| Главная » Химия |
|
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 Номер варианта Номер задачи 1 1, 2, 4, 5, 6 2 1, 3, 4, 5, 6 3 2, 3, 4, 5, 6 4 1, 2, 4, 5, 6 5 2, 3, 4, 5, 6 6 1, 3, 4, 5, 6 7 1, 2, 4, 5, 6 8 2, 3, 4, 5, 6 9 1, 2, 4, 5, 6 10 2, 3, 4, 5, 6 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 Наименование вещества Низшая теплота сгорания, кДж/м3 Наименование вещества Низшая теплота сгорания, кДж/м3 Метан 35874,78 Пропилен 86087,74 Этан 63838,84 Бутилен 113620,23 Пропан 91350,38 Ацетилен 56091,53 Бутан 118761,36 Бензол 142560,56 Этилен 59104,14 Метиловый спирт 71600,0 Амиловый спирт 20190.0 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. . 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. Скачать архив (18.1 Kb) Схожие материалы: |
| Всего комментариев: 0 | |