Пожароопасные свойства 4-метил-2-этилпентанола

Введение

В курсовой работе предлагается теоретически на основании расчетных методов определить параметры горения и взрыва выбранного горючего вещества, охарактеризовать его пожаровзрывоопасные свойства и сравнить полученные расчетные значения с экспериментально установленными показателями пожарной опасности, имеющимися в справочной литературе.

Для помещений заданных размеров определить массу горючего вещества, при испарении которого в помещении образуется наиболее взрывоопасная паровоздушная смесь, определить тротиловый эквивалент взрыва такой смеси, рассчитать безопасное расстояние по действию воздушной ударной волны и количество флегматизатора, необходимого для предотвращения взрыва.

1. Расчёт параметров горения и взрыва

1.1 Расчёт адиабатической температуры горения Адиабатическую температуру горения вещества находят при условии отсутствия теплопотерь, для стехиометрической смеси горючего с воздухом, т. е. при = 1.

1) Составляем уравнение реакции горения 4-метил-2-этилпентанола в воздухе.

C8H18О+ 12(О2 + 3,76N2) 8СО2 + 9Н2О + 123,76N2

По уравнению реакции находим состав продуктов сгорания при сгорании 1 моль 4-метил-2-этилпентанола:

nC8Н18О = 1; nCO2 = 8; nН2О = 9; nN2 = 45,12.

Объём продуктов сгорания составляет:

VCO2 = 8 моль/моль; VН2О = 9 моль/моль; VN2 = 45,12 моль/моль.

2). Используя следствие закона Гесса, рассчитываем низшую теплоту сгорания 4-метил-2-этилпентанола:

Qсгор.= nCO2*?fH0298CO2 + nH2O*?fH0298H2O — nC8H18О*?fH0298C8Н18О, кДж/моль;

По табл. III приложения[1] определяем значения стандартных теплот образования горючего вещества и продуктов горения:

?fH0298C8H18О = 385 кДж/моль;

?fH0298CO2 = 393,51 кДж/моль;

?fH0298H2O= 241,84 кДж/моль

Qсгор. = 8*393,51 + 9*241,84 — 385 = 4939,64 кДж/моль.

3)Так как теплопотери отсутствуют, то всё выделившееся тепло идёт на нагрев продуктов горения. Среднее теплосодержание 1 моля продуктов горения будет составлять:

кДж/моль.

Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры [1,табл. IV, прил.], устанавливаем какой температуре соответствует такое теплосодержание. Ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения, определяем что при температуре 2300С теплосодержание азота 77,8 кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры.

При Т1 = 2300 С

Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения, поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2300 С. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов горения до 2200 С.

Так как, значит Тг 2200С При температуре 2100С Так как, значит Тг 2100С При температуре 2000С

уже меньше, чем, из этого можно сделать вывод, что температура горения имеет значение между 2000 и 2100С. Уточним эту температуру линейной интерполяцией между двумя ближайшими значениями:

Тг = 2371 К.

1.2 Расчёт температуры взрыва Температуру взрыва находят при условии отсутствия теплопотерь. Запишем уравнение химического превращения при взрыве (аналогично уравнению горения):

C8H18О + 12(О2 + 3,76N2) 8СО2 + 9Н2О + 123,76N2

Объём продуктов сгорания составляет:

VCO2 = 8 моль/моль; VН2О = 9 моль/моль; VN2 = 45,12 моль/моль;

Низшая теплота сгорания 4-метил-2-этилпентанола:

Qсгор. = 4939,64 кДж/моль.

Так как процесс взрыва адиабатно-изохорный, то всё выделившееся тепло идёт на увеличение внутренней энергии. Среднее значение внутренней энергии продуктов горения будет составлять:

кДж/моль.

Воспользовавшись зависимостью внутренней энергии газов от температуры [1,табл. V, прил.], устанавливаем какой температуре соответствует такое значение внутренней энергии. Ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах взрыва, определяем что при температуре 3000С внутренняя энергия азота 79,8 кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты взрыва до такой температуры. При Т1 = 3000 С, Но это больше той энергии, которая выделилось в результате взрыва, поэтому можно сказать, что температура взрыва меньше, чем 3000 С. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов взрыва до 2900 С.

Так как, значит Тг 2900С При температуре 2800С Так как, значит Тг 2800С При температуре 2700С Так как, значит Тг 2700С При температуре 2600С

уже меньше, чем, из этого можно сделать вывод, что температура взрыва имеет значение между 2600 и 2700С. Уточним эту температуру линейной интерполяцией между двумя ближайшими значениями Твзр = 2887 К.

1.3 Расчёт концентрационных пределов распространения пламени По аппроксимационной формуле можно рассчитывать значении и нижнего, и верхнего концентрационных пределов распространения пламени для стандартных условий, т. е. при температуре 25 оС или 298 К:

где — стехиометрический коэффициент при кислороде (число молей кислорода, необходимое для полного сгорания 1 моля горючего вещества, определяемое по уравнению реакции горения),? = 12;

a, b — константы, имеющие определённы значения для НКПРП и ВКПРП в зависимости от значения, приведённые в таблице 2[1].

?H0 = 100/(8,684*12 + 4,679) = 0,92 об.%.

Так как = 12, что больше 7,5, то для расчета ВКПР по таблице выбираем: а = 0,768 и b = 6,554

?В0 = 100/(0,768*12 + 6,554) = 6,34 об.%.

1.4 Расчёт минимальной флегматизирующей концентрации азота Минимальную флегматизирующую концентрацию находим из условия минимальной адиабатной температуры горения стехиометрической смеси, где Тг = 1500 К.

тротиловый взрыв диоксид углерод

;

Где — объём горючего, кислорода и азота, участвующих в горении моль/моль; Vф — объём флегматизатора, моль/моль.

Низшая теплота сгорания Qн = 4939,64 кДж/моль.

По уравнению реакции oбъём продуктов сгорания составляет:

VCO2 = 8 моль/моль; VН2О = 9 моль/моль; VN2 = 45,12 моль/моль;

Тогда объём флегматизатора будет равен:

Где Vпгi — объём i — го продукта горения, моль/моль;

 — теплоёмкость продуктов горения и флегманизатора, кДж/моль*К [1, табл. IV, прил.].

Объем флегматизатора в предельной по горючести стехиометрической смеси составит:

57,41 моль/моль.

Минимальная флегматизирующая концентрация азота составит:

.

1.5 Расчёт концентрации горючего в точке флегматизации Концентрация горючего в точке флегматизации:

1.6 Расчёт зависимости КПР от концентрации флегматизатора КПРП 4-метил-2-этилпентанола в воздухе равны 0,92 — 6,34 об. %. По полученным данным строим зависимость КПРП от концентрации флегматизатора. Зависимость КПРП 4-метил-2-этилпентанола от концентрации флегматизатора (азот)

1.7 Расчёт минимального взрывоопасного содержания кислорода МВСК рассчитывается по формуле:

= = 10,38%.

1.8 Расчёт температурных пределов распространения пламени По рассчитанным значениям концентрационных пределов распространения пламени 4-метил-2-этилпентанола н0 = 0,92%, в0 = 6,34% определяем давление насыщенного пара на нижнем и верхнем температурных пределах распространения пламени по формуле:

Рtн = ?н*Р0/100 = 0,92*101 325/100 = 932,19 Па;

Рtв = ?в*Р0/100 = 6,34*101 325/100 = 6424,01 Па.

Находим значения констант уравнения Антуана 4-метил-2-этилпентанола [1,табл.III, прил.]: А = 5,70 756, В = 1134,599, С = 129,195. Рассчитываем температурные пределы распространения пламени по уравнению Антуана:

tн = B/(A — lgPtн) — С = 1134,599/(5,70 756 — lg0,93 219) — 129,195 = 68,50С;

tв = B/(A — lgPtв) — С= 1134,599/(5,70 756 — lg6,42 401) — 129,195 = 102,4 0С.

1.9 Расчёт температуры самовоспламенения Записываем структурную формулу соединения и нумеруем все атомы углерода в молекуле:

CH2 — CH3

OH — CH2 — CH — CH2 — CH — CH3

CH3

Находим все углеродные цепи с одинаковым числом атомов углерода в молекуле заданного вещества. В молекуле четыре концевых группы: три метильных (-СН3) и одна гидроксильная (-ОН), т. е. Мр = 4. Тогда число цепей М = Мр*(Мр — 1)/2 = 4*(4 — 1)/2 = 6.

Составим таблицу, в которую внесём цепи и их длину:

Находим среднюю длину углеродной цепи по формуле:

lcp = (m1*l1+m2*l2+m3*l3+m4*l4+m5*l5+m6*l6)/

=(1*6+1*6+1*5+1*6+1*6+1*3)/6 = 5,3

По табл. VIII Приложения для алифатических спиртов находим по средней длине цепи температуру самовоспламенения. Для алифатического спирта, имеющего среднюю длину углеродной цепи, равную 5,3, температура самовоспламенения будет равна 579 К.

1.10 Расчёт максимального давления взрыва По уравнению реакции горения число моль газов до взрыва.

= 1 + 12 + 12*3,76 = 58,12 (моль) По уравнению реакции горения число моль продуктов горения.

= 8 + 9 + 12*3,76 = 62,12 (моль) Рассчитываем давление взрыва паров 4-метил-2-этилпентанола при заданных условиях. На момент взрыва принимаем: давление и температура были близки к нормальным условиям (Р0 = 0.1 МПа; Т0 = 273К) Рвзр= Р0*Твзр*nпг/(Т0* nсм) = 0,1*2887*62,12/(273*58,12)=1,13 (МПа).

mTHT = QH/QTHT

где QH — теплота взрыва 4-метил-2-этилпентанола, равная его низшей теплоте сгорания кДж/кг; при пересчёте на 1 кг вещества QH = 5605,3/µC8H18О = 4939,64 /130 = 38МДж/кг;

QTHT = 4,187*103 кДж/кг — теплота взрыва тротила.

mTHT = 38*106/(4,187*106) =9,1(кг тротила)

2. Сравнение полученных расчётных значений со справочными данными Расчётные значения параметров горения и взрыва вещества 4-метил-2-этилпентанола

Справочные значения параметров горения и взрыва вещества 4-метил-2-этилпентанола

Данные, полученные расчётным путём незначительно отличаются от справочных величин. Следовательно, предложенные расчётные методы можно использовать для определения параметров горения и взрыва вещества 4-метил-2-этилпентанола. На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что 4-метил-2-этилпентанол является легковоспламеняющейся опасной жидкостью. При его горении можно использовать воздушно-механическую пену, порошки. При объёмном тушении — аэрозольные составы.

3. Определение параметров взрыва паровоздушной смеси в помещении

1). Количество вещества, А (в кг), которое должно испариться в помещении размерами a? b?h чтобы в нем создалась наиболее взрывоопасная паровоздушная смесь, находят из условия образования в помещении паро-воздушной смеси стехиометрического состава.

Из уравнения горения видно, что стехиометрическая смесь 4-метил-2-этилпентанола с воздухом содержит 1 моль 4-метил-2-этилпентанола, 12 моль кислорода и 45,12 молей азота. Концентрация горючего в такой смеси

?г = nC8H18О*100/(nC8H18О + nO2 + nN2) = 1*100/(1+12+45,12)=1,72%.

Объём паров вещества в помещении:

Vr = axbxh* ?г = 7*4*3*0,0172 = 1,45 м³.

Масса паров вещества, которая должна испариться в помещении чтобы в нем создалась наиболее взрывоопасная паровоздушная смесь:

m = Vr*MC8H18О/Vµ = 1,45*130/22,4 = 8,42 кг.

2) Тротиловый эквивалент взрыва (МТНТ) парогазовой смеси в по-мещении :

МTHT = QH*m/QTHT = 8,42*38*106/(4187*103) = 76,4(кг тротила) где QH — теплота взрыва 4-метил-2-этилпентанола, равная его низшей теплоте сгорания кДж/кг; при пересчёте на 1 кг вещества QH = 4939,64/µC8H18О = 4939,64/130 = 38МДж/кг;

QTHT = 4,187*103 кДж/кг — теплота взрыва тротила.

3). Размер безопасной зоны по действию давления воздушной ударной волны:

Rбез = 15 = 15 = 63,6 м.

4). Определение количества диоксида углерода, необходимого для предотвращения взрыва в помещении:

Объём флегматизатора (СО2) будет равен:

Где Vпгi — объём i — го продукта горения, моль/моль;

 — теплоёмкость продуктов горения и флегманизатора, кДж/моль*К [1, табл. 1];

Qн — низшая теплота сгорания 4-метил-2-этилпентанола.

Так как в этих условиях сгорание идёт в основном с образованием СО, рассчитаем низшую теплоту сгорания 4-метил-2-этилпентанола для такого случая.

Запишем уравнение горения 4-метил-2-этилпентанола:

C8H18О + 8О2 = 8СО + 9Н2О Теплота сгорания 4-метил-2-этилпентанола в этом случае по закону Гесса:

Qн.= nCO*?fH0298CO + nH2O*?fH0298H2O — nC8H18О*?fH0298C8Н18О

Qн.= 8*112,7 + 9*242,2 — 385 = 2696,4кДж/моль.

Составим уравнение материального баланса процесса горения 4-метил-2-этилпентанола, включив в него и флегманизатор (СО2):

C8H18О + 8О2 + 8*3,76*N2 + nфСО2 = 8СО + 9Н2О +8*3,76N2 + nфСО2,

где nф — число молей флегманизатора.

Тогда получим Из правой части уравнения материального баланса видно, что объём продуктов сгорания :

VCO = 8 моль/моль; VН2О = 9 моль/моль; VN2 = 30,08 моль/моль;

Объем флегматизатора в предельной по горючести стехиометрической смеси составит:

12,07 моль/моль.

Перепишем уравнение материального баланса для сгорания смеси предельного состава:

C8H18О + 8О2 + 8*3,76*N2 + 12,07СО2 = 8СО + 9Н2О +8*3,76N2 + 12,07СО2

В исходной горючей смеси (левая часть уравнения) на 1 моль 4-метил-2-этилпентанола приходится 8 моль кислорода, 30,08 моль азота и 12,07 моль флегманизатора.

Минимальная флегматизирующая концентрация СО2 составит:

.

Объём паров вещества (СО2) в помещении:

Vr = axbxh* ?ф = 7*4*3*0,2363 = 19,85 м³.

Масса паров вещества СО2

m (СО2) = Vr*MCO2/Vµ = 19,85*44/22,4 = 38,93 кг.

Результаты расчетов, выполненных по пунктам 3.1−3.4, оформляем в виде таблицы.

Параметры взрыва паровоздушной смеси 4-метил-2-этилпентанола в помещении объёмом V = 84 м³.

В курсовой работе были рассмотрены и рассчитаны пожароопасные свойства 4-метил-2-этилпентанола, такие как температура горения, температура взрыва, концентрационные и температурные пределы распространения пламени, температуры самовоспламенения, максимального давления взрыва, тротиловый эквивалент. Также были рассмотрены в качестве флегманизаторов азот и диоксид углерода, определено их количество для погашения пожара.

1. Андросов А. С., Бегишев И. Р., Салеев Е. П. Теория горения и взрыва: Учебное пособие. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2007. — 240 с.

2. Андросов А. С., Салеев Е. П. Примеры и задачи по курсу «Теория горения и взрыва»: Учебное пособие. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2008. — 80 с.

3.Баратов А. Н., Корольченко А. Я., Кравчук Г. Н и др. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочн. Изд. В 2-х книгах, 1990. — М.: Химия. — 384 с.

4. Г. Т. Земский «Физико — химические и огнеопасные свойства химических органических соединений» в 2-х книгах. .М. 2009 г.кн.1−502с., кН.2−458с.

.ur