Расчет основных параметров горения и взрыва
Вид горения, его параметры определяются физическими процессами и условиями, они являются доминирующими, но в основе горения лежит химическое превращение горючего и окислителя в продукты горения. Поэтому все характеристики процесса горения в конечном итоге определяются условиями протекания химической реакции. В этой связи важно уметь составлять уравнения материального и теплового баланса реакции… Читать ещё >
Расчет основных параметров горения и взрыва (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Введение
Горение — основной процесс на пожаре, поэтому изучение явления горения следует начинать с рассмотрения механизма протекания элементарных реакций, а затем переходить к представлениям о нем на уровне брутто — реакций с позиций общей и химической термодинамики. Такой подход к проблеме горения обеспечивает понимание разнообразных практических вопросов, с которыми сталкиваются специалисты пожарной охраны в своей повседневной деятельности, будь то профилактика пожаров, динамика их развития или же вопросы тушения.
На молекулярно — кинетическом уровне представлений о химических реакциях возможность возникновения и протекания горения обусловлена числом и энергией столкновения молекул горючего и окислителя. В свою очередь оба этих параметра являются функцией температуры. С увеличением температуры возрастает скорость теплового движения молекул, увеличивается число эффективных соударений, появляются условия для реагирования горючего с окислителем, т. е. возникновения и развития горения. Здесь уместно вспомнить законы химической кинетики, которые изучались в курсе общей химии.
Представив, как протекают реакции в горючей смеси на молекулярном уровне, становится понятным смысл суммарных характеристик процесса — скорости и теплового эффекта. При изучении этого материала обратите внимание на основные законы химической кинетики, зависимость скорости реакции от температуры (закон Аррениуса) и давления горючей смеси, закон действия масс, т. е. увеличение скорости реакции с возрастанием концентрации реагентов. Скорость реакции максимальна при стехиометрическом составе смеси. Соответственно при этой концентрации максимальна и интенсивность тепловыделения экзотермических реакций.
Упомянутые вопросы из раздела химической кинетики важны в физике и химии процессов горения для объяснения понятий концентрационных пределов воспламенения, механизма действия огнетушащих веществ, гасящего влияния «холодной стенки» и т. д.
Законами химической кинетики строго можно описать только один вид горения — гомогенное кинетическое, когда горючее и окислитель находятся в одной фазе и предварительно перемешаны, тогда скорость собственно химической реакции зависит от природы реагирующих веществ. Но поскольку интенсивность протекания процесса горения зависит в общем случае от характера передачи вещества и тепла в зону реакции, т. е. от движения газа, пара, воздуха, диффузии и теплопроводности, то степень подготовленности горючей смеси в газодинамические условия, в которых находится горючая смесь, оказываются факторами, определяющими все параметры горения на пожаре. Следует различать диффузионное и кинетическое горение, гомогенное и гетерогенное, ламинарное и турбулентное, знать, что степень турбулизации газового потока определяется числом Рейнольдса и зависит от плотности и вязкости среды, скорости потока, его поперечного сечения. При Re
Вид горения, его параметры определяются физическими процессами и условиями, они являются доминирующими, но в основе горения лежит химическое превращение горючего и окислителя в продукты горения. Поэтому все характеристики процесса горения в конечном итоге определяются условиями протекания химической реакции. В этой связи важно уметь составлять уравнения материального и теплового баланса реакции горения, учитывать влияние коэффициента избытка воздуха на состав продуктов горения и температуру горения, т.к. они определяют пожароопасные характеристики веществ и материалов, дают возможность оценивать реальную обстановку на пожаре и правильно организовывать деятельность пожарных.
Исходные данные
Номер варианта | Номер задачи | |
1, 2, 4, 5, 6 | ||
1, 3, 4, 5, 6 | ||
2, 3, 4, 5, 6 | ||
1, 2, 4, 5, 6 | ||
2, 3, 4, 5, 6 | ||
1, 3, 4, 5, 6 | ||
1, 2, 4, 5, 6 | ||
2, 3, 4, 5, 6 | ||
1, 2, 4, 5, 6 | ||
2, 3, 4, 5, 6 | ||
Задача 1
Вычислить состав и объем продуктов горения соединения анилин, если горение протекает при коэффициенте избытка воздуха В=1.1, потери тепла излучением зоны горения составляют =0.20, %.
Решение. Из возможных способов решения задачи следует остановиться на расчете объема воздуха и продуктов горения по уравнению химической реакции, т.к. в условии задачи указана химическая формула горючего вещества (или ее можно записать по названию соединения). Следовательно, необходимо записать уравнение реакции горения анилина в воздухе:
C6H5NH2+7.75O2+7.753,76N2=6CO2+3.5H2O+7.754,76N2.
Определив молекулярную массу горючего, можно, составив пропорцию, рассчитать и количество воздуха, необходимое для сгорания анилина, а также и объем продуктов горения.
Молекулярная масса анилина=93
м3/кг Действительное количество воздуха с учетом коэффициента избытка воздуха В=1,3 рассчитывается по выражению: VВ=1,19.77=10.75 м3, а избыток воздуха: VВ-VВ0=10.75−9.77=0.98 м3.
Объем продуктов горения также определяется по уравнению реакции: из 93 кг анилина образуется 622,4 м³ углекислого газа, 3.522,4 м³ водяного пара, 7.54,7622,4 м³ азота, расчетный объем продуктов горения анилина находятся из выражения:
м3.
С учетом избытка воздуха полный объем продуктов горения:
VП.Г. = 10.89+9.77=20.66 м3.
Определяем низшую теплоту сгорания анилина:
Qн = ?(ni*?HI-nj*?Hj)
Теплота образования анилина=29.7 кДж/моль Теплота образования СО2=369,9 кДж/моль, Н2О=242,2 кДж/моль
Qн = 6*369.9+3.5*242,2−29.7*1=3037.4кДж/моль Так как по условию задачи 20% тепла теряется, то определяем количество тепла пошедшее на нагрев продуктов горения
Qпг = Qн*(1-з)
Qн = Qпг =3031.4*(1−0,20)=2429.92 кДж/моль Определяем действительную температуру горения:
Тг =Т0+
Таким образом, практический объем продуктов горения при t=1509.66 К м3/м3
Задача 2
Вычислить состав и объем продуктов горения вещества церезин, если элементный состав его: C-85%, H-14%, O-1%, S-%, N-%, W-%, золы-%. Горение протекает при избытке воздуха В=1,2 потери тепла излучением составляют =0,20%.
Решение. Для решения задачи необходимо записать балансы элементарных реакций горения углерода, водорода с учетом процентного содержания каждого элемента в 1 кг горючего, но есть уже готовые формулы, которыми можно воспользоваться, например, объем воздуха:
м3/кг.
Поскольку азот, влага и зола не горят. Тогда объем воздуха, пошедший на горение, будет: м3/кг.
Объем продуктов горения рассчитывается исходя из элементного состава горючего следующим образом. Из уравнений элементарных реакций известно, что объем углекислого газа при горении 1 кг углерода составляет 1,86 м³, сернистого газа из 1 кг серы — 0,7 м³ и т. д. Но в условии задачи углерода в горючем 85%, что составляет 0,85 кг углерода, равно. В состав продуктов горения войдут азот, углекислый газ, водяной пар с учетом влаги из горючего вещества: м3/кг;
м3/кг;
м3/кг,
м3/кг.
Qн = 339,4С+1257Н-108,9(О-S)-25,1(9Н+W)
Qн=339,4*0,85+1257*0,14−108,9*1−25,1(9*0,14)=323.944 кДж/моль Так, как по условию задачи потери тепла излучением составляют =0,20%, то
Qпг = Q*(1-з)
Qн = Qпг =323.944*(1−0,2)=259.155 кДж/моль Определяем действительную температуру горения:
Тг=Т0+
Тг
Таким образом, практический объем продуктов горения при t=284.58 К м3/м3
Задача 4
Рассчитать температуру самовоспламенения вещества 2,3-диметил-4-этил-октан по средней длине углеродной цепи, определив число концевых групп и число цепей. При решении задачи воспользоваться табл.1−3 прил. данного пособия.
Решение. 1. Записываем структурную формулу соединения, нумеруя все атомы углерода:
1CH3 — 2CН — 3CН — 4CH — 5СН2 — 6СН2- 7СН2 — 8СН3
9СН3 10СН3 11СН2 — 12СН3
2. В молекуле соединения определяем число цепей:
.
3. Определяем состав цепей:
1−2-3−4-5−6-7−8 1−2-9 1−2-3−10 1−2-3−4-11−12 12−11−4-5−6-7−8 10−3-4−11−12
9−2-3−4-5−6-7−8 C=3 9−2-3−10 9−2-3−4-11−12 10−3-4−5-6−7-8 C=5
С=8 C=4 C=6 C=7
m=2 m=2 m=2 m=2
4. Рассчитываем среднюю длину цепи:
5. По табл.1 прил. находим температуру самовоспламенения 2,3-диметил-4-этил-октан, отыскивая ее по значению средней длины цепи в молекуле соединения: ТСВ=567К.
6. Находим по справочной литературе ТСВ 2,3-диметил-4-этил-октан и сравниваем с расчетной.
Твсп=300+3.8 303.4 К Задача 5
Вычислить температуру вспышки Твсп метанола по формуле В. И. Блинова. Постоянная прибора А=40 и коэффициент диффузии паров жидкости D0=13,2 * 10−6 м2/с.
Решение. Для решения задачи по формуле В. И. Блинова необходимо иметь значение коэффициента в, для чего записываем уравнение реакции горения метанола:
CH3OH + 1,5О2 +1,5 · 3,76N2 = СО2 +2Н2О + 1,5· 3,76N2,
откуда в=1,5.
2. Вычислим произведение
рвпс· Твсп = 40/(13,2 * 10−6 · 1,5) = 2,2 020 202 020*10−6 Па· К.=
=2 020 202,020202 Па· К
3. Принимаем Т=278,0 К, находим, что давление пара при этой температуре составляет 5332,88 Па (табл.4 прил.). Тогда (р· Т)278,0К = 278,0*5332,88 = 1 482 540,64 Па· К, что меньше, чем произведения р· Т при Твсп.
4. Принимаем Т=285,1 К, находим, что давление пара 7999,32 Па. (р· Т)285,1К = 285,1*7999,32 = 2 280 606,132 Па· К, что уже больше произведения рвсп· Твсп.
5. Поскольку рвсп· Твсп находится между найденными значениями произведений р· Т при 278,0 и 285,1 К интерполяцией находим искомую Твсп:
6.Справочное значение Твсп=278К Погрешность расчета Д=(282,78−278)/278*100%=1,72%
Задача 6
горение химический тепловой материальный Рассчитать концентрационные пределы воспламенения метилового спирта, значения которых вычислить по теплоте сгорания.
Решение. Зная, что предельная теплота сгорания 1 м³ газовоздушной смеси равна приблизительно 1830 кДж/м3, НКПВ находим по формуле НКПВ = 1830· 100/Qн, НКПВ = 1830· 100/71 600,0 = 2,56%.
Экспериментально найденное значение предела — 2,56%. В таблице приведены значения низших теплот сгорания некоторых веществ.
Низшая теплота сгорания некоторых горючих материалов
Наименование вещества | Низшая теплота сгорания, кДж/м3 | Наименование вещества | Низшая теплота сгорания, кДж/м3 | |
Метан | 35 874,78 | Пропилен | 86 087,74 | |
Этан | 63 838,84 | Бутилен | 113 620,23 | |
Пропан | 91 350,38 | Ацетилен | 56 091,53 | |
Бутан | 118 761,36 | Бензол | 142 560,56 | |
Этилен | 59 104,14 | |||
Метиловый спирт | 71 600,0 | |||
Амиловый спирт | 20 190.0 | |||
Заключение
Приступая к изучению курса «Теория горения и взрыва», необходимо представлять, что горение есть главный и основной процесс на пожаре. Знание химической и физической сути явления и законов горения необходимо для успешной работы инженера противопожарной техники и безопасности в любой области его деятельности. Этот курс является теоретической основой ряда специальных дисциплин.
Использованная литература
1. Абдурагимов И. М., Андросов А. С., Исаева Л. К., Крылов Е. В. Процессы горения: Учеб. пособие — М.: ВИПТШ МВД СССР, 1984.
2. Абдурагимов И. М., Говоров В. Ю., Макаров В. Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: Учеб. пособие. — М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980.
3. Монахов В. Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. — М.: Химия, 1979.
Приложение Таблица 6
Номер варианта | Название соединения | В | % | |
Анилин | 1,1 | 0,20 | ||
Гексан | 1,3 | 0,30 | ||
Бутанол-1 | 1,2 | 0,40 | ||
Толуол | 1,2 | 0,30 | ||
Амиловый спирт | 0,40 | |||
Глицерин | 1,5 | 0,20 | ||
Этиленгликоль | 1,3 | 0,25 | ||
Пропанол-1 | 1,6 | 0,20 | ||
Диэтиловый эфир | 1,1 | 0,40 | ||
Уксусноэтиловый эфир | 1,2 | 0,30 | ||
Таблица 7
Номер варианта | Название соединения | Содержание веществ, % | В | % | |||||||
C | H | O | S | N | W | зола | |||||
Церезин | ; | ; | ; | ; | 1,2 | 0,20 | |||||
Уголь | 3,4 | 0,6 | ; | 1,3 | 0,10 | ||||||
Древесина | ; | ; | 1,2 | 0,20 | |||||||
Бензин | 0,1 | ; | 0,1 | ; | ; | 1,1 | 0,30 | ||||
Соляровое масло | 0,3 | 0,4 | ; | ; | ; | 1,2 | 0,30 | ||||
Мазут | ; | ; | 1,3 | 0,20 | |||||||
Керосин | 0,3 | ; | ; | ; | 1,5 | 0,30 | |||||
Горючий сланец | 1,2 | 0,10 | |||||||||
Горючий сланец | 1,8 | 4,1 | 2,9 | ; | 1,3 | 0,20 | |||||
Антрацит | 2,7 | 3,4 | 0,4 | 0,5 | 5,5 | 1,1 | 0,20 | ||||
Таблица 8
Состав смеси, % объемн. | Номер варианта | ||||||||||
Окись углерода | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | |||
Водород | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | |||
Метан | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ||||
Этан | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | |||
Пропан | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | |||
Бутан | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ||
Пентан | ; | ; | ; | ; | ; | ; | |||||
Этилен | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ||||
Пропен | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ||
Бутен | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | |||
Пентен | ; | ; | ; | ; | ; | ; | |||||
Бензол | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ; | ||
Ацетилен | ; | ; | ; | ; | ; | ||||||
Углекислый газ | ; | ; | ; | ||||||||
Азот | ; | ; | ; | ; | |||||||
Кислород | ; | ; | |||||||||
В | 1,2 | 1,3 | 1,1 | 1,1 | 1,2 | 1,2 | 1,1 | 1,5 | 1,4 | ||
% | 0,10 | 0,15 | 0,20 | 0,20 | 0,15 | 0,15 | 0,20 | 0,20 | 0,15 | 0,10 | |
Таблица 9
Номер варианта | Название соединения | |
2,3-диметил-4-этил-октан | ||
2,2,4-триметилпентан | ||
1,3-диметил-4-пропилбензол | ||
2, 2,3,3 — тетраметилбутан | ||
1-метил-4,5-диизопропилбензол | ||
2,2-диметилбутанол-1 | ||
2,2-диметил-3-этил-пропанол-1 | ||
2,3-диметил-3-этил-бутанол-1 | ||
1-метил-2этил-3пропилбензол | ||
2,2-диэтилпентанол-1 | ||
Таблица 10
Номер варианта | Вещество | Т0 | А | D0106, м2/с | |
Метанол | 13,2 | ||||
Этанол | 10,2 | ||||
Пропанол | 8,5 | ||||
Бутанол | 7,0 | ||||
Амиловый спирт | 5,9 | ||||
Ацетон | 8,6 | ||||
Октан | 6,0 | ||||
Сероуглерод | 8,8 | ||||
Толуол | 7,1 | ||||
Этиловый эфир уксусной кислоты | 7,1 | ||||
Таблица 11
Номер варианта | Название соединения | Метод расчета КПВ | |
Метиловый спирт | По теплоте сгорания | ||
Уксусный альдегид | По аппроксимационной формуле | ||
Амиловый спирт | По теплоте сгорания | ||
Ацетон | По аппроксимационной формуле | ||
Октан | По аппроксимационной формуле | ||
Диэтиловый эфир | По аппроксимационной формуле | ||
Бутиловый спирт | По аппроксимационной формуле | ||
Пропиловый спирт | По аппроксимационной формуле | ||
Бензол | По аппроксимационной формуле | ||
Этиловый спирт | По аппроксимационной формуле | ||
Связь единиц параметров с постоянной прибора А
Определяемый параметр | Численное значение постоянной А | Коэффициент диффузии | Давление | Температура | |
Единица измерения | |||||
Твсп | 40 К· Па·м2/с | м2/с | Па | К | |
Твоспл | 45 К· Па·м2/с | м2/с | Па | К | |
Твсп | 3000 К· мм рт. ст.· см2/с | см2/с | мм рт. ст. | К | |
Твоспл | 3400 К· мм рт. ст.· см2/с | см2/с | мм рт. ст. | К | |
Низшая теплота сгорания некоторых горючих материалов
Наименование вещества | Низшая теплота сгорания, кДж/м3 | Наименование вещества | Низшая теплота сгорания, кДж/м3 | |
Метан | 35 874,78 | Пропилен | 86 087,74 | |
Этан | 63 838,84 | Бутилен | 113 620,23 | |
Пропан | 91 350,38 | Ацетилен | 56 091,53 | |
Бутан | 118 761,36 | Бензол | 142 560,56 | |
Этилен | 59 104,14 | |||
Метиловый спирт | 71 600,0 | |||
Амиловый спирт | 20 190.0 | |||
Значения констант, а и в зависимости от в
Область применения | а | в | |
Для вычисления нижнего предела | 8,684 | 4,679 | |
Для вычисления верхнего предела при в? 7,5 при в > 7,5 | 1,550 0,768 | 0,560 6,554 | |
Температура самовоспламенения (К) некоторых предельных углеводородов в зависимости от средней длины углеродной цепи
lср | Тс | lср | Тс | lср | Тс | lср | Тс | |
3,0 | 6,0 | 9,0 | 12,0 | |||||
3,1 | 6,1 | 9,1 | 12,1 | |||||
3,2 | 6,2 | 9,2 | 12,2 | |||||
3,3 | 6,3 | 9,3 | 12,3 | |||||
3,5 | 6,5 | 9,5 | 12,5 | |||||
3,6 | 6,6 | 9,6 | 12,6 | |||||
3,7 | 6,7 | 9,7 | 12,7 | |||||
3,8 | 6,8 | 9,8 | 12,8 | |||||
3,9 | 6,9 | 9,9 | 12,9 | |||||
4,0 | 7,0 | 10,0 | 13,0 | |||||
4,1 | 7,1 | 10,1 | 13,1 | |||||
4,2 | 7,2 | 10,2 | 13,2 | |||||
4,3 | 7,3 | 10,3 | 13,3 | |||||
4,4 | 7,4 | 10,4 | 13,4 | |||||
4,5 | 7,5 | 10,5 | 13,5 | |||||
4,6 | 7,6 | 10,6 | 13,6 | |||||
4,7 | 7,7 | 10,7 | 13,7 | |||||
4,8 | 7,8 | 10,8 | 13,8 | |||||
4,9 | 7,9 | 10,9 | 13,9 | |||||
5,0 | 8,0 | 11,0 | 14,0 | |||||
5,1 | 8,1 | 11,1 | 14,1 | |||||
5,2 | 8,2 | 11,2 | 14,2 | |||||
5,3 | 8,3 | 11,3 | 14,3 | |||||
5,4 | 8,4 | 11,4 | 14,4 | |||||
5,5 | 8,5 | 11,5 | 14,5 | |||||
5,6 | 8,6 | 11,6 | 14,6 | |||||
5,7 | 8,7 | 11,7 | 14,7 | |||||
5,8 | 8,8 | 11,8 | 14,8 | |||||
5,9 | 8,9 | 11,9 | 14,9 | |||||
15,0 | ||||||||
Температура самовоспламенения (К) некоторых предельных одноатомных спиртов в зависимости от средней длины углеродной цепи
lср | Тс | lср | Тс | lср | Тс | lср | Тс | |
2,0 | 4,4 | 6,8 | 9,2 | |||||
2,1 | 4,5 | 6,9 | 9,3 | |||||
2,2 | 4,6 | 7,0 | 9,4 | |||||
2,3 | 4,7 | 7,1 | 9,5 | |||||
2,4 | 4,8 | 7,2 | 9,6 | |||||
2,5 | 4,9 | 7,3 | 9,7 | |||||
2,6 | 5,0 | 7,4 | 9,8 | |||||
2,7 | 5,1 | 7,5 | 9,9 | |||||
2,8 | 5,2 | 7,6 | 10,0 | |||||
2,9 | 5,3 | 7,7 | 10,5 | |||||
3,0 | 5,4 | 7,8 | 11,0 | |||||
3,1 | 5,5 | 7,9 | 11,5 | |||||
3,2 | 5,6 | 8,0 | 12,0 | |||||
3,3 | 5,7 | 8,1 | 12,5 | |||||
3,4 | 5,8 | 8,2 | 13,0 | |||||
3,5 | 5,9 | 8,3 | 13,5 | |||||
3,6 | 6,0 | 8,4 | 14,0 | |||||
3,7 | 6,1 | 8,5 | 14,5 | |||||
3,8 | 6,2 | 8,6 | 15,0 | |||||
3,9 | 6,3 | 8,7 | 15,5 | |||||
4,0 | 6,4 | 8,8 | 16,0 | |||||
4,1 | 6,5 | 8,9 | 16,5 | |||||
4,2 | 6,6 | 9,0 | 17,0 | |||||
4,3 | 6,7 | 9,1 | 17,5 | |||||
Температура самовоспламенения (К) некоторых ароматических углеводородов в зависимости от средней длины углеродной цепи
lср | Тс | lср | Тс | lср | Тс | |
— 2 | ; | ; | ; | ; | ||
— 1,9 | 0,1 | 2,1 | ||||
1,8 | 0,2 | 2,2 | ||||
— 1,7 | 0,3 | 2,3 | ||||
— 1,6 | 0,4 | 2,4 | ||||
— 1,5 | 0,5 | 2,5 | ||||
— 1,4 | 0,6 | 2,6 | ||||
— 1,3 | 0,7 | 2,7 | ||||
1,2 | 0,8 | 2,8 | ||||
— 1,1 | 0,9 | 2,9 | ||||
— 1,0 | 1,0 | 3,0 | ||||
— 0,9 | 1,1 | 3,1 | ||||
— 0,8 | 1,2 | 3,2 | ||||
— 0,7 | 1,3 | 3,3 | ||||
— 0,6 | 1,4 | 3,4 | ||||
— 0,5 | 1,5 | 3,5 | ||||
— 0,4 | 1,6 | 3,6 | ||||
— 0,3 | 1,7 | 3,7 | ||||
— 0,2 | 1,8 | 3,8 | ||||
— 0,1 | 1,9 | 3,9 | ||||
2,0 | 4,0 | |||||
Константы уравнения для давления пара некоторых органических жидкостей в области температур от точки плавления до точки кипения
Жидкость | а | в | с | |
Ацетон | 19,557 | 3,966 | ||
Метиловый спирт | 22,43 | 4,634 | ||
Н-бутиловый спирт | 40,21 | 10,35 | ||
Н-амиловый спирт | 46,49 | 12,42 | ||
Н-гексиловый спирт | 51,00 | 13,80 | ||
Н-гептиловый спирт | 56,20 | 15,41 | ||
Н-октиловый спирт | 65,21 | 18,40 | ||
Бензол | 26,07 | 6,203 | ||