Горение пропана в кислороде

Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполагает вычисление

а) теоретического объема воздуха V_в^теор и б) практического объема воздуха V_в^пр, 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 (V_в^теор).

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 DV_в в реакции горения не расходуется и удаляется из зоны реакции вместе с продуктами горения. Таким образом, практический объем воздуха равен

V_в^пр = V_в^теор DV_в (2.1)

и, следовательно, избыток воздуха будет равен

DV_в= V_в^пр — V_в^теор (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:

(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

DV_в= V_в^теор(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:

(2.5)

2.1.1. Горючее – индивидуальное химическое соединение

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

1. Записываем уравнение реакции горения

1 кг х м³

С₂Н₅ОС₂Н₅ 6(О₂ 3,76N₂) =4СО₂ 5Н₂О 6×3,76N₂

М = 74 кг 6×4,76 × V_м =

=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 (V_м) 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 V_М ведут по формуле объединенного газового закона:

, 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.

м³/кмоль

Записываем 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:

V_в^теор = 7,5 м³

1. Записываем уравнение реакции горения

50 кг х м³

СН₃СОСН₃ 4(О₂ 3,76N₂) = 3СО₂ 3Н₂О 4×3,76N₂

М = 58 кг 4×4,76 × V_м =

=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.

м³/кмоль

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

V_в^теор = м³

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

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

V_в^пр = V_в^теор × 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 (j^объемн, %).

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:

V_в^теор = , 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 %);

V_ГГ – объем газовой смеси, м³.

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

V_в^пр = V_в^теор × a.

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) = СО₂ 2Н₂О 2×3,76N₂ b₃ = 2

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

V_в^теор = = 8,1 м³

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

V_в^пр = V_в^теор × 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

V_в(С)^теор = х = = 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

V_в(Н)^теор = х = = 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

V_в(S)^теор = х = = 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

V_в(О)^теор= х = = 3,332 м³ – объем воздуха, содержащий 1 кг кислорода.

Сопоставим полученные значения.

V_в(Н)^теор : V_в(С)^теор : V_в(S)^теор :V_в(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:

V_в^теор = V_в(С)^теор × V_в(Н)^теор × V_в(S)^теор × — V_в(О)^теор × , 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:

V_в^теор =m × 0,267 , м³/кг. (2.8)

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

V_в^теор = 5 × = 27,7 м³

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

V_в^пр = V_в^теор × 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.

1. Записываем уравнение реакции горения

3 кг х₁ м³ х₂ м³ х₃ м³ х₄ м³

С₆Н₆ 7,5(О₂ 3,76N₂) = 6СО₂ 3Н₂О 7,5×3,76N₂

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

=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.

м³/кмоль

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

V_ПГ = 33,9 м³

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

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

V_в^теор = х₁ = = 32,5 м³

Избыток воздуха определим по формуле (3.4):

DV_в= V_в^теор(a -1) = 32,5(1,4 – 1) = 13 м³

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

V_ПГ^* = V_ПГ DV_в = 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 = = 5,47 м³

V(Н₂О) = х₃ = = 2,73 м³

V(N₂) = х₄ = = 25,71 м³

DV_в= 13 м³ (рассчитано в п.4)

Объемная концентрация каждого компонента смеси рассчитывается следующим образом:

j^об (СО₂) = = = 11,7 %

j^об (Н₂О) = = = 5,8 %

j^об (N₂) = = = 54,8 %

j^об (DV_в) = = = 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.

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

СН₄ 2(О₂ 3,76N₂) = СО₂ 2Н₂О 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) =2СО₂ 3Н₂О 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) =3СО₂ 4Н₂О 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) = =

= = 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) = = 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) = = 6,55 м³,

а для 10 м³

V(N₂) = 6,55 × 10 = 65,5 м³

Теоретический объем продуктов горения 10 м³ газовой смеси составит:

V_ПГ = 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:

V_в^теор = = 82,9 м³

Избыток воздуха определим по формуле (3.4):

DV_в= V_в^теор(a -1) = 82,9×(1,2 – 1) = 16,6 м³

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

V_ПГ^* = V_ПГ DV_в = 93,3 16,6 = 109,9 м³

2. Определим процентный состав продуктов горения:

j^об (СО₂) = = = 9,8 %

j^об (Н₂О) = = = 15,5 %

j^об (N₂) = = = 59,6 %

j^об (DV_в) = = = 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 = = 1,87 м³

V(N₂) = х₂ = = 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 = = 11,2 м³

V(N₂) = х₂ = = 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 = = 0,7 м³

V(N₂) = х₂ = = 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 = = 0,36 м³

V(N₂) = х₂ = = 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) = = 0,8 м³

При нормальных условиях 1 кг паров воды займет объем:

V(Н₂О) = = 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) = = 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

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) = m× , м³ (2.9)

V(H₂O) = m× , м³ (2.10)

V(SО₂) = m× , м³ (2.11)

V(N₂) = m× , м³ (2.12)

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

V(СО₂) = 5× = 7 м³

V(H₂O) = 5× = 2,31 м³

V(SО₂) =5× = 0,085 м³

V(N₂) = 5× = 33,14 м³

V_ПГ = 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:

V_в^теор = 5 × = 38,6 м³

Избыток воздуха определим по формуле (2.4):

DV_в= V_в^теор(a -1) = 38,6×(1,3 – 1) = 11,6 м³

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

V_ПГ^* = V_ПГ DV_в = 42,5 11,6 = 54,1 м³

3. Определим процентный состав продуктов горения:

j^об (СО₂) = = = 12,9 %

j^об (Н₂О) = = = 4,3 %

j^об (SО₂) = = = 0,2 %

j^об (N₂) = = = 61,2 %

j^об (DV_в) = = = 21,4 %

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

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

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

Для индивидуальных веществ тепловой эффект реакции может быть рассчитан по

I следствию закона Гесса.

1. Запишем уравнение реакции горения бутана.

С₄Н₁₀ 6,5(О₂ 3,76 N₂) = 4СО₂ 5Н₂О 6,5×3,76 N₂

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

DН⁰_р-и = 4DН⁰(СО₂) 5DН⁰(Н₂О) — DН⁰(С₄Н₁₀).

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

DН⁰(СО₂) = -393,5 кДж/моль; DН⁰(Н₂О) = — 241,8 кДж/моль;

DН⁰(С₄Н₁₀) = — 126, 2 кДж/моль.

Подставляем эти значения в выражение для теплового эффекта реакции

DН⁰_р-и = 4×(–393,5) 5×(–241,8) – (- 126,2) = — 1656,8 кДж

DН⁰_р-и = DН⁰_гор = — 1656,8 кДж/моль или Q_гор = 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 Q_н. Если пары воды конденсируются в жидкость, то теплота горения – высшая Q_в.

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 Q_н.

Низшая теплота горения индивидуальных веществ может быть определена переводом значения DН_гор, кДж/моль в Q_н, 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.

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

1 моль СН₃СООС₂Н₅ имеет массу 88 г. Можно составить пропорцию

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

1 кг = 1000 г ¾ Q_н кДж/кг

кДж/кг

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

; кДж/кг (3.1)

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

, кДж/м³. (3.2)

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

Q_Н = 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.

Q_Н = 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 (Q_н) на его объемную долю в смеси (j^об):

Q_н= , кДж/м³. (3.4)

Можно воспользоваться эмпирической формулой для расчета Q_н для газовой смеси:

Q_н = 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

В общем случае для вычисления температуры горения используется следующая зависимость:

Q_ПГ = V_ПГ × ×Т_Г , где (3.6)

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

V_ПГ – объем продуктов горения, м³/кг;

– средняя объемная теплоемкость смеси продуктов горения в интервале температур от

Т₀ до Т_г, кДж/м³×К;

Т_Г – 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 (Q_н) равна теплосодержанию продуктов горения (Q_ПГ), 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).

Q_потерь = Q_{излучения} Q_{недожог} Q_{диссоциации 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:

Q_н × (1 – h) = V_ПГ^пр × С_р × (Т_Г – Т₀) , где (3.8)

Q_н – тепло, выделяемое в реакции горения, кДж;

h – коэффициент теплопотерь; Q_н × (1 – h)= Q_ПГ;

V_ПГ^пр – объем продуктов полного горения с учетом избытка воздуха, м³;

С_р – средняя объемная теплоемкость продуктов горения при постоянном давлении,

кДж/м³×К;

Т_Г – 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

= 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.

V_ПГ^пр = V(CO₂) V(H₂O) V(N₂) V(SO₂) DV_возд

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 Q_н может быть выполнен как для веществ с известным элементным составом, так и для индивидуальных веществ.

Для газовых смесей Q_н 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 Q_ПГ

Q_ПГ = Q_н (1 – h), кДж/кг или кДж/м³(3.9)

4. Находим среднее теплосодержание продуктов горения Q_ср

при отсутствии теплопотерь (h)

Q_ср = , кДж/м³ (3.10)

при наличии теплопотерь

Q_ср = , кДж/м³ (3.11)

5. По значению Q_ср 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:

(3.12)

где

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

при выбранной температуре Т₁.

7. Сравниваем Q¹_ПГ с Q_нили Q_ПГ, рассчитанных по п.2 или п.3.

Если Q¹_ПГ < Q_н (Q_ПГ), то выбираем температуруТ₂ > Т₁ на 100⁰С;

если Q¹_ПГ > Q_н (Q_ПГ), то выбираем температуруТ₂ < Т₁ на 100⁰С .

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

9. Расчет проводим до получения неравенства:

Q¹_ПГ < Q_н (Q_ПГ) < Q²_ПГ , где

Q¹_ПГ и Q²_ПГ – теплосодержание продуктов горения при температурах Т₁ и Т₂,

отличающихся на 100⁰С.

10. Интерполяцией определяем температуру горения Т_Г:

Т_Г = Т₁ (3.13)

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

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:

n_в^теор = 7,75 × 4,76 = 36,89 моль

Dn_в = n_в^теор (a –1) = 36,89 (1,1 – 1) = 3,689 моль

n_пг^пр = n(СО₂) n(Н₂О) n(N₂) n(DV_в) = 6 3,5 7,75×3,76 0,5 3,689 = 42,829 моль

2. Теплота горения анилина по справочным данным составляет

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

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

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

4. Определяем среднее теплосодержание продуктов горения:

Q_ср = 65077,4 Дж

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

6. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 1800⁰С.

Q_ПГ¹⁸⁰⁰ = 96579,5×6 77598,8×3,5 59539,9×7,75×3,76 66000×3,689 = 2859312,7 Дж

7. Q_ПГ¹⁸⁰⁰ = 2859312,7 > Q_ПГ = 2787200 , следовательно, выбираем Т₂ = 1700⁰С

8. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 1700⁰С.

Q_ПГ¹⁷⁰⁰ = 90545,9×6 72445,1×3,5 55936,5×7,75×3,76 56397,4×3,689=2662844,5 Дж

Q_ПГ¹⁷⁰⁰ = 2662844,5 < Q_ПГ = 2787200, следовательно температура горения находится в интервале от 1700 до 1800⁰С.

9. Рассчитываем температуру горения:

Т_Г =1700 = 1763⁰С = 2036 К

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

V(СО₂) = = 0,651 м³

V(H₂O) = = 0,746 м³

V(SО₂) = = 0,028 м³

V(N₂) = = 3,455 м³

V_ПГ = 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:

V_в^теор = = 4,28 м³

Избыток воздуха определим по формуле (2.4):

DV_в= V_в^теор(a -1) = 4,28×(1,2 – 1) = 0,856 м³

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

V_ПГ^* = V_ПГ DV_в = 4,88 0,856 = 5,736 м³

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

Q_н = 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:

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

5. Определяем среднее теплосодержание продуктов горения:

Q_ср = 2480,22 кДж/м³

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

6. Определяем теплосодержание продуктов горения при 1500⁰С:

Q_ПГ¹⁵⁰⁰ = 3505,7×0,651 2781,3×0,746 2176,7×3,455 3488,2×0,028 2194,7×0,856 = 13853,889 кДж

7. Q_ПГ¹⁵⁰⁰ = 13853,889 < Q_ПГ = 14293,53, следовательно, выбираем Т₂ = 1600⁰С.

8. Определяем теплосодержание продуктов горения при 1600⁰С:

Q_ПГ¹⁶⁰⁰ = 3771,4×0,651 3004,2×0,746 2335,5×3,455 3747,5×0,028 2355,2×0,856 = 14886,44 кДж

9. Q_ПГ¹⁶⁰⁰= 14886,44 > Q_ПГ = 14293,53, следовательно, температура горения вещества находится в интервале от 1500 до 1600⁰С.

10. Определяем температуру горения:

Т_Г =1500 = 1556⁰С = 1829 К

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

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

, %, (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

1. Составляем уравнение реакции горения этанола.

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

b = 5

2. j_н = НКПР = 2,07 %

j_в = ВКПР = 12,03%

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

j_г.без. £ , где (4.2)

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

j_н – НКПР, % объемных;

К_б – коэффициент безопасности.

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

К_б = 2.

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

К_б = 20.

1. Составляем уравнение реакции горения амилацетата.

СН₃СООС₅Н₁₁ 9,5( О₂ 3,76 N₂ ) =7СО₂ 7Н₂О 9,5· 3,76 N₂

b = 9,5

2. j_н = НКПР = 1,14 %

3. Рассчитаем безопасную концентрацию:

j_г.без. = 0,05 %

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

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:

j_стех^объем = , % (4.3)

j_стех^масс = , г/м³. (4.4)

1. Уравнение реакции горения пропана.

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

b = 5

j_стех^объем = = 4,03 %

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

V_м = = 26,1 м³/кмоль

j_стех^масс = = 71,0 г/м³.

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

j_н = 2,07 %; j_в = 12,03%.

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

2,07 м³ пропана и 97,93 м³ воздуха (V_в^пр); 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 ) = 3СО₂ 4Н₂О 5· 3,76 N₂

V_м м³ 5×4,76×V_м м³

х = V_в^теор = 2,07 × 5 × 4,76 = 49,27 м³

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

a = = 1,99

3. Аналогично рассчитаем для ВКПР V_в^теор и соответствующее значение a:

12,03 м³х м³

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

V_м м³ 5×4,76×V_м м³

х = V_в^теор = 12,03 × 5 × 4,76 = 286,31 м³

a = = 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:

j_н(t) = j_н × (4.6)

j_в(t) = j_в × , где (4.7)

j_н, j_в – концентрационные пределы распространения пламени, рассчитанные или определенные экспериментально при ~ 20⁰С;

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

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

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

j_н = 2,07 %; j_в = 12,03%.

2. С учетом заданной температуры КПР составят:

j_н(t) = 2,07 × = 1,61 %

j_в(t) = 12,03 × = 16,20 %

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

j_н(см) = , % (4.7)

j_в(см) = , % где (4.8)

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

j_н1, j_н2, j_н3 — НКПР каждого компонента газовой смеси;

j_в1, j_в2, j_в3 — ВКПР каждого компонента газовой смеси.

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

для угарного газа j_н = 12,5 %; j_в = 74 %

для водорода j_н = 4 %; j_в = 75 %

для метана j_н = 5 %; j_в = 15 %

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

j_н(см) = = 4,58 %

j_в(см) = = 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:

Р_взр = , где (4.9)

Р₀ – начальное давление, кПа (МПа);

Т₀ – начальная температура, К;

Т_взр– температура взрыва, К;

m – число молей (киломолей) газообразных продуктов горения;

n – число молей (кисломолей) исходных газообразных веществ.

1. Уравнение реакции горения гексана в воздухе:

С₆Н₁₄ 9,5( О₂ 3,76 N₂ ) =6СО₂ 7Н₂О 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:

Р_взр = = 921,1 кПа

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