Расчет основных параметров горения и взрыва

Расчет основных параметров горения и взрыва

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<Reкр, равного 2300, движение носит ламинарный характер. При более высоких числах - турбулентный, что в значительной степени определяет режим горения.

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

Задача 1

Вычислить состав и объем продуктов горения соединения анилин, если горение протекает при коэффициенте избытка воздуха aВ=1.1, потери тепла излучением зоны горения составляют h=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:

H5NH2+7.75O2+7.75×3,76N2=6CO2+3.5H2O+7.75×4,76N2.

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 aВ=1,3 рассчитывается по выражению: VВ=1,1×9.77=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 6×22,4 м3 углекислого газа, 3.5×22,4 м3 водяного пара, 7.5×4,76×22,4 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:

н = ∑(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

пг = Qн*(1-η)

н = 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 aВ=1,2 потери тепла излучением составляют h=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)

н=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 h=0,20 %,то

Qпг = Q*(1-η)

н = 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:

CH3 - 2CН - 3CН - 4CH - 5СН2 - 6СН2- 7СН2 - 8СН3

СН3 10СН3 11СН2 - 12СН3

. В молекуле соединения определяем число цепей:

.

. 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

-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:

. 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 β, для чего записываем уравнение реакции горения метанола:

OH + 1,5О2 +1,5 ·3,76N2 = СО2 +2Н2О + 1,5·3,76N2,

откуда β=1,5.

2. Вычислим произведение

,

рвпс·Твсп = 40/(13,2 * 10-6 ·1,5) = 2,02020202020*10-6 Па·К.=

=2020202,020202 Па·К

. 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 = 1482540,64 Па·К, что меньше, чем произведения р·Т при Твсп.

. Принимаем Т=285,1 К, находим, что давление пара 7999,32 Па. (р·Т)285,1К = 285,1*7999,32 = 2280606,132 Па·К, что уже больше произведения рвсп·Твсп.

. Поскольку рвсп·Твсп находится между найденными значениями произведений р·Т при 278,0 и 285,1 К интерполяцией находим искомую Твсп:

.Справочное значение Твсп=278К

Погрешность расчета Δ=(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 1м3 газовоздушной смеси равна приблизительно 1830 кДж/м3, НКПВ находим по формуле

НКПВ = 1830·100/Qн,

НКПВ = 1830·100/71600,0 = 2,56 %.

Экспериментально найденное значение предела - 2,56 %. В таблице приведены значения низших теплот сгорания некоторых веществ.

Низшая теплота сгорания некоторых горючих материалов

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.

. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е.. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: Учеб. пособие. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980.

. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. - М.: Химия, 1979.

Приложение

Таблица 6

Таблица 7

Таблица 8

Таблица 9

Таблица 10

Таблица 11

Связь единиц параметров с постоянной прибора А

Низшая теплота сгорания некоторых горючих материалов

Значения констант а и в зависимости от β

Температура самовоспламенения (К) некоторых предельных углеводородов в зависимости от средней длины углеродной цепи

Температура самовоспламенения (К) некоторых предельных одноатомных спиртов в зависимости от средней длины углеродной цепи

Температура самовоспламенения (К) некоторых ароматических углеводородов в зависимости от средней длины углеродной цепи

Константы уравнения для давления пара некоторых органических жидкостей в области температур от точки плавления до точки кипения