл. 4 приложения экспериментальные значения пределов составляют 3, 3,: 4
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Методические указания к проведению практических занятий
Тема 4 «ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫЕ ПАРО- И ГАЗО- ВОЗДУШНЫЕ СМЕСИ» Занятие 4.2 «Расчет концентрационных пределов воспламенения» (2 часа) Расчетные формулы Нижний концентрационный предел воспламенения (НКПВ) н
ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ В ПРОЦЕССАХ ГОРЕНИЯ 1. СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ ВЕЩЕСТВ По фазовому составу горючие вещества могут быть жидкими, твердыми и газообразными. Теплота сгорания (теплотворная способность) топлива Q
Контрольная работа по дисциплине «Теория горения и взрывов» Вариант 1 (кдж/кг) индивидуального соединения толуола (С 6 Н 5 СН 3). 2. Определить объем воздуха, необходимый для горения 1 кг бензола (ж)
МЧС РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГ О ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ МЧС РОССИИ ХИМИЯ ПРОЦЕССОВ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Практикум
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Техносферная безопасность» А. Ж. Хворенкова ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Сборник задач по направлению
МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ Академия Государственной противопожарной службы И. Р. Бегишев ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ
МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ Академия Государственной противопожарной службы И. Р. Бегишев КУРСОВАЯ
Топливо трубчатых печей. Расчѐт процесса горения топлива Общие сведения о топливе Топливо это органические вещества, сжигаемые с целью получения теплоты. Главными горючими компонентами топлива являются
Ю.С. Бирюлин, В.Н. Михалкин ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ Теплота сгорания имеет важное значение для оценки пожарной опасности веществ, а также является показателем практической
Тема 2 «МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА» Занятие 2.2 «Тепловой баланс процессов горения» 1 Рассматриваемые вопросы: 1. Теплота горения. 2. Температура горения. Литература: 1.
О. В. Архангельская, И. А. Тюльков МГУ им. М. В. Ломоносова Трудная задача? Начнем по порядку Как показывает практика, термохимия один из наиболее трудных для абитуриентов разделов химии. Для решения задач
17. Закономерности химических процессов. Понятие о скорости химической реакции. Факторы, влияющие на изменение скорости химической реакции Скорость химической реакции есть отношение изменения концентрации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Безопасность жизнедеятельности» Н. В. Гущина ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Екатеринбург 11 Федеральное
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Модуль
Теплота сгорания и температура горения топлива Занятие 3 Топлива Топливо источник получения энергии; горючее вещество, вырабатывающее при сгорании значительное количество теплоты Твёрдое топливо: природное
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙCКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Брянский государственный технический университет УТВЕРЖДАЮ Ректор университета О.Н. Федонин 2014 г. ПЕЧИ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ РАСЧЕТ ХАРАКТРИСТИК ГОРЕНИЯ
МЧС РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ Коробейникова Е.Г. ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Методическое пособие по выполнению контрольной работы для слушателей заочной
Тема 5 Определение безопасных условий использования баллонов с горючим газом Цель: приобретение практических навыков проведения технических расчетов для оценки безопасных условий использования баллонов
МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ Академия Государственной противопожарной службы ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
Вариант 1 1 2 3 4 Карбид кальция ацетилен бензол нитробензол анилин 5 6 этилен этанол 3. Какой объем воздуха расходуется на сжигание 25 л метиламина, содержащего 4 % негорючих примесей? Объемная доля кислорода
УДК 64.84.4 И.О. Стоянович, В.С. Саушев, Ле Суан Ты (Россия, Вьетнам) РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВСПЫШКИ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В ЗАКРЫТОМ ТИГЛЕ Показана область применения и определения
Лабораторная работа «Расчѐт режима взрывного превращения топливновоздушной смеси» Алгоритм расчѐта. Порядок проведения расчета определен в соответствии с методикой РД 03-40901 «Методика оценки последствий
1. Массовая доля элемента в веществе. Массовая доля элемента это его содержание в веществе в процентах по массе. Например, в веществе состава С 2 Н 4 содержится 2 атома углерода и 4 атома водорода. Если
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АГРОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Сборник задач и упражнений для выполнения контрольных работ НОВОСИБИРСК 215 1 УДК 544.45 (75.) ББК 24.46,
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ МИНИСТЕРСТВА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 18/16/2 Одобрено кафедрой «Теплотехника и гидравлика на железнодорожном транспорте»
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ) РАСЧЁТ ГРАНИЦ ОПАСНЫХ
Тема 4 Взрывопожаробезопасность на производстве Цель: приобретение практических навыков проведения технических расчетов для оценки взрывопожароопасной и пожарной опасностей промышленных предприятий. План
Место дисциплины в структуре образовательной программы Дисциплина «Теория горения и взрыва» является дисциплиной базовой части. Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями Федерального государственного
ОБЩАЯ, НЕОРГАНИЧЕСКАЯ И ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ Задача 1 Рассчитать количество теплоты, необходимое для нагревания n моль вещества А от температуры 298 К до температуры T при постоянном
Лекция 9 13. 4. 6 г. 7.8. Расчёт константы равновесия через молекулярную статсумму Ζ. 7.9. Расчёт равновесия сложных химических систем. Лекционная задача При Р атм и Т98 К для газовой реакции 1 SO + 5O
Министерство образования и науки Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра «Безопасность жизнедеятельности» 6 (7) Б16 М.Ю. Бабкин, С.И. Боровик ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА Учебное
Тематическое планирование по химии на 2017-2018 учебный год 9 класс Учебник: О.С. ГАБРИЕЛЯН. ХИМИЯ. 8 КЛАСС. М., «ДРОФА», 2007-2012 гг. Содержание учебного материала Сроки Обязательный минимум ВВЕДЕНИЕ.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (СИБСТРИН) Кафедра химии ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И РАВНОВЕСИЕ Индивидуальные задания
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА Тема: «Одноатомные спирты» 1 1. ВСПОМНИТЕ ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПОЛУЧЕНИЕ ОДНО- АТОМНЫХ СПИРТОВ. 2. ВЫПОЛНИТЕ ПРЕДЛОЖЕННЫЕ ТЕСТЫ 22 и 23 (Выбор ВАШ) ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОДНОАТОМНЫХ СПИРТОВ
2.1. Масса атомов и молекул Для измерения масс атомов и молекул в физике и химии принята единая система измерения. Эти величины измеряются в относительных единицах атомных единицах массы. Атомная единица
Тестовые Контролируемые элементы знаний задания 1-2 Классификация органических веществ 3 Функциональные группы основных классов органических соединений 4 Гомологи и их названия 5 Изомеры и их названия
МИНИСТЕРСТО ОБРАЗОАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АЕНТСТО ПО ОБРАЗОАНИЮ ОСУДАРСТЕННОЕ ОБРАЗОАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ЫСШЕО ПРОФЕССИОНАЛЬНОО ОБРАЗОАНИЯ «РОСТОСКИЙ ОСУДАРСТЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИЕРСИТЕТ»
Итоговая (1семестр) контрольная работа, вариант 1 1. Для реакции 2 HCl (г) = H 2 + Cl 2 вычислите:, К р, К с, К Р, 625 если известны следующие данные: H 289 U, Н 625, А, НСl (г) Сl 2(г) Н 2(г) Н обр,
Г.А. Тихановская Л.М. Воропай ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ И ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ Вологда 2014 Министерство образования и науки Российской Федерации Вологодский государственный университет Г.А. Тихановская
Тематическое планирование по химии (экстернат) на 2016-2017 учебный год в 11 классе Учебник: О.С. ГАБРИЕЛЯН. ХИМИЯ. 11 КЛАСС. БАЗОВЫЙ УРОВЕНЬ. М., «ДРОФА», 2007-2015 гг. Полугодия Содержание учебного материала
Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого Факультет
КАЛЕНДАРНО-ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ПО ХИМИИ В 10 КЛАССЕ 2009-2010 УЧЕБНЫЙ ГОД. 2 часа в неделю. Программа для общеобразовательных школ, гимназий, лицеев. Химия 8-11 класс, М.»Дрофа», 2009. Основной учебник:
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого Факультет естественных
ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ РАБОТА по ХИМИИ 10 класс 6 апреля 2011 г. Вариант 1 А1. К органическим веществам относятся а) С 2 Н 2 б) СаСО 3 в) С 2 Н 5 ОН г) СО д) С 2 Н 5 NН 2 1) а, б, г 2) а, в, д 3) б, в, г 4) б,
ЗАДАНИЯ для 2 этапа Олимпиады «Первые шаги в медицину» по химии ФИО КЛАСС ШКОЛА АДРЕС, ТЕЛЕФОН Вариант 1 (60 баллов) ЧАСТЬ 1 (12 балов) При выполнении заданий этой части в бланке ответов 1 под номером
И. А. Громченко Сборник задач по химии для 8 класса Москва Центр образования 109 2009 1. Массовая доля элемента. Расчёты по формулам. 1.1. У какого вещества тяжелее молекула: BaO, P 2 O 5, Fe 2 O 3? 1.2.
Итоговая контрольная работа по химии для 10 класса 2017-2018 учебный год Вариант 1. Часть А. При выполнении заданий этой части (А1-А15) из четырех предложенных вариантов выберите один верный. В бланке
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
ВАРИАНТ 1 1. Два сосуда емкостью 0,2 и 0,1 л разделены подвижным поршнем, не проводящим тепло. Начальная температура газа в сосудах 300 К, давление 1,01 10 5 Па. Меньший сосуд охладили до 273 К, а больший
1. Заряд ядра атома железа равен: 1) +8; 2) +56; 3) +26; 4) +16. Демонстрационный вариант работы на вступительном испытании по химии Часть 1 2. В каком ряду записаны формулы веществ только с ковалентной
Экзаменационные билеты по химии 10 класс Билет 1 1. Основные положения теории химического строения органических веществ А.М. Бутлерова. Химическое строение как порядок соединения и взаимного влияния атомов
Демоверсия работы по химии за курс 0 класса Часть А.. При выполнении задания из предложенного перечня ответов выберите два правильных и запишите цифры, под которыми они указаны. Для этанола верны следующие
С целью упрощения расчёта все горючие вещества разделены на три типа: индивидуальные, сложные, смеси горючих газов (табл. 1.2.1).
Таблица 1.2.1
|
Тип горючего вещества |
Расчетные формулы |
Размерность |
|
Индивидуальное вещество |
|
|
|
Вещество сложного состава |
|
|
|
Смесь газов |
|
|
Здесь
-теоретический
объём продуктов горения;
-количествоi-го
продукта горения в уравнении реакции,
кмоль;
-количество
горючего, кмоль;
-объём
1 кмоля газа;
-молекулярная
масса горючего;
-объёмi-го
продукта реакции; C,
H,
S,
O,
N
–содержание соответствующих элементов
(углерода, водорода, серы, кислорода и
азота) в горючем веществе, % вес;
-содержаниеi-го
горючего компонента в газовой смеси,
%об.;
-
содержаниеi
-го
негорючего компонента в составе газовой
смеси, % об.
Практический (полный) объём продуктов горения состоит из теоретического объёма продуктов горения и избытка воздуха
(1.2.9)
(1.2.10)
Состав продуктов горения, т.е. содержание i-го компонента определяется по формуле
(1.2.11)
где 
- содержаниеI
- го компонента в продуктах сгорания, %
об.;
- объём I
- го компонента, м 3 ,
кмоль;
- полный объём
продуктов горения, м 3 ,
кмоль.
При горении в избытке воздуха в продуктах горения содержится кислород и азот
(1.2.12)
(1.2.13)
где 
-теоретический
объём азота в продуктах горения, м 3 ,
кмоль.
(1.2.14)
Пример 1. Какое количество продуктов горения выделится при сгорании 1м 3 ацетилена в воздухе, если температура горения составила 1450 К.
Горючее-индивидуальное химическое соединение (формула 1.2.1). Запишем уравнение химической реакции горения
C 2 H 2 +
O 2 +
N 2 =2CO 2 +H 2 O+
N 2
Объём продуктов горения при нормальных условиях
м 3 /м 3
Объём продуктов горения при 1450 К
м 3 /м 3
Пример 2. Определить объём продуктов горения при сгорании 1 кг фенола, если температура горения 1200 К, давление 95000 Па, коэффициент избытка воздуха 1,5.
Горючее-индивидуальное химическое соединение(формула 1.2.2). Запишем уравнение химической реакции горения
C 6 H 5 OH+
O 2 +
N 2 =6CO 2 +3H 2 O+
N 2
Молекулярная масса горючего 98.
м 3 /кг
Практический объём воздуха при нормальных условиях
Объём продуктов горения при заданных условиях
м 3 /м 3
Пример 3. Определить объём продуктов горения при сгорании 1 кг органической массы состава: С-55%, О-13%, Н-5%, S-7%, N-3%, W 17%, если температура горения 1170 К, коэффициент избытка воздуха – 1.3.
Горючее вещество сложного состава (формулы 1.2.3 - 1.2.6). Теоретический состав продуктов горения при нормальных условиях
м 3 /кг
м 3 /кг
Полный теоретический объём продуктов горения при нормальных условиях
=1+0,8+0,05+4,7=6,55
м 3 /кг
Практический объём продуктов горения при нормальных условиях
=6,55+0,269
(1,3-1)=6,55+1,8=8,35
м 3 /кг
Практический объём продуктов горения при температуре горения
=
м 3 /кг.
Пример 4. Рассчитать объём продуктов горения при сгорании 1м 3 газовой смеси, состоящей из С 3 Н 6 -70%, С 3 Н 8 -10%, СО 2 -5%, О 2 -15%, если температура горения 1300 К, коэффициент избытка воздуха – 2,8. Температура окружающей среды 293 К.
Горючее - смесь газов (формула 1.2.7).
Объём продуктов горения определяется по формуле (1.2.8)
м 3 /м 3
м 3 /м 3
Так как газовая смесь содержит в составе кислород, он будет окислять часть горючих компонентов, следовательно, понизится расход воздуха (формула 1.1.5).
В этом случае теоретический объём азота удобнее определять по формуле (1.2.14)
м 3 /м 3
Теоретический объём продуктов горения
Практический объём продуктов горения
Объём продуктов горения при температуре 1300 К
м 3 /м 3 .
Пример 5. Определить состав продуктов горения метилэтилкетона.
При такой постановки задачи рационально определить непосредственно из уравнения горения объём продуктов в кмолях, выделившихся при сгорании 1 кмоля горючего
кмоля;
кмоля;
кмоля;
кмоля.
По формуле (1.2.11) находим состав продуктов горения
Пример 6. Определить объём и состав продуктов горения 1 кг минерального масла состава: С-85%, Н-15%, если температура горения 1450 К, коэффициент избытка воздуха – 1,9.
Решение. По формулам (1.2.3 - 1.2.6) определим объём продуктов горения
м 3 /кг
м 3 /кг
м 3 /кг
Теоретический объём продуктов горения при нормальных условиях
Практический объём продуктов горения при нормальных условиях формула (1.2.10)
Объём продуктов горения при температуре 1450 К
м 3 /кг
Очевидно, что состав продуктов горения не зависит от температуры горения, поэтому целесообразно определить его при нормальных условиях. По формулам (1.2.11;1.2.13)
;
;
Пример 7. Определить количество сгоревшего ацетона, кг, если объём выделившийся двуокиси углерода, приведённый к нормальным условиям, составил 50 м 3 .
Запишем уравнение реакции горения ацетона в воздухе
Из уравнения
следует, что при горении из 58 кг
(молекулярная масса ацетона) выделяется
м 3
двуокиси углерода. Тогда для образования
50 м 3
двуокиси углерода должно вступить в
реакцию Мг горючего
кг
Пример 8. Определить количество сгоревшей органической массы состава C-58%, O-22%, H-8%, N-2%, W-10% в помещении объёмом 350 м 3 , если содержание двуокиси углерода составило 5%.
Решение. Определим объём выделившейся двуокиси углерода
м 3 .
По формуле (1.2.6) для вещества сложного состава определим объём СО 2 , выделившейся при горении 1 кг горючего,
м 3 /кг.
Определим количество сгоревшего вещества
кг.
Пример 9. Определить время, когда содержание двуокиси углерода в помещении объёмом 480 м 3 в результате горения древесины (C-45%, H-50%, O-42%, W-8%) составило 8%, если удельная массовая скорость выгорания древесины 0,008 кг/(м 2 с), а поверхность горения 38 м 2 . При решении газообмен с окружающей средой не учитывать, разбавлением в результате выделения продуктов горения пренебречь.
Поскольку не учитывается разбавление продуктов горения, определяем объём выделившейся в результате горения двуокиси углерода, соответствующей 8% её содержания в атмосфере
м 3
Из выражения (1.2.3) определим, сколько должно сгореть горючего материала, чтобы выделился данный объём двуокиси углерода
кг.
Время горения определим, исходя из соотношения
,
где 
- время горения;
Мг - масса выгоревшей древесины, кг;
- массовая скорость
выгорания древесины, кг/(м 2 с);
F - поверхность горения, м 2 ;
мин.
Задание на самостоятельную работу
Задача 3: Определить объем продуктов горения при сгорании 1 кг заданного вещества, если тепература горения... К, давление... мм рт.ст., = ... .
|
Вещество |
Т п.г., К |
Р , мм рт.ст. | ||
|
Амилбензол | ||||
|
Н-Амиловый спирт | ||||
|
Бутилацетат | ||||
|
Бутиловый спирт | ||||
|
Диэтиловый эфир | ||||
|
Уайт-спирит | ||||
|
Этиленгликоль | ||||
|
Трет-Амиловый спирт | ||||
|
Метиловый спирт | ||||
|
Амилметилкетон | ||||
|
Бутилбензол | ||||
|
Бутилвиниловый эфир | ||||
|
Этиловый спирт | ||||
|
Бутиловый спирт | ||||
Задача 4: Определить объем и состав (% об.) продуктов горения, выделившихся при сгорании 1 м 3 горючего газа, если температура горения составила... К, давление... мм рт.ст.
|
Вещество |
Т п.г., К |
Р , мм рт.ст. |
||
|
Ацетилен | ||||
|
Окись углерода | ||||
|
Сероводород | ||||
|
Ацетилен | ||||
|
Окись углерода | ||||
|
Сероводород | ||||
|
Окись углерода | ||||
|
Ацетилен | ||||
|
Ацетилен | ||||
|
Окись углерода | ||||
(1.2.2)
(1.2.3)
(1.2.4)
(1.2.5)
(1.2.7)
(1.2.8)
