ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Уральский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Техносферная безопасность»

А. Ж. Хворенкова

по направлению подготовки бакалавров

280700 – «Техносферная безопасность»

очной и заочной форм обучения

Екатеринбург

Издательство УрГУПС

2014

УДК 662.61;536

Х32

Хворенкова, А. Ж.

X32 Теория горения и взрыва : сб. задач /А. Ж. Хворенкова. – Екатерин-

бург : Изд-во УрГУПС, 2014. – 80 с.

Сборник задач предназначен для организации самостоятельной работы сту-

дентов очной и заочной формы обучения при изучении курса «Теория горения

и взрыва». Рассмотрена методика решения расчетных задач по курсу «Теория

горения и взрыва», примеры решений. После каждого раздела приводятся за-

дачи для самостоятельного решения. Для выполнения расчетов в приложении

приведены справочные таблицы.

УДК 662.61;536

Печатается по решению

редакционно-издательского совета университета

Автор: А. Ж. Хворенкова, доцент кафедры «Физика и химия»,

канд. хим. наук, УрГУПС

Рецензент: Л. А. Фишбейн, профессор кафедры «Физика и химия»,

канд. физ.-мат. наук, УрГУПС

Учебное издание

Хворенкова Алла Жановна

Теория горения и взрыва

Сборник задач

Редактор С. И. Семухина

Верстка Н. А. Журавлевой

Подписано в печать 19.03.2014. Формат 60х84/16.

Усл. печ. л. 4,7. Тираж 50 экз. Заказ 52.

Издательство УрГУПС

620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

© Уральский государственный университет

путей сообщения (УрГУПС), 2014

1. ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ ................................................................................4

1.1. Сущность процесса горения. Составление уравнений

реакций горения ................................................................................ 4

1.2. Расчет коэффициента горючести веществ. Характер свечения

пламени .............................................................................................10

1.3. Расчет объема воздуха, необходимого для горения веществ ........... 13

1.4. Расчет объема и процентного состава продуктов горения .............. 21

1.5. Закон Гесса. Расчет теплоты горения. Расчет удельной

теплоты горения................................................................................30

1.6. Расчет температуры горения веществ .............................................. 35

2. САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ ..................................................................... 42

2.1. Скорость химических реакций. Закон действующих масс ............. 42

2.2. Зависимость скорости химических реакций от температуры

и давления .........................................................................................43

2.3. Зависимость температуры самовоспламенения от величины

удельной поверхности ......................................................................45

2.4. Расчет йодного числа жиров и масел ............................................... 48

3. ГОРЕНИЕ ГАЗО- И ПАРОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ........................... 51

3.1. Расчет концентрационных пределов распространения пламени ... 51

3.2. Расчет безопасных концентраций. ................................................... 52

3.3. Расчет стехиометрической концентрации ....................................... 54

3.4. Расчет концентрационных пределов распространения пламени

при повышенных температурах .......................................................55

3.5. Расчет концентрационных пределов распространения пламени

смеси газов ........................................................................................57

3.6. Расчет давления при взрыве газо- и паровоздушных смесей .......... 58

4. ИСПАРЕНИЕ И ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ ........................................... 60

4.1. Давление пара и методы его расчета ................................................ 60

4.2. Расчет концентрации паров в воздухе.............................................. 61

4.3. Расчет температурных пределов распространения пламени .......... 63

4.4. Расчет скорости испарения жидкости ............................................. 66

4.5. Температура вспышки. Температура воспламенения ..................... 67

4.6. Основные характеристики горения жидкостей ............................... 72

ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................... 74

Приложение 1 .......................................................................................... 75

Приложение 2 .......................................................................................... 76

Приложение 3 .......................................................................................... 77

Приложение 4 .......................................................................................... 78

Приложение 5 .......................................................................................... 79

3

1.

1.1. .

Горением называется сложный физико-химический процесс, со-

провождающийся выделением тепла и излучением света.

С точки зрения электронной теории горение – это перераспределе-

ние валентных электронов между горючим веществом и окислителем.

Горючим веществом называется вещество, атомы (молекулы) ко-

торого способны отдавать в процессе реакции свои валентные элек-

троны. Горючее вещество в процессе реакции окисляется, образуя

продукты окисления.

Окислителем называется вещество, атомы (молекулы) которого

способны присоединять валентные электроны в процессе реакции.

Окислитель в ходе реакции восстанавливается.

Реакции окисления и реакции горения имеют одну и ту же сущ-

ность – окислительно-восстановительный процесс. Процесс горения

отличается от процесса окисления большой скоростью окислительно-

восстановительных реакций.

Многие процессы управляемого горения, а также горение в условиях

пожара чаще всего протекают в воздухе. Воздух состоит из азота, кисло-

рода, окислов азота, углекислого газа, инертных и других газов. Но при

проведении теоретических расчетов инертные газы, окислы азота, угле-

кислый газ причисляют к азоту. Поэтому можно принять, что воздух со-

стоит из 21 процента кислорода и 79 процентов азота по объему. На один

объем кислорода приходится 3,76 объема азота (79 : 21 = 3,76). Так как

равные объемы газов содержат одинаковое число молекул, можно при-

нять, что на одну молекулу кислорода в воздухе приходится 3,76 молекул

азота. (О₂+ 3,76 N₂) – это молекулярный состав воздуха.

Составление уравнений реакций горения веществ в воздухе ничем

не отличается от уравнений реакций горения веществ в кислороде.

При составлении уравнений реакций горения следует помнить,

что в пожарно-технических расчетах принято все величины относить

4

к 1 молю горючего вещества. Это означает, что в уравнении реакции

горения перед горючим веществом коэффициент всегда равен 1.

Индивидуальные химические соединения – это вещества, состав ко-

торых можно выразить химической формулой. Расчет процесса горе-

ния в этом случае производится по уравнению реакции горения.

Коэффициенты, стоящие в уравнении реакции перед вещества-

ми, называются стехиометрическими коэффициентами и показывают,

сколько молей (кмолей) веществ участвовало в реакции или образо-

валось в результате реакции.

Стехиометрический коэффициент, показывающий число молей

кислорода, необходимое для полного сгорания вещества, обознача-

ется буквой β.

Состав продуктов горения зависит от состава исходного вещества.

Продукты горения

Углекислый газ СО₂

Вода Н₂О

Оксид серы (IV) SO₂

Молекулярный азот N₂

Оксид фосфора (V) Р₂О₅

Галогеноводороды HCl, HF, HBr, HI

В реакции горения принимает участие только кислород воздуха.

Азот при температуре горения ниже 2000 °С в реакцию не вступает

и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения.

Пример 1.1.1. Составление уравнений реакций горения

в кислороде

Составить уравнение реакции горения в кислороде пропана С₃Н₈,

ацетона С₃Н₆О, аммиака NH₃, сероуглерода CS₂.

Решение:

Горение пропана в кислороде

1. Записываем реакцию горения:

С₃Н₈ + О₂ = СО₂ + Н₂О

Уравняем реакцию горения пропана. Это значит, что число ато-

мов каждого элемента в правой части уравнения должно быть равно

числу этих атомов в левой части.

5

2. В молекуле пропана 3 атома углерода, из них образуется 3 мо-

лекулы углекислого газа:

С₃Н₈ + О₂ = 3СО₂ + Н₂О

3. Атомов водорода в молекуле пропана 8, из них образуется 4 мо-

лекулы воды:

С₃Н₈ + О₂ = 3СО₂ + 4Н₂О

4. Подсчитаем число атомов кислорода в правой части уравнения

3 · 2 + 4 · 1 = 10

5. В левой части уравнения должно быть 10 атомов кислорода. Мо-

лекула кислорода состоит из двух атомов, следовательно, перед кис-

лородом нужно поставить коэффициент 5:

С₃Н₈ + 5О₂ = 3СО₂ + 4Н₂О

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 5.

Горение ацетона в кислороде

1. Записываем уравнение реакции горения:

С₃Н₆О + О₂ = СО₂ + Н₂О

2. Уравниваем углерод и водород:

С₃Н₆О + О₂ = 3СО₂ + 3Н₂О

3. В правой части уравнения 9 атомов кислорода (3 · 2 + 3 · 1 = 9).

В состав молекулы горючего вещества (ацетона) входил один атом

кислорода, следовательно, из кислорода в продукты горения перешло

восемь (9 – 1 = 8) атомов кислорода, что составит четыре (8 : 2 = 4)

молекулы. Таким образом, перед кислородом необходимо поставить

коэффициент 4:

С₃Н₆О +4О₂ = 3СО₂ + 3Н₂О

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 4.

Горение аммиака в кислороде

Аммиак состоит из водорода и азота, следовательно, в продуктах

горения будут вода и молекулярный азот.

6

NH₃ + 0,75O₂ = 1,5H₂O + 0,5N₂

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 0,75.

Обратите внимание, что перед горючим веществом коэффициент 1,

а все остальные коэффициенты в уравнении могут быть дробными числами.

Горение сероуглерода в кислороде

Продуктами горения сероуглерода CS₂ будут углекислый газ и ок-

сид серы (IV).

CS₂ + 3O₂ = CO₂ + 2SO₂

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 3.

Пример 1.1.2. Составление уравнений реакций горения

в воздухе

Составить уравнение реакции горения в воздухе пропана С₃Н₈,

ацетона С₃Н₆О, аммиака NH₃, сероуглерода CS₂.

Решение:

Горение пропана в воздухе

1. Записываем реакцию горения:

С₃Н₈ + (О₂ + 3,76N₂) = СО₂ + Н₂О + 3,76N₂

2. В молекуле пропана 3 атома углерода, из них образуется 3 мо-

лекулы углекислого газа:

С₃Н₈ +(О₂ + 3,76N₂) = 3СО₂ + Н₂О + 3,76N₂

3. Атомов водорода в молекуле пропана 8, из них образуется 4 мо-

лекулы воды:

С₃Н₈ +(О₂ + 3,76N₂) = 3СО₂ + 4Н₂О + 3,76N₂

4. Подсчитаем число атомов кислорода в правой части уравнения

3 · 2 + 4 · 1 = 10

5. В левой части уравнения должно быть 10 атомов кислорода. Мо-

лекула кислорода состоит из двух атомов, следовательно, перед воз-

7

духом (О₂ + 3,76N₂) в левой части уравнения и перед азотом (3,76N₂)

в правой части уравнения нужно поставить коэффициент 5:

С₃Н₈ + 5(О₂ + 3,76N₂) = 3СО₂ + 4Н₂О + 5·3,76N₂

Обратите внимание, что стехиометрический коэффициент перед

кислородом необходимо поставить и в правой части уравнения пе-

ред азотом.

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 5.