Реакции горения вещества в воздухе

Задача 1

Условия: Рассчитать теоретически необходимое количество воздуха для сгорания m кг вещества при Т=-20 °С и Р=780 мм рт. ст.

Дано: Амилбензол C₁₁H₁₆;

m=3кг;

Т=-20 °С (253 К);

Р=780 мм рт. ст.(103 991 Па) Найти:

Решение: Горючее — индивидуальное химическое соединение, поэтому для расчёта используем формулу:, кг/м³

1) Составим уравнение химической реакции горения без учета стехиометрических коэффициентов:

C₁₁H₁₆ + O₂ + 3,76N₂ => CO₂ + H₂O + 3,76N₂

2) Расставляем стехиометрические коэффициенты в реакции горения: проверяем по O₂

C₁₁H₁₆ + 15 (O₂ + 3,76N₂) => 11CO₂ + 8H₂O + 15· 3,76N₂

найдём их значения: n_C11H16=1; n_O2=15; n_N2=15· 3,76=56,4.

3) Определяем молекулярную массу бензола: M=11· 12+1·16=148.

Объем 1 кмоля газа при нормальных условиях составляет 22,4 м³

= 10.806 м³/кг.

Для определения объёма воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются уравнением состояния идеальных газов:

.

м³

Тогда теоретический объём воздуха для сгорания вещества массой m = 3 кг составит: воздух сгорание горючий газ.

Vв=V₁· m_в = 19,96· 3= 59,88 м³

Ответ: Теоритическое количество воздуха C₁₁H₁₆ составляет V_В⁰ =59,88 м³

Задача 2.

Условие: Рассчитать теоретически необходимое количество воздуха для сгорания V м³ горючего газа.

Дано: Ацителен C₂H_2;

Vв = 25 м^3.

Найти: V_в⁰;

Решение:

1) Составим уравнение химической реакции горения без учета стехиометрических коэффициентов:

C₂H₂ + O₂ + 3,76N₂ => CO₂ + H₂O + 3,76N₂

2)Расставляем стехиометрические коэффициенты в реакции горения:

C₂H₂ + 2,5 (O₂ + 3,76N₂)=> 2CO₂ + H₂O + 2,5· 3,76N₂

найдём их значения: nC2H2=1; nO2=2,5; nN2 = 2,5· 3,76=9,4.

3) Определяем теоретически необходимое количество воздуха:

м³/м³.

4) Для определения коэффициента избытка воздуха воспользуемся формулой: ;

=2,1.

Ответ: Теоритически необходимое количество воздуха C₂H₆ составляет:

V_В⁰ = 11,9 м³; = 2,1.

Задача 3.

Условия: Определить объем продуктов горения при сгорании 1 кг Амилбензола, если температура кипения Т=1200 К, давление.

P=740 мм рт.ст., =1,1.

Дано: Амилбензол C₁₁H₁₆;

Т=1200 К;

Р=740 мм рт.ст.,.

=1,1.

Найти: V⁰_пг

Решение:

1) Горючее — индивидуальное химическое соединение. Запишем уравнение химической реакции горения:

C₁₁H₁₆ + 15O₂ + 15· 3,76N₂ => 11CO₂ + 8H₂O + 15· 3,76 N₂

• 2) Молекулярная масса горючего: М=11· 12+1·16=148.
• 3) Теоретический объём продуктов горения при нормальных условиях:

;

м³/кг.

4) Практический объём воздуха при нормальных условиях:

м³/кг.

5) Объём продуктов горения при заданных условиях:

м³/м³

Ответ: Объем продуктов горения V⁰_ПГ=56 м³/м³

Задача 4.

Условия: Определить объем и состав (% об.) продуктов горения, выделившихся при сгорании 1 м³ Ацителена, если температура горения составила T=1200 К, давление P=750 мм рт.ст.

Дано: Ацителен C₂H₂

T=1200 К,.

P=750 мм рт.ст.

Найти: V⁰_пг

Решение:

1) Составим уравнение химической реакции:

C₂H₂ + 2,5O₂ + 2,5· 3,76N₂ => 2CO₂ + H₂O + 2,5· 3,76N₂

1) Определим состав продуктов горения Ацителена:

V_CO2=2 кмоля; V_H2O=1 кмоля; V_N2= 9,4 кмоля; кмоля По формуле находим состав продуктов горения:

; ;

2) Определим объем для газа при нормальных условиях:

м³/м³

Объём продуктов горения при T=1200 К и давлении P=750 мм рт.ст.

м³/м³

Ответ: V⁰_пг=55,2 м³/м³;; ;

Задача 6.

Условие: Рассчитать концентрационные пределы распространения пламени паров i-ro вещества в воздухе. Результаты расчета сравнить с имеющимися справочными данными и определить относительную ошибку.

Дано: C₁₁H₁₆ Амилбензол Найти:

Решение: Расчёт КПР пламени проводим по аппроксимационной формуле. Определяем значение стехиометрического коэффициента при кислороде:

C₁₁H₁₆+15O₂=>11CO₂+8H₂O.

Расставим стехиометрические коэффициенты, сделав проверку по кислороду O₂: C₁₁H₁₆+15O₂=>11CO₂+8H₂O.

Следовательно: n = 15.

тогда значения констант нижнего КПР a =8.684 и b=4.679, а значение констант верхнего КПР т.к. n >7,5 принимаем, а = 0,768; b = 6,554 соответственно.

Определим Нижний и верхний КПР пламени, подставив их значения:

Ответ: НКПР = 5% и ВКПР = 15%.

Задача 8.

Условие: Амилбензол C₁₁H₁₆

Атмосферное давление — нормальное: 760 мм.рт.ст.

Определить температурные пределы распространения пламени, если его концентрационные пределы в воздухе равны 5 — 15%.

Решение: По формуле определим давление насыщенного пара амилового спирта, соответствующее нижнему и верхнему температурным пределам распространения пламени где давление насыщенного пара, соответствующее нижнему (верхнему) концентрационному пределу воспламенения; - нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени; - атмосферное давление.

Па; Па.

мм.рт.ст.; мм.рт.ст.

Из уравнения Антуана следует: .

Из табличных данных находим значение констант А, В и С для амилового спирта:

А = 6,92 129; В = 1457,020; С = 176,195.

lоgP_Н = lоg38=1,5797; lоgP_В =lоg114 = 2,0569.

Находим температурные пределы распространения (ТПР).

^оС = 369,82 К;

°С = 396,33 К.

Температурные пределы отличны от справочных материалов для горючих веществ.

Задача 5.

Условие: Рассчитать концентрационные пределы распространения пламени паров i-ro вещества в воздухе. Результаты расчета сравнить с имеющимися справочными данными и определить относительную ошибку.

Дано: Амилбензол C₁₁H₁₆

Решение: t = 96 С° до 123 С°.

Константы Антуана: A — 6,92 129; B — 1457,020; С_А — 176,195.

Для расчета необходимо определить давление насыщенных паров, соответствующее нижнему (96°С) и верхнему (123^оС) пределам распространения пламени.

По уравнению Антуана находим давление насыщенного пара для нижнего и верхнего КПР:

Р_н=36,3 мм. рт. ст = 51,2*133,3=4839,83 Па.

Р_в=112.2мм. рт. ст = 1348,9*133,3 = 14 956,50 Па.

Определим НКПР и ВКПР при нормальных условиях: Р₀ = 760 мм рт. ст =101 325 Па, по формуле: ,%

Ответ: для горючего вещества C₁₁H₁₆ НКПР при t = 96 С° составляет, а ВКПР при t = 123 С° равен .

Задача 7.

Рассчитать температурные пределы воспламенения, температуру вспышки паров i-ro вещества в воздухе. Результаты расчета сравнить с имеющимися справочными данными и определить относительную ошибку.

Условия: Амилбензол C₁₁H₁₆

Определить ТПР пламени, если температура его кипения равна 123 °C.

Решение: Расчет проводим по формуле для вещества в жидкой среде:

где — нижний (верхний) температурный предел распространения пламени; -температура кипений, ^оС; ,-константы для определенных групп (гомологических рядов) жидкостей.

Значение констант принимаем по табличным данным:

k_{н (в)}= 0,6957 (0,7874); l_{н (в)} =73,8(50,3).

t_н= 0,6957· 123 — 73,8 = 11,7+273 = 284,7 К;

t_в=0,7874· 123 — 50,3=46,5+273=319,5 К.

Определим относительную ошибку расчета. По табличным данным находим, что ТПР пламени составляют: 369−396 К.

Следовательно, результаты расчета занижены менее чем на 20%.

Определим температуру вспышки, для этого используем формулу Элея:

где t_ВС — температура вспышки, ^оС; t_КИП — температура кипения, ^оС;

k — Коэффициент, определяющий по формуле:

k=4m_C+m_H+4m_S+m_N-2m_O-2m_Cl-3m_F-5m_Br

где m_C, m_H, m_S, m_N, m_O, m_Cl, m_F, m_Br — количество элементов углерода, водорода, серы, азота, кислорода, хлора, фтора, брома в молекуле горючего вещества.

Для расчета по формуле необходимо принять температуру кипения Амилбензола (C₁₁H₁₆) и значение коэффициента k. Температура кипения 396 К или 123 °C.

Величину k определим по формуле:

k=4· 11+16=44+16=60.

Определим искомую величину температуры вспышки.

= 123 -18= -16,42 ^оC или 256,58 К.

Согласно справочным данным, температура вспышки Амилбензола равна 343 К (нижний придел ТПР). Определим ошибку расчета:

Результат расчета занижен на 25,19%.

Задача 9.

Рассчитать максимальное давление взрыва вещества смеси стехиометрического состава. На момент взрыва давление и температура были близки к нормальным условиям (Р_о=10⁵ Па, Т_о = 298 К). Температура взрыва 2905 К.

Условия: Амилбензол С₁₁Н₁₆

Решение.

Определяем состав, и объем исходной смеси и продуктов горения. Запишем уравнение химической реакции:

С₁₁H₁₆+ 15(O₂+3,76*N₂)=11CO₂+8H₂O+15*3,76*N₂

Из уравнения реакции следует: количество исходной смеси стехиометрического состава равно 70 моля; количество продуктов сгорания 75,4 моля.

Рассчитываем максимальное давление взрыва воздушной смеси вещества:

Избыточное давления взрыва Р будет равно:

Ответ: Па;

Задача 10.

Рассчитать безопасную концентрацию кислорода при разбавлении углекислым газом (CO₂) смеси паров вещества в воздухе.

Условия: Амлибензол C₁₁H₁₆.

Решение.

По табличным данным находим теплоту образования Амилбензол (C₁₁H₁₆) 298*10³Дж/моль. Из химической формулы Амилбензол (C₁₁H₁₆) следует, что т_с=11, т_н=16, т_о=0. Значения остальных параметров, необходимые для расчета по формуле:, выбираем по табличным данным для двуокиси углерода (CO₂):

=0,735*10^-5; =0,579; (=1,251;=0,418;=0,542); =2,020;

(=4,642;=1,160;=-2,321).

,

где — стандартная теплота образования горючего, Дж/моль; (по справочным материалам);, , — константы, зависящие от вида химического элемента в молекуле горючего и вида флегматизатора; - количество атомов i-го элемента (структурной группы) в молекуле горючего.

= 32,8%.

Следовательно, при снижении концентрации кислорода в четырехкомпонентной системе, состоящей из паров ацетона, двуокиси углерода, азота и кислорода, до 12,36% смесь становится взрывобезопасной.

Задача 11.

Рассчитать тротиловый эквивалент взрыва вещества Условия: Амилбензола С₁₁Н₁₆.

Решение.

Теплота взрыва Амилбензола принимается равной его низшей теплоте сгорания. Значение Q_н для (С₅Н₁₂О) составляет 6002,2 (6,002 *10³) кДж/моль.

При пересчете на 1 кг вещества теплота взрыва составит, для этого определим молекулярную массу вещества:

M _С11H16=12*11+1*16=148*10^-3 кг/моль.

Согласно соотношению тротиловый эквивалент взрыва вещества в смеси стехиометрического состава будет:

где — 4,187*10³ кДж/кг — теплота взрыва тротила (тринитротолуола).

Тогда Ответ:

Задача 12.

Определить низшую теплоту сгорания вещества, если известна теплота ее образования.

Условие: Амилбензол C₁₁H₁₆

Теплота образования — 298 кДж/моль Решение.

Для расчета составим уравнение горения вещества в кислороде:

C₁₁H₁₆ +15O₂= 11CO₂+8H₂O.

CO₂=396,6 кДж/моль,.

H₂O = 242,2 кДж/моль.

Q_н = (11*396, 6+8*242, 2−1*298) = 6002,2кДж/моль6,002*10³ кДж/кмоль.

Для расчета количества тепла, выделяющегося при горении 1 кг горючего, необходимо полученную величину разделить на его молекулярную массу (148) (C₁₁H₁₆ = 12*11+16*1=148).

40 555 кДж/кг.

Ответ: Q_н = 40 555 кДж/кг.

Задача 13.

Рассчитать теплоту сгорания 1 м³ стехиометрической воздушной смеси вещества.

Условие: Ацетилен C₂H₂

CO₂=396,6 кДж/моль,.

H₂O =242,2 кДж/моль.

C₂H₂=-224,6 кДж/моль Решение.

Находим стехиометрический состав горючей смеси по уравнению реакции горения:

C₂H₂+2,5(O₂+*3,76N₂)=2CO₂+Н₂О+2,5*3,76N₂

Весь объем вступивших в реакцию компонентов (1+2,5+2,5Ч3,76) принимаем за 100%, а количество горючего (1 кмоль) будет соответствовать стехиометрической концентрации.

7,75%.

Теплоту сгорания 1 м³ вещества определим по формуле:

Q_н = 2*396,6+2*242,2+224,6 = 1502,2 кДж/моль.

где объем 1 кмоля газа при стандартных условиях равен 22,4 м³

Теплоту сгорания 1 м³ стехиометрической воздушной смеси вещества определим по формуле:

Ответ: Q = 5197,34 кДж/м³.

Задача 14.

Определить количество сгоревшего вещества, кг, если заданный объем выделившейся при сгорании (СО₂) двуокиси углерода, приведенный к нормальным условиям, составил:

Условие: Амилбензол С₁₁Н₁₆

V (CO₂) = 11,9 м³

Решение.

Запишем уравнение реакции горения вещества в воздухе С₁₁Н₁₆ +15(O₂+*3,76N₂)=11CO₂+8H₂O+15*3,76N₂

Из уравнения следует, что при горении 148 кг (молекулярная масса амилбензола) выделяется 11Ч22,4 м³ двуокиси углерода.

Тогда для образования 11,9 м³ двуокиси углерода должно вступить в реакцию m_Г горючего:

= 15,72 кг.

Ответ: m_г =15,72 кг Задача 15.

Определить интенсивность тепловыделения на пожаре органической массы заданного вещества при известной Q_Н (по данным задачи 12), если скорость выгорания 0,015кг/(м²· с), а площадь пожара 150 м².

Условия: Амилбензол C₁₁H₁₆

Q_Н = 40 555 кДж/кг.

Решение: Согласно формуле где q_n — интенсивность тепловыделения, кВт;

F — площадь горения, м^2;

— скорость выгорания, кг/(м²· с) Ответ: q=91,2 МВт.