Теория горения и взрыва

Теория горения и взрыва

Министерство Российской Федерации

По делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий

Уральский институт ГПС МЧС России

Кафедра химии и процессов горения

Контрольная работа

по дисциплине: Теория горения и взрыва

Екатеринбург, 2011

Задание № 1

Рассчитать объём воздуха и продуктов горения (в об. %), образующихся при сгорании 10 кг вещества (таблица 2), если горение происходит при заданных условиях (таблица 2) и коэффициенте избытка воздуха a (табл. 2). Объём продуктов горения считать приведённым к заданным условиям.

Табл.2

Решение.

1.       Составляем уравнение реакции горения этиленгликоля в воздухе:

С2Н4 (ОН)2 + 2,5 (О2 + 3,76 N2) = 2CО2 + 3Н2О + 2,5×3,76 N2

. Объём воздуха, необходимый для сгорания 1 кг этиленгликоля рассчитываем по формуле:

,

учитывая при этом, что масса одного киломоля этиленгликоля составляет 62 кг/кмоль. Так как горение происходит при заданных условиях, для определения объема, который занимает 1 кмоль воспользуемся уравнением идеальных газов:

,

 откуда

, =101,3 кПа,To=273K

(м3/кг)

 (м3/кг)

4.       Действительный объём воздуха, пошедшего на сгорание 1 кг этиленгликоля рассчитывается с учётом коэффициента избытка воздуха a:

 (м3/кг)

. Избыток воздуха составит:

 (м3/кг)

5.       Теоретический объём продуктов горения рассчитываем по формуле:

 (м3/кг)

6.   Действительный объём продуктов горения составит:

 (м3/кг)

7.  Объём воздуха практически необходимого для сгорания 10 кг этиленгликоля составит соответственно 77,4 м3 (7,74 × 10), при этом выделится 86,9 м3 продуктов сгорания.

8.       Рассчитаем состав продуктов горения.

Учитывая, что горение протекает с избытком воздуха, то при расчёте количества молей продуктов горения учитывается избыточное число молей кислорода и азота ( и ):  

nобщ ==

=

.

Ответ: на сгорание 10 кг этиленгликоля необходимо 77,4 м3 воздуха, при этом образуется 86,9 м3 продуктов горения, из которых СО2 - 8,8 %, Н2О - 13,2 %, N2 - 70,3 %.

Задание №2

Определить объём и состав продуктов горения (в об. %) смеси газов (табл. 4), если горение происходит при коэффициенте избытка воздуха.

Табл.4

Решение.

1.       Составляем уравнения реакций горения смеси горючих газов в воздухе:

C2H5Cl + 3(O2 + 3,76 N2) = 2 CO2 + 2 H2O + HCl + 3 × 3,76 N2H4S + 6(O2 + 3,76 N2) = 4 CO2 + 2 H2O + SO2 + 6 × 3,76 N2NH2 + 2,25 (O2 + 3,76 N2) = CO2 + 2,5 H2O + 0,5 N2 + 2,25 × 3,76 N2

2.       Рассчитаем теоретические объёмы воздуха и продуктов горения при полном сгорании 1 м3 газовой смеси по формуле:

 (м3/м3)

3.       Рассчитаем действительные объёмы воздуха и продуктов горения с учётом 20 % - ного избытка воздуха (a = 1,2).

 (м3/м3)

 (м3/м3)

4.       Рассчитаем состав продуктов горения.

Учитывая, что горение протекает с избытком воздуха, то при расчёте количества молей продуктов горения учитывается избыточное число молей кислорода и азота ( и ):  

nобщ ==

=

.

Ответ: На сгорание 1м3 смеси газов заданного в условии состава требуется 7,55 м3 воздуха, при этом образуется 12,91м3 продуктов горения, из которых углекислый газ и пары воды составляют по 11,03%, а азот 74,64 % от общего объема.

Задание №3

горение воздух этиленгликоль пропанол

Методом последовательных приближений рассчитать адиабатическую температуру горения для стехиометрической смеси горючего вещества с воздухом (табл. 6)

Табл. 6

Решение.

1.         Составляем уравнение реакции горения пропилацетата в воздухе:

С5Н10 О2 + 6,5 (О2 + 3,76 N2) = 5CО2 + 5Н2О + 6,5×3,76 N2

2.         Объём продуктов горения составляет:

Таким образом, общий объём продуктов горения

.

. Теплота образования пропилацетата в справочниках отсутствует, поэтому ее рассчитаем. По закону Гесса, теплота реакции равна сумме теплот образования продуктов реакции за вычетом теплот образования исходных веществ.

Поэтому записываем реакцию образования пропилацетата:

COOH + C3H7OH = CH3COOC3H7 + H2O

Далее по справочнику определяем теплоту образования уксусной кислоты, пропилового спирта, воды (жидк.):

ΔQобр(CH3COOH) = 484.2 кДж/моль ΔQобр(C3H7OH) = 307.19 кДж/моль ΔQобр(H2O) = 286.3 кДж/моль Теплота реакции этерификации ΔQ(реакц) = 8.9 кДж/моль.

ΔQ(реакц) = ΔQобр(H2O) + ΔQобр(CH3COOС3Н7) - ΔQобр(CH3COOH) - ΔQобр(C3H7OH) ,

откуда теплота образования пропилацетата:

ΔQобр(CH3COOС3Н7) = ΔQобр(CH3COOH) + ΔQобр(C3H7OH) - Qобр(H2O) + ΔQ(реакц)=484.2+307.19-286.3-8.9=496,19 кДж/моль.

Так как |ΔQ|=|-ΔH|, следовательно ΔH = -496,19кДж/моль

. Подставляя полученные данные, рассчитаем низшую теплоту сгорания пропилацетата по следствию из закона Гесса:

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

 (кДж/моль)

6.       Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры (табл. IX приложения к методическим рекомендациям), можно установить какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать , ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения. Из табл. IX видно, что при температуре 1900°С теплосодержание азота 63,1 кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры. При Т1 = 1900 °С

 (кДж/моль)

Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения , поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 1900 °С. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов горения до 1700 °С.

Но и , значит Тг < 1700°С

При температуре 1600°С

уже меньше, чем , из этого можно сделать вывод, что температура горения этанола имеет значение между 1700 и 1600°С. Уточним эту температуру линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениями:

или 1934,3 К

Ответ: адиабатическая температура горения пропилацетата составила 1934,3 К

Задание №4

Рассчитать, какое минимальное количество горючей жидкости (табл. 8) должно испариться в закрытом помещении объёмом Vп при нормальных условиях, чтобы создалась взрывоопасная концентрация горючих паров. Условно принять, что пары горючей жидкости равномерно распределены в объёме помещения. Нижний концентрационный предел распространения пламени рассчитать по предельной теплоте сгорания.

Табл.8

Решение.

.        Составляем уравнение реакции горения пропанола в воздухе:

С3Н7ОH + 4,5 (О2 + 3,76 N2) = 3 СО2 +4 Н2О + 4,5 *3,76 N2

2.       Рассчитываем низшую теплоту сгорания пропанола по закону Геса ( теплоты образования веществ взяты из приложения к методическим рекомендациям):

Qн = 396,9×7 + 242,2×7 - 307,19 = 1853,1 кДж/моль (справочные данные 1852 кДж/моль).

3.       Поскольку предельная теплота сгорания выражена в кДж/м3 и составляет 1830 кДж/м3, то и низшую теплоту сгорания выражаем в кДж/м3, учитывая что объём одного моля пропанола при нормальных условиях составляет 0,0224 м3:

. Рассчитываем НКПРП пропанола, учитывая что предельная теплота сгорания для большинства горючих веществ одинакова и равна 1830 кДж/м3:

. Рассчитываем объём паров пропанола, необходимого для создания НКПРП в ёмкости объёмом 800м3:

. Рассчитываем количество пропанола, при испарении которого в ёмкости объёмом 800 м3 создаётся минимальная взрывоопасная концентрация (т.е. НКПРП), учитывая, что 1 моль пропанола (М = 60 г/моль) при нормальных условиях занимает объём 0,0224 м3:

Ответ: для образования в ёмкости объёмом 800 м3 минимальной взрывоопасной концентрации пропанола в ней должно испариться 46,5 кг вещества.

Задание №5

Рассчитать температуру вспышки или температуру воспламенения горючей жидкости (табл. 12) по формуле В.И. Блинова. Сравнить найденное значение с экспериментальным, взятым из справочника.

Табл. 12

Решение.

.        Для решения задачи по формуле В.И. Блинова необходимо иметь значение коэффициента n - число молей кислорода, необходимое для полного сгорания одного моля паров бутанола, для чего записываем уравнение реакции горения бутилового спирта:

H9OH + 6(О2+ 3,76N2) = 4СО2 + 2Н2О + 6·3,76N2,            откуда n = 6.

2.       Из формулы В.И. Блинова

вычислим произведение

,

где D0 определяем по таблице IV приложения к методическим рекомендациям. D0=0.0681(м2/с)

При определении Твосп параметр А = 53,3 (К×Па.м2)/с, поэтому

. Найдем такую температуру, при которой произведение РТ будет равно 1304,5 кПа·К. Тогда найденное значение температуры будет соответствовать температуре воспламенения.

Воспользуемся для этого зависимостью давления насыщенного пара от температуры жидкости, приведенной в таблице XI приложения к методическим рекомендациям. Для бутанола при Т1 = 314,5 К давление паров составляет Р1 = 2,666 кПа, а Р1Т1 =838,46 кПа×K. Это меньше, чем РвоспТнп. При Т2 = 326,4 К давление паров Р2 = 5,332 кПа, а Р2Т2= =1740,37 кПа×К. Это уже больше, чем РвоспТнп. Значит, Твосп имеет значение между Т1 и Т2. Найдём его методом интерполяции:

Сравнение полученного значения с экспериментальным (314 К) показывает, что погрешность расчета по формуле В. И. Блинова для бутанола составляет 6,7 К.

Ответ: температура воспламенения бутанола 320,7 К.