Учебное пособие 1473

Составители: канд. физ.- мат. наук А.Г. Горшков, д-р хим. наук А.В. Калач, д-р техн. наук П.С. Куприенко

УДК 662(07)

Методические указания по выполнению практических работ студентов по дисциплине «Теория горения и взрыва» направления 280700.62 Техносферная безопасность (профили «Защита в чрезвычайных ситуациях», «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», «Защита окружающей среды») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. А.Г. Горшков, А.В. Калач, П.С. Куприенко. Воронеж, 2014. 38 с.

Методические указания предназначены для подготовки к семинарским занятиям по решению задач курса «Теория горения и взрыва» и для самостоятельной работы студентов третьего курса.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2007 и содержатся в файле Горшков_Калач_Куприенко_ПР.pdf

Табл. 12. Библиогр.: 7 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. А.В. Звягинцева Ответственный за выпуск зав. кафедрой, д-р техн.

наук, проф. П.С. Куприенко

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

©ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014

ВВЕДЕНИЕ

Изучение дисциплины «Теория горения и взрыва» проводится на кафедре ТОГОЧС и состоит из цикла лекций, практических занятий и сдачи дифференцированного зачета.

При решении каждой задачи необходимо внимательно прочитать текст задачи, полностью переписать в тетрадь её условие, указать, что нужно рассчитать и привести ход решения задачи со всеми математическими преобразованиями.

В помощь студентам при самостоятельном выполнении задач в методических указаниях приведены примеры решения типовых задач. Приступая к самостоятельному решению задачи, необходимо обдумать план её решения, сравнивая её с предложенным вариантом типовой задачи. В случае появления неясностей при выборе решения следует обратиться к теоретическому материалу той темы, на которую построена задача. Для удобства студентов при выполнении самостоятельной работы в приложении к методическим указаниям даны некоторые необходимые справочные данные.

1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

1.1. Порядок составления уравнения реакции горения

Уравнение реакции горения составляется при многих пожарно-технических расчетах, например, для расчета объема воздуха, объема продуктов горения и т.д.

В условиях пожара горение чаще всего протекает в среде воздуха. Основными компонентами воздуха являются кислород, азот и аргон. Азот вступает в реакцию окисления при температурах значительно выше, чем температура горения, а потому при составлении уравнения реакций горения его объединяют с аргоном и состав воздуха принимают равным: кислород – 21 %; азот – 79 %.

На один объем кислорода в воздухе приходится 79 : 21 = 3,76 объемов азота или на один моль кислорода 3,76 моля азота. При горении веществ на воздухе азот вместе с кислородом поступает в зону горения и на его нагревание затрачивается тепло, поэтому во всех расчетах горе-

Вправой части уравнения реакции горения записывают продукты горения. Состав их зависит от состава горючего вещества.

Вреакции горения принимает участие только кислород. При наличии азота в горючем веществе он выделяется

впродуктах горения в чистом виде N2. При уравнивании левой и правой частей уравнения реакции горения коэффициент перед горючим веществом не ставят, а принимают его равным единице, в связи, с чем коэффициент перед воздухом может получаться дробным.

Обобщённая запись брутто-уравнения материального баланса реакции горения имеет вид:

2

где , nпгi – стехиометрические коэффициенты при соответствующих веществах ([о] - окислитель, [пг] – продукты горения).

Данное уравнение является обобщённым выражением материального баланса любой химической реакции окисления.

Рассмотрим примеры составления уравнений реакций горения горючих веществ в воздухе.

Пример 1. Составить уравнение реакции горения пентана (С5Н12) в воздухе.

При горении углеводородов в воздухе продуктами горения будут углекислый газ (СО2), пары воды (Н2О) и азот (N2) из воздуха:

С5Н12 + (О2 + 3,76 N2) CО2 + Н2О + 3,76 N2.

Соблюдаем материальный баланс (уравниванием), в результате чего число атомов каждого элемента в правой части уравнения будет равно числу атомов этих элементов в левой части.

Начинаем с водорода, затем другие горючие элементы, кислород уравнивается справа налево, множитель перед 3,76N2 равен множителю перед О2. Расчет ведут на один кмоль (1 м3) горючего вещества. Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3,76.

Окончательная запись уравнения реакции горения пентана в воздухе имеет вид:

С5Н12 + 8 (О2 + 3,76 N2) 5 CО2 + 6 Н2О +8 3,76 N2.

Коэффициент, стоящий перед скобкой воздуха, называется стехиометрическим коэффициентом реакции горения и обозначается . В нашем случае = 8.

Для того чтобы правильно составить уравнение реакции горения необходимо знать основные продукты горения образующиеся при сгорании горючего вещества. Основные продукты горения приведены в табл. 1.

3

Таблица 1 Продукты сгорания химических элементов, входящих

в состав вещества

Примеры реакций горения:

C2H5Cl + 3(O2 + 3,76 N2) = 2 CO2 + 2 H2O + HCl + 3 3,76 N2.

C4H4S + 6(O2 + 3,76 N2) = 4 CO2 + 2 H2O + SO2 + 6 3,76 N2.

CH3NH2+2,25 (O2+3,76 N2) = CO2+2,5 H2O+0,5 N2+2,25 3,76

N2.

1.2. Расчёт объёма воздуха, объёма и состава продуктов горения

При решении многих практических вопросов необходимо знать количество воздуха, расходуемого на горение единицы массы или объёма горючего вещества, количество образовавшихся продуктов горения и их процентный состав. Рассмотрим расчётные методы определения отдельных составляющих материального баланса процессов горения.

Методика расчёта объёма воздуха для горения зависит от состава горючего вещества, его агрегатного состояния и условий горения. По своей природе горючие вещества могут быть индивидуальными химическими соединениями и

4

смесями сложных химических соединений. К индивидуальным химическим соединениям относятся такие вещества, которые имеют постоянное химическое строение и постоянную химическую формулу. К этой группе относятся такие вещества, как бензол (С6Н6), пропанол (С3Н9ОН), уксусная кислота (СН3СООН) и др. Смеси сложных химических соединений – вещества, не имеющие определённого химического строения, и их состав одной химической формулой выразить нельзя. К этой группе веществ относятся уголь, нефть, древесина, жиры и др. Состав этих веществ выражается в процентном содержании отдельных элементов или газов (C, S, H, и др. или СО, СН4, Н2S и др.).

Различают объём воздуха теоретически необходимый для горения (Vвтеор.) и объём воздуха действительно (практически) израсходованный на горение (Vвдейств.). При этом

Vвдейств Vdтеор (2)

Множитель называется коэффициентом избытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз объём воздуха, поступивший на горение, больше теоретического объёма воздуха, необходимого для полного сгорания единицы количества вещества в стехиометрической смеси.

Разность между действительным и теоретически необходимым количеством воздуха называется избытком возду-

ха ( Vв).

Объём продуктов горения, образовавшихся при сжигании единицы горючего (1 кг, 1 м3 , 1 кмоль) в теоретическом количестве воздуха, равен сумме объёмов углекислого газа, паров воды и азота:

Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на 4 группы: индивидуальные химические соединений (в газообразном и конденсированном состоянии); вещества сложного состава (древесина, торф, нефть и т.п.); смесь газов (генераторный, попутный газы и т.п.).

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания индивидуального горючего вещества в газообразном состоянии, м3/м3:

где nгв, nO2 , nN2 - количество горючего, кислорода и азота, по-

лучаемые из уравнения реакции горения, кмоль/кмоль; Теоретическое количество воздуха, необходимое для

сгорания индивидуального горючего вещества в конденсированном состоянии, м3 /кг:

Мгв – молекулярная масса горючего вещества; Vt – молярный объём газа при заданных условиях, м3/кмоль;

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания смеси газов, м3/м3:

i i - сумма произведений стехиометрического коэф-

фициента реакций горения каждого компонента горючей смеси ( i) на процентное содержание этого компонента ( i) в смеси; О2 – процентное содержание кислорода в слож-

ном горючем газе.

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания вещества сложного состава в конденсированном состоянии, м3 /кг:

C, H, S, O – весовое содержание соответствующих элементов в составе горючего вещества, % масс.;

Для газообразных горючих веществ расчёт объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м3/м3 . Так как 1 кмоль любого газа в одинаковых условиях занимает один и тот же объём (при нормальных условиях 22,4 м3), то объём, рассчитанный в м3/м3, численно будет таким же, как и в кмоль/кмоль.

Если горючее вещество находится в конденсированном состоянии (жидком или твёрдом), то, как правило, рас-

чёты объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м3/кг.

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

T0 T1

где Р0 – нормальное давление, Па; Т0 – нормальная температура, К; V0 – объём воздуха при нормальных условиях (м3 или м3/кмоль); P1, T1, V1 – соответственно давление, объём и температура воздуха, характеризующие заданные условия горения.

Теоретический объём продуктов горения индивиду-

ального горючего вещества в газообразном состоянии, м3/м3:

Теоретический объём продуктов горения индивиду-

ального горючего вещества в конденсированном состоянии, м3 /кг:

Теоретический объём продуктов горения вещества сложного состава в конденсированном состоянии, м3 /кг:

7

Процентный состав продуктов горения рассчитывается исходя из количества молей продуктов горения. Например, процентное содержание паров воды в продуктах горения составит:

Если горение протекает с избытком воздуха, то при расчёте количества молей продуктов горения учитывается избыточное число молей кислорода и азота ( nO2 и nN2 ):

Рассмотрим примеры решения задач на расчёт объёма воздуха, объёма и состава продуктов горения.

Пример 2. Сгорает 4 м3 пропана (С3Н8). Рассчитать теоретические объёмы воздуха, объём и состав (в объёмных %) продуктов горения. Условия нормальные.

Решение. Сгорает индивидуальное горючее вещество, находящиеся в газообразном состоянии.

1. Запишем уравнение реакции горения пропана в воз-

духе:

С3Н8 + 5(О2 + 3,76N2) = 3 CО2 + 4 Н2О + 3,76 5·N2

2. Рассчитаем теоретические объёмы воздуха и продуктов горения по формулам (6) и (13) в расчёте на 1 м3 горючего вещества:

VПГтеор 3 4 5 3,76 25,8 м3/м3. 1

3. Учитывая, что сгорает не 1 м3 газа, а 4 м3 находим действительные объёмы воздуха и продуктов горения:

8