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 (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 + 2,53,76 N2

4. 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

Po=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 :

(м3/кг)

4. 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 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

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 (= 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 1 м³ смеси газов заданного в условии состава требуется 7,55 м³ воздуха, при этом образуется 12,91 м³ 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 + 6,53,76 N2

2. Объём продуктов горения составляет:

Таким образом, общий объём продуктов горения

.

3. 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:

CH3COOH + C3H7OH = CH3COOC3H7 + H2O

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

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

ДQ (реакц) = ДQобр (H2O) + ДQобр (CH3COOС3Н7) — ДQобр (CH3COOH) — ДQобр (C3H7OH) ,

откуда теплота образования пропилацетата:

ДQобр (CH3COOС3Н7) = ДQобр (CH3COOH) + ДQобр (C3H7OH) — Qобр (H2O) + ДQ (реакц)=484.2+307.19−286.3−8.9=496,19 кДж/моль.

Так как |ДQ|=|-ДH|, следовательно ДH = -496,19кДж/моль

4. 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 1900С 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 1700С При температуре 1600С

уже меньше, чем, из этого можно сделать вывод, что температура горения этанола имеет значение между 1700 и 1600С. 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.

1. 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 = 396,97 + 242,27 — 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:

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

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

6. 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.

1. 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:

C4H9OH + 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 (КПа.м2)/с, поэтому

3. 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 кПаK. Это меньше, чем РвоспТнп. При Т2 = 326,4 К давление паров Р2 = 5,332 кПа, а Р2Т2= =1740,37 кПаК. 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.