Горение пропана в кислороде

Горение пропана в кислороде Кислород

Горение пропана в кислороде

1. Записываем реакцию горения:

С3Н8 О2 = СО2 Н2О

2. В молекуле пропана 3 атома углерода, из них образуется 3 молекулы углекислого газа.

С3Н8 О2 = 3СО2 Н2О

3. Атомов водорода в молекуле пропана 8, из них образуется 4 молекулы воды:

С3Н8 О2 = 3СО22О

4. Подсчитаем число атомов кислорода в правой части уравнения

2×3 4 = 10

5. В левой части уравнения так же должно быть 10 атомов кислорода. Молекула кислорода состоит из двух атомов, следовательно, перед кислородом нужно поставить коэффициент 5.

С3Н82 = 3СО22О

Коэффициенты, стоящие в уравнении реакции, называются стехиометрическими коэффициентамии показывают, сколько молей (кмолей) веществ участвовало в реакции или образовалось в результате реакции.

Стехиометрический коэффициент, показывающий число молей кислорода, необходимое для полного сгорания вещества, обозначается буквой b.

В первой реакции b = 5.

Горение глицерина в кислороде

1. Записываем уравнение реакции горения.

С3Н8О3 О2 = СО2 Н2О

2. Уравниваем углерод и водород:

С3Н8О3 О2 = 3СО22О.

3. В правой части уравнения 10 атомов кислорода.

В составе горючего вещества есть 3 атома кислорода, следовательно, из кислорода в продукты горения перешли 10 – 3 = 7 атомов кислорода.

Таким образом, перед кислородом необходимо поставить коэффициент 7 : 2 = 3,5

С3Н8О3 3,5О2 = 3СО22О.

В этой реакции b = 3,5.

Горение аммиака в кислороде

Аммиак состоит из водорода и азота, следовательно, в продуктах горения будут вода и молекулярный азот.

NH3 0,75O2 = 1,5H2O 0,5N2 b = 0,75.

Обратите внимание, что перед горючим веществом коэффициент 1, а все остальные коэффициенты в уравнении могут быть дробными числами.

Горение сероуглерода в кислороде

Продуктами горения сероуглерода CS2 будут углекислый газ и оксид серы (IV).

CS2 3O2 = CO2 2SO2 b = 3.

Чаще всего в условиях пожара горение протекает не в среде чистого кислорода, а в воздухе. Воздух состоит из азота (78 %), кислорода (21 %), окислов азота, углекислого газа, инертных и других газов (1 %). Для проведения расчетов принимают, что в воздухе содержится 79 % азота и 21 % кислорода. Таким образом, на один объем кислорода приходится 3,76 объемов азота (79:21 = 3,76).

В соответствии с законом Авогадро и соотношение молей этих газов будет 1 : 3,76. Таким образом, можно записать, что молекулярный состав воздуха (О2 3,76N2).

Составление
уравнений реакций
горения
в воздухе
Пример 2.2. Составить уравнение реакции горения в воздухе водорода Н2, анилина С6Н5NH2, пропанола С3Н7ОН, угарного газа СО, хлорметана СН3Сl, диэтилтиоэфира 2Н5)2S, диметилфосфата (СН3)2НРО4.

Составление реакций горения веществ в воздухе аналогично составлению реакций горения в кислороде. Особенность состоит только в том, что азот воздуха при температуре горения ниже 20000С в реакцию горения не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения.

Горение водорода в воздухе

Н2 0,5(О2 3,76N2) = Н2О 0,5×3,76N2 b = 0,5.

Обратите внимание, что стехиометрический коэффициент перед кислородом 0,5 необходимо поставить и в правой части уравнения перед азотом.

Горение пропанола в воздухе

С3Н7ОН 4,5(О2 3,76N2) =3СО22О 4,5×3,76N2

b = 4,5.

В составе горючего есть кислород, поэтому расчет коэффициента b проводят следующим образом: 10 – 1 = 9; 9 : 2 = 4,5.

Горение анилина в воздухе

С6Н52 7,75(О2 3,76N2) =6СО2 3,5Н2О 0,5N2 7,75×3,76N2

b = 7,75.

В этом уравнении азот в правой части уравнения встречается дважды: азот воздуха и азот из горючего вещества.

Горение угарного газа в воздухе

СО 0,5(О2 3,76N2) =СО2 0,5×3,76N2

b = 0,5.

Горение хлорметана в воздухе

СН3Сl 1,5(О2 3,76N2) =СО2 НСl Н2О 1,5×3,76N2

b = 1,5.

Горение диэтилтиоэфира в воздухе

2Н5)2 S 7,5(О2 3,76N2) =4СО22О SO2 7,5×3,76N2

b = 7,5.

Горение диметилфосфата в воздухе

(СН3)2НР О4 3(О2 3,76N2) =2СО2 3,5Н2О 0,5Р2О5 3×3,76N2

b = 3.

В процессах горения исходными веществами являются горючее вещество и окислитель, а конечными — продукты горения.

Расчет молей (киломолей) исходных веществ и продуктов реакции по уравнению реакции горения Пример 2.3. Сколько молей исходных веществ участвовало в реакции и сколько молей продуктов горения образовалось при полном сгорании 1 моля бензойной кислоты С6Н5СООН?

1. Запишем уравнение реакции горения бензойной кислоты.

С6Н5СООН 7,5(О2 3,76N2) =7СО22О 7,5×3,76N2

2. Исходные вещества: 1 моль бензойной кислоты;

7,5 молей кислорода;

7,5×3,76 молей азота.

Газов воздуха всего 7,5×4,76 молей.

Всего (1 7,5×4,76) молей исходных веществ.

3. Продукты горения: 7 молей углекислого газа;

3 моля воды;

7,5×3,76 моля азота.

Всего (7 3 7,5×3,76) молей продуктов горения.

Аналогичные соотношения и в том случае, когда сгорает 1 киломоль бензойной кислоты.

Смеси сложных химических соединений или вещества сложного элементного состава нельзя выразить химической формулой, их состав выражается чаще всего в процентном содержании каждого элемента. К таким веществам можно отнести, например, нефть и нефтепродукты, древесину и многие другие органические вещества.

Date: 2022-07-27; view: 2329; Нарушение авторских прав

§

Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполагает вычисление

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

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

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

Vвпр = Vвтеор DVв (2.1)

и, следовательно, избыток воздуха будет равен

DVв= Vвпр — Vвтеор (2.2)

Обычно в расчетах избыток воздуха при горении учитывается с помощью коэффициента избытка воздуха (a). Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз в зону горения поступило воздуха больше, чем это теоретически необходимо для полного сгорания вещества:

Горение пропана в кислороде (2.3)

Для горючих смесей стехиометрического состава (т.е. состава, соответствующего уравнению реакции горения) коэффициент избытка воздуха a = 1, при этом реальный расход воздуха равен теоретическому. В этом случае обеспечивается оптимальный режим горения.

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

Избыток воздуха имеется только в смеси, бедной по горючему компоненту. Из формул (3.2) и (3.3) следует

DVв= Vвтеор(a -1) (2.4)

В закрытом объеме диффузионное горение большинства горючих материалов возможно только до определенной пороговой концентрации кислорода, так называемой остаточной концентрации кислорода в продуктах горения j (О2)ПГ. Для большинства органических веществ она составляет 12 – 16 % О2. Для некоторых веществ, например, ацетилена С2Н2, ряда металлов, горение возможно и при значительно меньшем содержании кислорода (до 5 % объемных О2).

Зная содержание кислорода в продуктах горения, можно определить коэффициент избытка воздуха (коэффициент участия воздуха в горении) на реальном пожаре:

Горение пропана в кислороде (2.5)

2.1.1. Горючее – индивидуальное химическое соединение

Теоретический объем воздуха, необходимый для горения рассчитывается по уравнению реакции горения.

Расчет теоретического объема воздуха, необходимого для горения индивидуального вещества Пример 2.4. Какой теоретический объем воздуха необходим для полного сгорания 1 кг диэтилового эфира С2Н5ОС2Н5? Температура 100С, давление 1,2 ат

1. Записываем уравнение реакции горения

1 кг х м3

С2Н5ОС2Н5 6(О2 3,76N2) =4СО22О 6×3,76N2

М = 74 кг 6×4,76 × Vм =

=6×4,76×19,35 м3

2. Записываем в уравнении известные и неизвестные величины с указанием размерности.

3. Молярная масса диэтилового эфира 74 кг/кмоль. Записываем эту величину под формулой эфира.

4. При нормальных условиях молярный объем (Vм) любого газообразного вещества составляет 22, 4 л/моль или 22,4 м3/кмоль.

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

Горение пропана в кислороде , где

Р и Т – данные в задаче температура и давление.

Рассчитаем, какой объем занимает 1 кмоль воздуха (как и любого другого газообразного вещества) при данных температуре и давлении.

Горение пропана в кислородем3/кмоль

Горение пропана в кислородеЗаписываем данную величину под формулой воздуха, умножив ее на стехиометрический коэффициент (6×4,76).

5. По уравнению реакции найдем теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания эфира:

Vвтеор = Горение пропана в кислороде7,5 м3

Расчет объема воздуха, необходимого для горения индивидуального вещества Пример 2.5. Какой объем воздуха необходим для полного сгорания 50 кг ацетона СН3СОСН3 при температуре 230С и давлении 95 кПа, если горение протекало с коэффициентом избытка воздуха 1,2?

1. Записываем уравнение реакции горения

50 кг х м3

СН3СОСН3 4(О2 3,76N2) = 3СО22О 4×3,76N2

М = 58 кг 4×4,76 × Vм =

=4×4,76×25,9 м3

2. Рассчитаем, какой объем занимает 1 кмоль воздуха (как и любого другого газообразного вещества) при данных температуре и давлении.

Горение пропана в кислородем3/кмоль

Горение пропана в кислороде3. По уравнению реакции найдем теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания эфира:

Vвтеор = Горение пропана в кислороде м3

4. По условию задачи коэффициент избытка воздуха a = 1,2.

С учетом этого определим практический объем воздуха, необходимый для горения:

Vвпр = Vвтеор × a = 425,1 × 1,2 = 510,1 м3.

2.1.2. Горючее – смесь газов и паров

Природный, попутный нефтяной газ, промышленные газы (доменный, коксовый, генераторный и т.п.) представляют собой смеси газов. Состав газов выражается обычно в объемных процентах (jобъемн, %).

Алгоритм расчета в данном случае следующий: для каждого горючего компонента вычисляется теоретическое количество воздуха с учетом его концентрации в смеси, и полученные концентрации суммируются. Формула для расчета теоретического объема воздуха для сгорания газовой смеси имеет следующий вид:

Vвтеор = Горение пропана в кислороде , м3, (2.6)

где b1, b2, b3 – стехиометрические коэффициенты при воздухе в уравнении реакции горения для каждого горючего компонента газовой смеси;

j1, j2, j3 – концентрации каждого горючего компонента смеси (в объемных %);

j (О2) – процентное содержание кислорода в горючем газе (в объемных %);

VГГ – объем газовой смеси, м3.

Если горение протекает с избытком воздуха, то практический объем воздуха рассчитывают по уже известной формуле:

Vвпр = Vвтеор × a.

Расчет объема воздуха, необходимого для горения газовой смеси Пример 2.6. Определить объем воздуха, необходимого для полного сгорания 10 м3 доменного газа следующего состава (в % объемных): оксид углерода (II) СО – 27 %, водород Н2 – 3 %, углекислый газ СО2 – 13 %, метан СН4 – 1 %, азот N2 – 56 %. Горение протекает при a = 1,3.

1. Определяем стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции горения для каждого горючего компонента газовой смеси. Горючими газами в этой смеси являются угарный газ СО, водород Н2 и метан СН4.

СО 0,5(О2 3,76N2) = СО2 0,5×3,76N2 b1 = 0,5

Н2 0,5(О2 3,76N2) = Н2О 0,5×3,76N2 b2 = 0,5

СН4 2(О2 3,76N2) = СО22О 2×3,76N2 b3 = 2

2. По формуле (3.6) определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной газовой смеси:

Vвтеор = Горение пропана в кислороде = 8,1 м3

3. С учетом коэффициента избытка воздуха реально на сгорание данной газовой смеси будет затрачено воздуха

Vвпр = Vвтеор × a = 8,1 × 1,3 = 10,5 м3.

2.1.3. Горючее – сложное вещество с известным элементным составом

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

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

1 кг х м3

С (О2 3,76N2) = СО2 3,76N2

12 кг 4,76×22,4 м3

Vв(С)теор = х = Горение пропана в кислороде= 8,885 м3 – объем воздуха для сгорания 1 кг углерода.

1 кг х м3

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

1 кг 0,25×4,76×22,4 м3

Vв(Н)теор = х = Горение пропана в кислороде= 26,656 м3 – объем воздуха для сгорания 1 кг водорода.

1 кг х м3

S (О2 3,76N2) = SО2 3,76N2

32 кг 4,76×22,4 м3

Vв(S)теор = х = Горение пропана в кислороде= 3,332 м3 – объем воздуха для сгорания 1 кг серы.

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

Рассчитаем объем воздуха, в котором содержится 1 кг кислорода.

32 кг О2 — 4,76×22,4 м3 воздуха

1 кг — х м3

Vв(О)теор= х = Горение пропана в кислороде= 3,332 м3 – объем воздуха, содержащий 1 кг кислорода.

Сопоставим полученные значения.

Vв(Н)теор : Vв(С)теор : Vв(S)теор :Vв(О)теор =

= 26,665 : 8,885 : 3,332 : 3,332 = 1 : 1/3 : 1/8 : 1/8

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

Vвтеор = Vв(С)теор × Горение пропана в кислороде Vв(Н)теор × Горение пропана в кислороде Vв(S)теор × Горение пропана в кислороде — Vв(О)теор × Горение пропана в кислороде, м3 (2.7)

где

w (С), w (Н), w (S), w (О) – массовые доли элементов в веществе, %.

После подстановки в формулу (2.7) полученных выше расчетных значений теоретический объем воздуха для сгорания заданной массы (m)вещества сложного элементного состава при нормальных условиях определяется по формуле:

Vвтеор =m × 0,267 Горение пропана в кислороде, м3/кг. (2.8)

Расчет объема воздуха, необходимого для горения вещества сложного элементного состава Пример 2.7. Определить объем воздуха, необходимого для полного сгорания 5 кг торфа следующего состава (в %): С – 56,4 %, Н – 5,04 %, О – 24,0 %, S – 0,06 %, N – 3,6 %, зола – 10,9 %. Горение протекает при a = 1,5, условия нормальные.

1. По формуле (3.8) определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной массы образца торфа:

Vвтеор = 5 × Горение пропана в кислороде = 27,7 м3

2. С учетом коэффициента избытка воздуха реально на сгорание данной массы образца торфа будет затрачено воздуха

Vвпр = Vвтеор × a = 27,7 × 1,5 = 41,6 м3.

Date: 2022-07-27; view: 12043; Нарушение авторских прав

§

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

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

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

Неорганические вещества сгорают, как правило, до соответствующих оксидов.

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

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

2.2.1. Горючее – индивидуальное химическое соединение

В случае индивидуального химического соединения объем и состав продуктов горения рассчитывается по уравнению реакции горения.

Расчет объема и процентного состава продуктов горения индивидуального вещества Пример 2.8. Определить объем и состав в объемных % продуктов горения, образовавшихся при сгорании 3 кг бензола С6Н6. Температура 200С, давление 770 мм рт.ст., коэффициент избытка воздуха a = 1,4.

1. Записываем уравнение реакции горения

3 кг х1 м3 х2 м3 х3 м3 х4 м3

С6Н6 7,5(О2 3,76N2) = 6СО22О 7,5×3,76N2

М = 78 кг 7,5×4,76 × Vм = 6×Vм = 3×Vм = 7,5×3,76×Vм =

=7,5×4,76×23,7 м3 =6×23,7 м3 =3×23,7 м3 =7,5×3,76×23,7 м3

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

Горение пропана в кислородем3/кмоль

Горение пропана в кислороде

3. Теоретический объем продуктов горения (VПГ) определяем по уравнению реакции.

VПГ = Горение пропана в кислороде 33,9 м3

4. Горение протекает с коэффициентом избытка воздуха, следовательно, в состав продуктов горения войдет избыточный воздух DVв.

Для расчета избытка воздуха по уравнению реакции найдем теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания бензола:

Vвтеор = х1 =Горение пропана в кислороде = 32,5 м3

Избыток воздуха определим по формуле (3.4):

DVв= Vвтеор(a -1) = 32,5(1,4 – 1) = 13 м3

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

VПГ* = VПГ DVв = 33,9 13 = 46,9 м3

5. Иногда возникает необходимость рассчитать объем отдельных компонентов продуктов горения и их процентный состав.

В этом случае по уравнению реакции определяем объем СО2, Н2О и N2.

V(СО2) = х2 = Горение пропана в кислороде = 5,47 м3

V(Н2О) = х3 = Горение пропана в кислороде = 2,73 м3

V(N2) = х4 = Горение пропана в кислороде = 25,71 м3

DVв= 13 м3 (рассчитано в п.4)

Объемная концентрация каждого компонента смеси рассчитывается следующим образом:

jоб (СО2) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 11,7 %

jоб2О) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 5,8 %

jоб (N2) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 54,8 %

jоб (DVв) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 27,7 %

Обратите внимание, что более половины объема всех продуктов горения – это азот воздуха, израсходованного на горение. Если же горение протекает с коэффициентом избытка воздуха a > 1, то избыточный воздух также составляет значительную часть продуктов горения.

2.2.2. Горючее – смесь газов и паров

При расчете продуктов горения газовой смеси необходимо знать, какой объем продуктов горения выделяются при сгорании 1 м3 каждого горючего газа смеси. Далее, зная процентное содержание (в объемных %) каждого горючего газа, вычислить суммарный объем образовавшихся продуктов горения. Если горение протекает с избытком воздуха, то в состав продуктов горения необходимо включить и избыточный воздух.

Расчет объема и процентного состава продуктов горения газовой смеси Пример 2.9. Определить объем и состав продуктов горения 10 м3 природного газа следующего состава (в % объемных): метан СН4 – 75 %, этан С2Н6 – 4 %, пропан С3Н8 – 2 %, углекислый газ СО2 – 19 %. Горение протекает при
a = 1,2.

1. Составляем уравнение реакции горения для всех горючих газов смеси:

СН4 2(О2 3,76N2) = СО22О 2×3,76N2 b (СН4) = 2

Для газообразных веществ отношение числа моль равно отношению объемов, следовательно, стехиометрические коэффициенты для каждого вещества в реакции горения – это и есть объем в м3 каждого компонента продуктов горения, выделившийся при сгорании 1 м3 горючего газа.

По уравнению реакции можно определить, что при сгорании 1 м3 метана СН4 образуется 1 м3СО2, 2 м3Н2О и 2×3,76 м3N2.

С2Н6 3,5(О2 3,76N2) =2СО22О 3,5×3,76N2 b (С2Н6) = 3,5

При сгорании 1 м3 этана С2Н6 образуется 2 м3СО2, 3 м3Н2О и 3,5×3,76 м3N2.

С3Н8 ,5(О2 3,76N2) =3СО22О 5×3,76N2 b (С3Н8) =5

При сгорании 1 м3 этана С3Н8 образуется 3 м3СО2, 4 м3Н2О и 5×3,76 м3N2.

2. Определим теоретический объем продуктов горения.

Суммарный объем углекислого газа, образовавшегося при сгорании 1 м3 газовой смеси определяется с учетом процентного состава каждого горючего компонента газовой смеси, и также включается объем углекислого газа, входящий в состав исходной газовой смеси:

V(СО2) = Горение пропана в кислороде =

= Горение пропана в кислороде = 1,08 м3

При сгорании 10 м3 газовой смеси объем образовавшегося углекислого газа составит:

V(СО2) = 1,08 × 10 = 10,8 м3

Аналогично рассчитываем объем паров воды, образовавшийся в результате сгорания 1 м3 смеси газов:

V(Н2О) = Горение пропана в кислороде = 1,7 м3

При сгорании 10 м3 газовой смеси объем паров воды будет:

V(Н2О) = 1,7 × 10 = 17 м3

Объем азота в продуктах горения составит для 1 м3 природного газа:

V(N2) = Горение пропана в кислороде = 6,55 м3,

а для 10 м3

V(N2) = 6,55 × 10 = 65,5 м3

Теоретический объем продуктов горения 10 м3 газовой смеси составит:

VПГ = V(СО2) V(Н2О) V(N2) = (10,8 17 65,5) = 93,3 м3

2. Горение протекает с коэффициентом избытка воздуха a = 1,2, следовательно, в состав продуктов горения войдет и избыток воздуха. Для его расчета по формуле (3.6) определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной газовой смеси:

Vвтеор = Горение пропана в кислороде = 82,9 м3

Избыток воздуха определим по формуле (3.4):

DVв= Vвтеор(a -1) = 82,9×(1,2 – 1) = 16,6 м3

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

VПГ* = VПГ DVв = 93,3 16,6 = 109,9 м3

2. Определим процентный состав продуктов горения:

jоб (СО2) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 9,8 %

jоб2О) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 15,5 %

jоб (N2) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 59,6 %

jоб (DVв) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 15,1 %

2.2.3. Горючее – сложное вещество с известным элементным составом

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

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

Для углерода:

1 кг х1 м3 х2 м3

С (О2 3,76N2) = СО2 3,76N2

12 кг 22,4 м33,76×22,4 м3

V(СО2) = х1 = Горение пропана в кислороде= 1,87 м3

V(N2) = х2 = Горение пропана в кислороде= 7,0 м3

Для водорода:

1 кг х1 м3 х2 м3

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

1 кг 0,5×22,4 м3 0,25×3,76×22,4 м3

V(Н2О) = х1 = Горение пропана в кислороде= 11,2 м3

V(N2) = х2 = Горение пропана в кислороде= 21,0 м3

Для серы:

1 кг х1 м3 х2 м3

S (О2 3,76N2) = SО2 3,76N2

32 кг 22,4 м33,76×22,4 м3

V(SО2) = х1 = Горение пропана в кислороде= 0,7 м3

V(N2) = х2 = Горение пропана в кислороде= 2,63 м3

Для фосфора:

1 кг х1 м3 х2 м3

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

31 кг 0,5×22,4 м3 1,25×3,76×22,4 м3

V(Р2О5) = х1 = Горение пропана в кислороде= 0,36 м3

V(N2) = х2 = Горение пропана в кислороде= 3,4 м3

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

Объем 1 кг азота при нормальных условиях составит:

V(N2) = Горение пропана в кислороде = 0,8 м3

При нормальных условиях 1 кг паров воды займет объем:

V(Н2О) = Горение пропана в кислороде = 1,24 м3

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

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

V(N2) = Горение пропана в кислороде= 2,63 м3

Полученные значения выходов продуктов горения элементов приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1.Теоретический объем продуктов горения элементов сложных веществ при нормальных условиях

Элемент Объем продуктов горения (м3) на 1 кг вещества
СО2 Н2О SO2 Р2О5 N2
Углерод 1,87       7,0
Водород   11,2     21,0
Сера     0,7   2,63
Фосфор       0,36 3,4
Азот в горючем         0,8
Азот за счет кислорода в горючем         — 2,63
Влага в горючем   1,24      

Используя данные таблицы 3.1., можно вычислить объем продуктов горения любого вещества с известным элементным составом.

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

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

V(СО2) = Горение пропана в кислороде , м3 (2.9)

V(H2O) = Горение пропана в кислороде , м3 (2.10)

V(SО2) =Горение пропана в кислороде , м3 (2.11)

V(N2) = Горение пропана в кислороде , м3 (2.12)

Расчет объема и процентного состава продуктов горения вещества сложного элементного состава Пример 2.10. Определить объем и процентный состав продуктов горения 5 кг каменного угля следующего состава (в %): С – 75,8 %, Н – 3,8 %, О – 2,8 %, S – 2,5 %,
N – 1,1 %, W – 3,0 %, зола – 11,0 %. Горение протекает при a = 1,3, условия нормальные.

1. По формулам (2.9) – (2.12) определяем объем каждого компонента продуктов горения 5 кг каменного угля.

V(СО2) = 5×Горение пропана в кислороде = 7 м3

V(H2O) = 5×Горение пропана в кислороде = 2,31 м3

V(SО2) =5×Горение пропана в кислороде = 0,085 м3

V(N2) = 5×Горение пропана в кислороде = 33,14 м3

VПГ = 7 2,31 0,085 33,14 = 42,5 м3

2. Горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,3, следовательно, в состав продуктов горения будет входить избыточный воздух.

По формуле (2.8) определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной массы образца угля:

Vвтеор = 5 × Горение пропана в кислороде = 38,6 м3

Избыток воздуха определим по формуле (2.4):

DVв= Vвтеор(a -1) = 38,6×(1,3 – 1) = 11,6 м3

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

VПГ* = VПГ DVв = 42,5 11,6 = 54,1 м3

3. Определим процентный состав продуктов горения:

jоб (СО2) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 12,9 %

jоб2О) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 4,3 %

jоб (SО2) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 0,2 %

jоб (N2) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 61,2 %

jоб (DVв) = Горение пропана в кислороде = Горение пропана в кислороде = 21,4 %

Date: 2022-07-27; view: 10007; Нарушение авторских прав

§

Энтальпией горения (DНгор, кДж/моль) вещества называется тепловой эффект реакции окисления 1 моль горючего вещества с образованием высших оксидов.

Теплота горения (Qгор) численно равна энтальпии горения, но противоположна по знаку.

Для индивидуальных веществ тепловой эффект реакции может быть рассчитан по

I следствию закона Гесса.

Расчет теплового эффекта реакции горения индивидуального вещества Пример 3.1. Рассчитать тепловой эффект реакции горения 1 моль бутана С4Н10.

1. Запишем уравнение реакции горения бутана.

С4Н10 6,5(О2 3,76 N2) = 4СО22О 6,5×3,76 N2

2. Выражение для теплового эффекта этой реакции по I следствию закона Гесса

0р-и = 4DН0(СО2) 5DН02О) — DН04Н10).

3. По таблице 1 приложения находим значения энтальпий образования углекислого газа, воды (газообразной) и бутана.

0(СО2) = -393,5 кДж/моль;02О) = — 241,8 кДж/моль;

04Н10) = — 126, 2 кДж/моль.

Подставляем эти значения в выражение для теплового эффекта реакции

0р-и = 4×(–393,5) 5×(–241,8) – (- 126,2) = — 1656,8 кДж

0р-и = 0гор = — 1656,8 кДж/моль или Qгор = 1656,8 кДж/моль.

Таким образом, при сгорании 1 моля бутана выделяется 1656,8 кДж тепла.

В пожарно-технических расчетах часто пользуются понятием удельной теплоты горения. Удельная теплота горения – это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества. Размерность удельной теплоты горения – кДж/кг или кДж/м3.

В зависимости от агрегатного состояния воды в продуктах горения различают низшую и высшую теплоту горения. Если вода находится в парообразном состоянии, то теплоту горения называют низшей теплотой горения Qн. Если пары воды конденсируются в жидкость, то теплота горения – высшая Qв.

Температура пламени достигает 100 К и выше, а вода кипит при 373 К, поэтому в продуктах горения на пожаре вода всегда находится в парообразном состоянии, и для расчетов в пожарном деле используется низшая теплота горения Qн.

Низшая теплота горения индивидуальных веществ может быть определена переводом значения DНгор, кДж/моль в Qн, кДж/кг или кДж/м3. Для веществ сложного элементного состава низшая теплота горения может быть определена по формуле Д.И. Менделеева. Кроме того, для многих веществ значения низшей теплоты горения приведены в справочной литературе, некоторые данные представлены в приложении 2.

Перевод значения энтальпии горения из кДж/моль в кДж/кг Пример 3.2. Энтальпия горения этилацетата СН3СООС2Н5 равна гор = — 2256,3 кДж/моль. Выразить эту величину в кДж/кг.

Значение гор = — 2256,3 кДж/моль показывает, что при сгорании 1 моля этилацетата выделяется 2256,3 кДж тепла, т.е. Qгор = 2256,3 кДж/моль.

1 моль СН3СООС2Н5 имеет массу 88 г. Можно составить пропорцию

М (СН3СООС2Н5) = 88 г/моль ¾ Qгор= 2256,3 кДж/моль

1 кг = 1000 г ¾ Qн кДж/кг

Горение пропана в кислороде кДж/кг

В общем виде формула для перевода из размерности кДж/моль в кДж/кг выглядит следующим образом:

Горение пропана в кислороде ; кДж/кг (3.1)

Если необходимо осуществить перевод из размерности кДж/моль в кДж/м3, то можно воспользоваться формулой

Горение пропана в кислороде , кДж/м3. (3.2)

Расчет низшей теплоты сгорания Qн по формуле Д.И. Менделеева Пример 3.3. Вычислить низшую теплоту сгорания сульфадимезина С12Н14О2N4S по формуле Д.И. Менделеева.

Значения низшей теплоты сгорания веществ и материалов могут быть рассчитаны по формуле Д.И.Менделеева. Данная формула может быть использована для расчетов Qн веществ сложного элементного состава, а также для любых индивидуальных веществ, если предварительно рассчитать массовую долю каждого элемента в соединении (w).

QН = 339,4×w(C) 1257×w(H) — 108,9 [(w(O) w(N)) -w(S)] — 25,1[9×w(H) w(W)], кДж/кг,

(3.3)

где

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

1. Для того, чтобы воспользоваться данной формулой, необходим расчет процентного состава каждого элемента в веществе (массовой доли).

Молярная масса сульфадимезина С12Н14О2N4S составляет 278 г/моль.

w(C) = (12×12)/278 = 144/278 = 0,518 ×100 = 51,8 %

w(H) = (1×14)/278 = 14/278 = 0,05 ×100 = 5,0 %

w(O) = (16×2)/278 = 32/278 = 0,115 ×100 = 11,5 %

w(N) = (14×4)/278 = 56/278 = 0,202 ×100 = 20,2 %

w(S) = 100 – (51,8 5,0 11,5 20,2) = 11,5 %

2. Подставляем найденные значения в формулу Д.И. Менделеева.

QН = 339,4×51,8 1257×5,0-108,9×(11,5 20,2-11,5)-25,1×9×5,0 = 22741 кДж/кг.

Теплота горения смеси газов и паров определяется как сумма произведений теплот горения каждого горючего компонента (Qн) на его объемную долю в смеси (jоб):

Qн= Горение пропана в кислороде , кДж/м3. (3.4)

Можно воспользоваться эмпирической формулой для расчета Qн для газовой смеси:

Qн = 126,5×j(СО) 107,7×j(Н2) 358,2×j(СН4) 590,8×j(С2Н4) 636,9×j(С2Н6) 913,4×j(С3Н8) 1185,8×j(С4Н10) 1462,3×j(С5Н12) 234,6×j(Н2S), кДж/м3(3.5)

Date: 2022-07-27; view: 5028; Нарушение авторских прав

§

Выделяющееся в зоне горения тепло расходуется на нагревание продуктов горения, на нагрев горючего вещества и окружающей среды. Та температура, до которой в процессе горения нагреваются продукты горения, называется температурой горения. В технике и пожарном деле различают теоретическую, калориметрическую, адиабатическую и действительную температуру горения (табл.3.1).

Таблица 3.1. Условия определения температуры горения

Температура горения Условия определения
Q потерь a Учет диссоциации ПГ
Теоретическая да
Калориметрическая нет
Адиабатическая ¹1 нет
Действительная ¹0 ¹1 нет

В общем случае для вычисления температуры горения используется следующая зависимость:

QПГ = VПГ × Горение пропана в кислороде ×ТГ , где (3.6)

QПГ – теплота (теплосодержание) продуктов горения, кДж/кг;

VПГ – объем продуктов горения, м3/кг;

Горение пропана в кислороде– средняя объемная теплоемкость смеси продуктов горения в интервале температур от

Т0 до Тг, кДж/м3×К;

ТГ – температура горения, К.

При расчете калориметрической температуры горения исходят из того, что теплопотери в окружающую среду отсутствуют, и в этом случае низшая теплота сгорания горючего вещества (Qн) равна теплосодержанию продуктов горения (QПГ), т.е. энергии, необходимой для нагревания продуктов горения от 00С до теоретической температуры горения.

В реальных условиях температура горения зависит не только от состава горючего материала, но и от условий горения: разбавления продуктов горения избыточным воздухом (что учитывается коэффициентом избытка воздуха a), начальной температуры воздуха, полноты сгорания исходного горючего материала и наличия теплопотерь (коэффицент теплопотерь h).

Qпотерь = Qизлучения Qнедожог Qдиссоциации ПГ (3.7)

В зависимости от рода учитываемых потерь теплоты из зоны горения вычисляется та или иная температура горения.

Расчет температуры горения проводят по уравнению энергетического баланса:

Qн × (1 – h) = VПГпр × Ср × (ТГ – Т0) , где (3.8)

Qн – тепло, выделяемое в реакции горения, кДж;

h – коэффициент теплопотерь; Qн × (1 – h)= QПГ;

VПГпр – объем продуктов полного горения с учетом избытка воздуха, м3;

Ср – средняя объемная теплоемкость продуктов горения при постоянном давлении,

кДж/м3×К;

ТГ – температура горения, К;

Т0 – начальная температура, К.

Из уравнения (3.8) следует, что для расчета температуры горения необходимо знать теплоту горения, объем и теплоемкость продуктов горения.

В первом приближении температуру горения можно рассчитать непосредственно из уравнения (3.6), имея в виду, что средняя теплоемкость газообразных продуктов горения в интервале температур 1500 – 2500 К может быть принята равной

Горение пропана в кислороде= 1,75 кДж/м3×К. Однако, теплоемкость зависит от температуры, и поэтому для более точных расчетов значения теплоемкостей берут из таблиц (приложение 3 и 4), а подсчет производят методом последовательных приближений (методом итераций), каждый раз определяя теплосодержание продуктов горения при выбранной температуре.

Date: 2022-07-27; view: 1589; Нарушение авторских прав

§

1. Рассчитать суммарный объем продуктов горения и отдельно объем каждого компонента продуктов горения.

VПГпр = V(CO2) V(H2O) V(N2) V(SO2) DVвозд

Расчет объема продуктов горения выполняется в зависимости от характера горючего вещества (индивидуальное вещество, смесь газов или вещество сложного элементного состава). Методика расчета приведена в примерах 2.8, 2.9, и 2.10.

Для индивидуальных веществ можно также определять количество продуктов горения в молях (коэффициенты в уравнении реакции горения).

2. Рассчитать низшую теплоту сгорания вещества.

Для индивидуальных веществ расчет выполняется по I следствию закона Гесса (при наличии табличных значений энтальпий образования).

По формуле Д.И. Менделеева (3.3) расчет Qн может быть выполнен как для веществ с известным элементным составом, так и для индивидуальных веществ.

Для газовых смесей Qн рассчитывается по формулам (3.4) и (3.5).

3. Если по условию задачи есть теплопотери (h), то рассчитывается количество тепла, пошедшего на нагрев продуктов горения QПГ

QПГ = Qн (1 h), кДж/кг или кДж/м3(3.9)

4. Находим среднее теплосодержание продуктов горения Qср

при отсутствии теплопотерь (h)

Qср = Горение пропана в кислороде, кДж/м3 (3.10)

при наличии теплопотерь

Qср = Горение пропана в кислороде, кДж/м3 (3.11)

5. По значению Qср с помощью таблиц приложений 3 и 4 (“Теплосодержание газов при постоянном давлении”), ориентируясь на азот , приближенно определяем температуру горения Т1.

При подборе температуры горения ориентируются на азот, т.к. в большей степени продукты горения состоят именно из азота. Однако, поскольку теплосодержание углекислого газа и паров воды выше, чем у азота, то их присутствие в продуктах горения несколько понижает температуру горения, поэтому ее нужно принимать несколько ниже (на 100-2000С), чем по азоту.

6. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при выбранной температуре Т1:

Горение пропана в кислороде (3.12)

где

Q1(CO2), Q1(H2O), Q1(N2), Q1(SO2), Q1(возд) – табличные значения теплосодержания газов

при выбранной температуре Т1.

7. Сравниваем Q1ПГ с Qнили QПГ, рассчитанных по п.2 или п.3.

Если Q1ПГ < Qн (QПГ), то выбираем температуруТ2 > Т1 на 1000С;

если Q1ПГ > Qн (QПГ), то выбираем температуруТ2 < Т1 на 1000С .

8. Повторяем расчет теплосодержания продуктов горения при новой температуре Т2:

Горение пропана в кислороде

9. Расчет проводим до получения неравенства:

Q1ПГ < Qн (QПГ) < Q2ПГ , где

Q1ПГ и Q2ПГ – теплосодержание продуктов горения при температурах Т1 и Т2,

отличающихся на 1000С.

10. Интерполяцией определяем температуру горения ТГ:

ТГ = Т1 Горение пропана в кислороде (3.13)

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

Расчет действительной температуры горения индивидуального вещества Пример 3.4. Вычислить действительную температуру горения анилина С6Н5NH2, если потери тепла излучением составляют 20 %, а горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,1.

1. Составляем уравнение реакции горения анилина:

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

По уравнению реакции горения определяем число моль продуктов горения и число моль избытка воздуха:

nвтеор = 7,75 × 4,76 = 36,89 моль

Dnв = nвтеор (a –1) = 36,89 (1,1 – 1) = 3,689 моль

nпгпр = n(СО2) n(Н2О) n(N2) n(DVв) = 6 3,5 7,75×3,76 0,5 3,689 = 42,829 моль

2. Теплота горения анилина по справочным данным составляет

Qгор = 3484, кДж/моль = 3484000 Дж/моль

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

QПГ = 3484000 (1 – 0,2) = 2787200 Дж/моль

4. Определяем среднее теплосодержание продуктов горения:

Qср = Горение пропана в кислороде65077,4 Дж

5. По таблице приложения 3, ориентируясь на азот, определяем Т1 = 18000С

6. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 18000С.

QПГ1800 = 96579,5×6 77598,8×3,5 59539,9×7,75×3,76 66000×3,689 = 2859312,7 Дж

7. QПГ1800 = 2859312,7 > QПГ = 2787200 , следовательно, выбираем Т2 = 17000С

8. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 17000С.

QПГ1700 = 90545,9×6 72445,1×3,5 55936,5×7,75×3,76 56397,4×3,689=2662844,5 Дж

QПГ1700 = 2662844,5 < QПГ = 2787200, следовательно температура горения находится в интервале от 1700 до 18000С.

9. Рассчитываем температуру горения:

ТГ =1700 Горение пропана в кислороде = 17630С = 2036 К

Расчет действительной температуры горения сложного вещества с
известным элементным составом
Пример 3.5. Вычислить действительную температуру горения горючего сланца следующего состава: С – 35 %, Н – 5 %, О – 10 %, S – 4 %, N – 1 %, W – 15 %, зола – 30 %. Потери тепла излучением составляют 10 %, а горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,2. Условия нормальные.

1. По формулам (2.9) – (2.12) определяем объем каждого компонента продуктов горения 1 кг горючего сланца.

V(СО2) = Горение пропана в кислороде = 0,651 м3

V(H2O) = Горение пропана в кислороде = 0,746 м3

V(SО2) = Горение пропана в кислороде = 0,028 м3

V(N2) = Горение пропана в кислороде = 3,455 м3

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

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

По формуле (3.8) определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной массы образца угля:

Vвтеор = Горение пропана в кислороде = 4,28 м3

Избыток воздуха определим по формуле (2.4):

DVв= Vвтеор(a -1) = 4,28×(1,2 – 1) = 0,856 м3

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

VПГ* = VПГ DVв = 4,88 0,856 = 5,736 м3

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

Qн = 339,4×35 1257×5 – 108,9×(10 1 – 4) – 25,1×(9×5 15) = 15881,7 кДж/кг

4. С учетом теплопотерь определяем теплосодержание продуктов горения:

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

5. Определяем среднее теплосодержание продуктов горения:

Qср = Горение пропана в кислороде2480,22 кДж/м3

По таблице приложения 4, ориентируясь на азот, определяем Т1 = 15000С.

6. Определяем теплосодержание продуктов горения при 15000С:

QПГ1500 = 3505,7×0,651 2781,3×0,746 2176,7×3,455 3488,2×0,028 2194,7×0,856 = 13853,889 кДж

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

8. Определяем теплосодержание продуктов горения при 16000С:

QПГ1600 = 3771,4×0,651 3004,2×0,746 2335,5×3,455 3747,5×0,028 2355,2×0,856 = 14886,44 кДж

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

10. Определяем температуру горения:

ТГ =1500 Горение пропана в кислороде = 15560С = 1829 К

Date: 2022-07-27; view: 2123; Нарушение авторских прав

§

Расчет концентрационных пределов распространения пламени Пример 4.1. Рассчитать КПР газа пропана С3Н8.

Концентрационные пределы распространения пламени (область воспламенения) для газо- и паровоздушных смесей могут быть рассчитаны по следующей формуле

Горение пропана в кислороде , %, (4.1)

где

j Н(В) — нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени ( НКПР и ВКПР ), %;

b — число молекул кислорода ( коэффициент перед кислородом в уравнении реакции горения вещества );

a и b — константы, имеющие значения, приведенные в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Значения коэффициентов “а” и “b” для расчета концентрационных пределов распространения пламени

КПР а b
НКПР 8,684 4,679
ВКПР    
b£ 7,5 1,550 0,560
b> 7,5 0,768 6,554

1. Составляем уравнение реакции горения этанола.

С3Н8 5( О2 3,76 N2 ) =3СО22О 5· 3,76 N2

b = 5

2. jн = НКПР = Горение пропана в кислороде2,07 %

jв = ВКПР = Горение пропана в кислороде12,03%

Расчет безопасных концентрации газов и паров с использованием коэффициентов безопасности Пример 4.2. Газоанализатор показал наличие 0,3 % паров амилацетата СН3СООС5Н11. Можно ли проводить сварочные работы?

Значения НКПР И ВКПР следует применять при расчетах безопасных концентраций газов и паров с использованием коэффициентов безопасности:

jг.без. £ Горение пропана в кислороде , где (4.2)

jг.без. – безопасная концентрация горючих газов, паров или пылей, % объемных;

jн – НКПР, % объемных;

Кб – коэффициент безопасности.

1. При расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей внутри технического оборудования, трубопроводов, вентиляционных систем.

Кб = 2.

2. При расчете предельно-допустимых взрывобезопасных концентраций газов, парво, пылей в воздухе рабочей зоны с потенциальными источниками зажигания

Кб = 20.

1. Составляем уравнение реакции горения амилацетата.

СН3СООС5Н11 9,5( О2 3,76 N2 ) =7СО22О 9,5· 3,76 N2

b = 9,5

2. jн = НКПР = Горение пропана в кислороде 1,14 %

3. Рассчитаем безопасную концентрацию:

jг.без. = Горение пропана в кислороде0,05 %

0,3 > 0,05, следовательно, проводить сварочные работы нельзя.

Расчет стехиометрической концентрации Пример 4.3. Рассчитать стехиометрическую концентрацию пропана С3Н8в % объемных и г/м3 при температуре 250С и давлении 95 кПа.

Стехиометрической концентрацией называется такая концентрация, когда реагирующие вещества взяты в эквивалентных отношениях, при этом коэффициент избытка воздуха a = 1.

Расчет стехиометрической концентрации производится по уравнению реакции горения индивидуального вещества. Общие формулы для вычисления объемной и массовой стехиометрической концентрации следующие:

jстехобъем = Горение пропана в кислороде , % (4.3)

jстехмасс = Горение пропана в кислороде , г/м3. (4.4)

1. Уравнение реакции горения пропана.

С3Н8 5( О2 3,76 N2 ) = 3СО22О 5· 3,76 N2

b = 5

jстехобъем = Горение пропана в кислороде = 4,03 %

2. Молярная масса М (С3Н8) = 46 г/моль (кг/кмоль);

Vм = Горение пропана в кислороде = 26,1 м3/кмоль

jстехмасс = Горение пропана в кислороде = 71,0 г/м3.

Расчет коэффициента избытка воздуха a
на jн и jв
Пример 4.4. Рассчитать значение коэффициента избытка воздуха a для реакции горения пропана С3Н8при концентрации газа, равной jн и jв.

1. В примере 7.1. были рассчитаны значения НКПР и ВКПР для пропана.

jн = 2,07 %; jв = 12,03%.

Это означает, что в 100 м3 пропано-воздушной смеси на НКПР содержится

2,07 м3 пропана и 97,93 м3 воздуха (Vвпр); на ВКПР – 12,03 м3 пропана и 87,97 м3 воздуха.

2. Для НКПР рассчитаем теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания 2,07 м3 пропана.

2,07 м3х м3

С3Н8 5( О2 3,76 N2 ) = 3СО22О 5· 3,76 N2

Vм м3 5×4,76×Vм м3

х = Vвтеор = 2,07 × 5 × 4,76 = 49,27 м3

3. Коэффициент избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе распространения пламени составит

a = Горение пропана в кислороде = 1,99

3. Аналогично рассчитаем для ВКПР Vвтеор и соответствующее значение a:

12,03 м3х м3

С3Н8 5( О2 3,76 N2 ) = 3СО22О 5· 3,76 N2

Vм м3 5×4,76×Vм м3

х = Vвтеор = 12,03 × 5 × 4,76 = 286,31 м3

a = Горение пропана в кислороде = 0,31

Формула (4.1.) для расчета концентрационных пределов распространения пламени справедлива при температурах среды близкой к 200С. Как было указано выше, КПР не являются постоянной величиной и зависят от многих факторов. С повышением температуры область КПР расширяется, и, следовательно, для повышенных температур необходимо производить расчет с учетом изменения температуры.

Приближенно это можно сделать с помощью следующих формул:

jн(t) = jн × Горение пропана в кислороде (4.6)

jв(t) = jв × Горение пропана в кислороде , где (4.7)

jн, jв – концентрационные пределы распространения пламени, рассчитанные или определенные экспериментально при ~ 200С;

jн(t) ,jн(t) – концентрационные пределы распространения пламени при температуре Т;

1550 К, 1100 К – температура горения соответственно на НКПР и ВКПР.

Расчет КПР при повышенных температурах Пример 4.5. Рассчитать КПР газа пропана С3Н8при 3000С.

1. В примере 7.1. были рассчитаны значения НКПР и ВКПР для пропана при 200С:

jн = 2,07 %; jв = 12,03%.

2. С учетом заданной температуры КПР составят:

jн(t) = 2,07 × Горение пропана в кислороде = 1,61 %

jв(t) = 12,03 × Горение пропана в кислороде = 16,20 %

Для определения КПР смесей газов и паров можно воспользоваться формулой Ле Шателье:

jн(см) = Горение пропана в кислороде, % (4.7)

jв(см) = Горение пропана в кислороде, % где (4.8)

jн(см), jн(см) – концентрационные пределы распространения пламени смеси;

jн1, jн2, jн3 — НКПР каждого компонента газовой смеси;

jв1, jв2, jв3 — ВКПР каждого компонента газовой смеси.

Расчет КПР газовой смеси Пример 4.6. Рассчитать КПР смеси газов следующего состава:угарный газ СО – 10 %; водород Н2 – 60 %; метан СН4 – 30 %.

1. Определяем НКПР и ВКПР каждого горючего компонента (по справочным данным или расчетным путем):

для угарного газа jн = 12,5 %; jв = 74 %

для водорода jн = 4 %; jв = 75 %

для метана jн = 5 %; jв = 15 %

2. Определяем НКПР и ВКПР для смеси газов по формулам (4.6) и (4.7):

jн(см) = Горение пропана в кислороде= 4,58 %

jв(см) = Горение пропана в кислороде= 34 %.

При взрыве газо- и паровоздушных смесей протекает кинетическое горение в замкнутом объеме. Давление, развиваемое при взрыве в этих условиях, зависит от соотношения числа молей продуктов горения, числа молей исходных веществ и температуры взрыва. Для большинства горючих веществ давление при взрыве лежит в пределах 0,6 – 1 МПа.

Наименьшее давление при взрыве развивается при концентрациях горючего вещества, равных нижнему и верхнему концентрационным пределам распространения пламени. Оно обычно не превышает 0,3 МПа. Это объясняется низкой температурой взрыва. На НКПР она равна 1550 К, на ВКПР – 1100 К. Наибольшее давление при взрыве наблюдается при концентрации, близкой к стехиометрической.

Расчет максимального давления взрыва производится по следующей формуле:

Рвзр = Горение пропана в кислороде , где (4.9)

Р0 – начальное давление, кПа (МПа);

Т0 – начальная температура, К;

Твзр– температура взрыва, К;

m – число молей (киломолей) газообразных продуктов горения;

n – число молей (кисломолей) исходных газообразных веществ.

Расчет максимального давления взрыва газов и паров Пример 4.7. Вычислить максимальное давление взрыва смеси гексана С6Н14 с воздухом, если начальное давление 101,3 кПа, начальная температура 273 К, температура взрыва 2355 К.

1. Уравнение реакции горения гексана в воздухе:

С6Н14 9,5( О2 3,76 N2 ) =6СО22О 9,5· 3,76 N2

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

m = 6 7 9,5×3,76 = 48,72 моль

n = 1 9,5×4,76 = 46,22 моль

3. Максимальное давление взрыва составит:

Рвзр = Горение пропана в кислороде = 921,1 кПа

Date: 2022-07-27; view: 1636; Нарушение авторских прав

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий