Методичка по ТГВ

Пример 1.2.1. Расчет коэффициента горючести вещества

Рассчитать коэффициент горючести метиламина СН3NH2 и соляной кислоты HCl.

Решение:

1.В молекуле метиламина n(C) = 1; n(Н) = 5; n(N) = 1;

К= 4 · 1 + 5 + 1 = 10

К > 1, следовательно, метиламин – горючее вещество.

2.В молекуле соляной кислоты n(Н) = 1; n(Cl) = 1

К= 1– 2 · 1 = − 1

К < 1, соляная кислота – негорючее вещество.

Характер свечения пламени веществ при их горении зависит от процентного содержания углерода, водорода, кислорода и азота в горючем веществе.

Если в горючем веществе при термическом разложении углерод не образуется, то вещество горит бесцветным пламенем, как, например, в случае горения водорода Н2.

При термическом разложении веществ с массовой долей углерода менее 50 % и содержащих в своем составе кислород более 30 % (угарный газ СО, метанол СН3ОН, этанол С2Н5ОН), несгоревших частиц углерода образуется очень мало, и в момент образования они успевают окислиться до СО. Пламя при горении таких веществ будет голубоватым.

При горении веществ, содержащих более 75 % углерода (ацетилен С2Н2, бензол С6Н6), в зоне горения образуется настолько много частиц углерода, что поступающего путем диффузии воздуха не хватает для полного окисления всего количества. Не окислившийся в пламени углерод выделяется в виде копоти. Пламя при горении таких веществ будет ярким, коптящим.

Если кислород в веществе отсутствует или его содержание не превышает 30 %, и массовая доля углерода менее 75 %, то при термическом разложении будет выделяться значительное количество частиц углерода, которые при нормальном доступе воздуха в зону горения успевают окислиться до СО2. Пламя при горении таких веществ будет ярким, не коптящим.

О характере свечения пламени можно судить по процентному содержанию углерода и кислорода в горючем веществе (табл. 1.1).

11

			Таблица 1.1
	Характер свечения пламени в зависимости от ω (С) и ω (Н)
	Содержание углерода	Содержание кислорода
	в горючем веществе,	в горючем веществе,	Характер свечения пламени
	ω (С) %	ω (О) %
	< 50	> 30	пламя бесцветное
			или голубоватое
	< 75	отсутствует или < 30	пламя яркое, не коптящее
	> 75	отсутствует или < 25	пламя яркое, коптящее

Пример 1.2.2. Определение характера свечения пламени

Определить характер свечения пламени метилового спирта СН3ОН, фенола С6Н5ОН, бутанола С4Н9ОН.

Решение:

1. Массовые доли углерода и кислорода в молекуле метилового спирта составляют:

	ω (С) =	12 !100		= 37,5 %;	ω (О) =	16 !100		= 50 %,
			32				32

где Мr (СН3ОН) = 32 г/моль.

Вывод: Массовая доля углерода < 50 %, а массовая доля кислорода > 30 %, следовательно, при горении метилового спирта наблюдается голубоватое пламя.

2. Массовые доли углерода и кислорода в молекуле фенола составляют:

	ω (С) =	6 !12 !100	= 77 %;	ω (О) =	16 !100	= 17 %,
		94
				94

где Мr (С6Н5ОН) = 94 г/моль.

Вывод: Массовая доля углерода > 50 %, а массовая доля кислорода

<25 %, следовательно, пламя при горении фенола яркое и коптящее.

3.Массовые доли углерода и кислорода в молекуле бутанола составляют:

	ω (С) =	4 !12 !100	= 64,86 %;	ω (О) =	16 !100		= 21,62 %,
		74				74

где Мr (С4Н9ОН) = 74 г/моль.

12

Вывод: массовая доля углерода < 75 %, а массовая доля кислорода < 30 %, следовательно, пламя при горении пентанола будет ярким, но не коптящим.

567689

1.Рассчитайте коэффициент горючести для С9Н6 О2N2.

2.Рассчитайте коэффициент горючести для C6H12O3Cl3Р.

3.Вычислите коэффициент горючести для С4Н3Cl3SSi.

4.Определите характер свечения пламени этилбензола.

5.Определите характер свечения пламени уксусной кислоты.

6.Определите характер свечения пламени гексана.

7.Определите характер свечения пламени пентана и амилового спирта.

1.3. :-&;,' %AB,@- 1%CD"E-, $,%AE%D/@%.% D20 .%*,$/0 1,#,&'1

Процесс горения подчиняется фундаментальным законам природы, в частности законам сохранения массы и энергии.

Для решения многих практических задач необходимо знать количество воздуха, необходимого для горения, а также объем и состав продуктов горения. Эти данные необходимы для расчета температуры горения веществ, давления при взрыве, избыточного давления взрыва, флегматизирующей концентрации флегматизатора, площади легкосбрасываемых конструкций.

Методика расчета материального баланса процесса горения определяется составом и агрегатным состоянием вещества. Различают индивидуальные химические соединения, вещества сложного элементного состава и смеси газов.

В процессе горения исходными веществами являются горючее ве-

щество и окислитель, а конечными – продукты горения.

Индивидуальные химические соединения – это вещества, состав которых можно выразить химической формулой, например метиловый спирт СН3ОН, фенол С6Н5ОН, бутанол С4Н9ОН. Расчет процесса го-

рения в этом случае производится по уравнению реакции горения.

Смеси сложных химических соединении – это вещества, состав которых нельзя выразить химической формулой. Это такие вещества,

13

как нефть, мазут, древесина, торф, горючие сланцы и др. Состав этих веществ выражается в процентном содержании каждого элемента.

Природный, попутный нефтяной газ, промышленные газы (доменный, коксовый, генераторный и т. п.) представляют собой смеси газов. Состав газов выражается обычно в объемных процентах (φобъемн, %).

Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполагает вычисление:

1)теоретического объема воздуха Vвтеор;

2)практического объема воздуха Vвпр, затраченного на горение

(с учетом коэффициента избытка воздуха).

Стехиометрическое количество воздуха в уравнении реакции горения предполагает, что при данном соотношении компонентов, уча-

ствующих в реакции горения, воздух расходуется полностью. Объем воздуха в данном случае называется теоретическим (Vвтеор).

Горение может происходить не только при стехиометрическом соотношении компонентов, но и при значительном отклонении от него. Как правило, в условиях пожара на сгорание вещества воздуха затрачивается больше, чем определяется теоретическим расчетом. Избыточный воздух ∆Vв в реакции горения не расходуется и удаляется из зоны реакции вместе с продуктами горения. Таким образом, практический объем воздуха равен

V	пр = V	теор + ∆V	,	(1.2)
в	в	в

и, следовательно, избыток воздуха будет равен

∆V	= V	пр – V теор.	(1.3)
в	в	в

Обычно в расчетах избыток воздуха при горении учитывается с помощью коэффициента избытка воздуха (α). Коэффициент избыт-

ка воздуха показывает, во сколько раз в зону горения поступило воздуха больше, чем это теоретически необходимо для полного сгорания вещества:

V пр

" # в . (1.4)

Vвтеор

Для горючих смесей стехиометрического состава (т.е. состава, соответствующего уравнению реакции горения) коэффициент избытка воздуха α = 1, при этом реальный расход воздуха равен теоретическому. В этом случае обеспечивается оптимальный режим горения.

При α > 1 горючую смесь называют бедной по горючему компоненту, а при α < 1 – богатой по горючему компоненту.

14

Избыток воздуха имеется только в смеси, бедной по горючему компоненту. Из формул (1.3) и (1.4) следует

∆V	= V теор(α − 1).	(1.5)
в	в

В закрытом объеме диффузионное горение большинства горючих материалов возможно только до определенной пороговой концентрации кислорода, так называемой остаточной концентрации кислорода в продуктах горения φ (О2)ПГ. Для большинства органических веществ она составляет 12 – 16 % О2. Для некоторых веществ, например, ацетилена С2Н2, ряда металлов, горение возможно и при значительно меньшем содержании кислорода (до 5 % объемных О2).

1.3.1. F%*>;,, 1,#,&'1% – /$D/1/D"-2($%, E/@/;,&4%, &%,D/$,$/,

Теоретический объем воздуха, необходимый для горения, рассчитывается по уравнению реакции горения.

Пример 1.3.1. Расчет теоретического объема воздуха, необходимого для горения индивидуального вещества

Рассчитать теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания 5 кг этилового спирта С2Н5ОН, при температуре 10 °С, давлении 95 кПа, если горение протекало с коэффициентом избытка воздуха 1,1.

Сколько молей исходных веществ участвовало в реакции и сколько молей продуктов горения образовалось при полном сгорании 1 моля (кмоля) этилового спирта?

Решение:

Расчет количества молей исходных веществ и продуктов горения:

1.Запишем уравнение реакции горения этилового спирта: С2Н5ОН + 3(О2 + 3,76N2) =2СО2 + 3Н2О + 3·3,76N2

2.Исходные вещества: 1 моль этилового спирта;

3 моля кислорода;

3 · 3,76 молей азота. Газов воздуха, всего 3 · 4,76 молей.

Всего (1 + 3 · 4,76) молей исходных веществ.

3. Продукты горения: 2 моля углекислого газа;

3 моля воды;

3 · 3,76 моля азота. Всего (2 + 3 + 3·3,76) молей продуктов горения.

15

, где Р и Т – данные в задаче температура и давление.

Аналогичные соотношения и в том случае, когда сгорает 1 кмоль этилового спирта.

Расчет теоретического объема воздуха, необходимого для полного сгорания.

1.Запишем уравнение реакции горения этилового спирта. С2Н5ОН + 3(О2 + 3,76N2) = 2СО2 + 3Н2О +3·3,76N2

2.Записываем в уравнении известные и неизвестные величины

суказанием размерности

5 кг х, м3

С2Н5ОН + 3(О2 + 3,76N2) = 2СО2 + 3Н2О + 3 · 3,76N2 М = 46 кг 3 · 4,76 · Vm=

=3 · 4,76 · 2 4,76

3.Молярная масса этилового спирта 46 кг/кмоль. Записываем эту величину под формулой спирта.

4.При нормальных условиях:

–молярный объем (Vm = Vo) любого газообразного вещества составляет 22,4 л/моль или 22,4 м3/кмоль;

–давление [Po] = 1 атм = 101,3 кПа = 760 мм рт. ст.;

–температура [To] = 273 К.

Если условия отличаются от нормальных, то необходимо определить, какой объем будет занимать 1 кмоль любого газообразного вещества при данных условиях. Расчет Vm ведут по формуле объединенного газового закона:

Vm # P0 !V0 !T T0 P

Рассчитаем, какой объем занимает 1 кмоль воздуха (как и любого другого газообразного вещества) при данных температуре и давлении

V		#	101,3 !22,4	!	273 $10	# 24,76 м3/кмоль.
	m
		273		95

Записываем данную величину под формулой воздуха, умножив ее на стехиометрический коэффициент (3 · 4,76)

5. По уравнению реакции найдем теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания спирта:

Vвтеор # x # 5 !3 !4,76 !24,76 # 38, м3. 46

16

6. По условию задачи коэффициент избытка воздуха α = 1,1.

С учетом этого определим практический объем воздуха, необходимый для горения:

Vвпр = Vвтеор · α = 38,43 · 1,1 = 42,28 м3.

567689

1.Рассчитать объем воздуха, необходимый для полного сгорания 7 кг диэтилового эфира при температуре 45 °С, давление 745 мм рт. ст. Коэффициент избытка воздуха 1,5.

2.Какой объем воздуха необходим для полного сгорания 40 м3 пропана при нормальных условиях? Коэффициент избытка воздуха 1,3.

3.Какой объем воздуха необходим для полного сгорания 15 м3 этана при температуре 30 °С, давление 98 кПа? Коэффициент избытка воздуха 1,8.

1.3.2. F%*>;,, 1,#,&'1% – &2%G$%, 1,#,&'1% & /C1,&'$H@ <2,@,$'$H@ &%&'-1%@

Состав таких веществ выражается в массовых долях (ω, %) каждого элемента. При горении кислород воздуха расходуется на окисление углерода С, водорода Н, серы S и других горючих составляющих.

Рассчитаем, какой теоретический объем воздуха необходим для сгорания 1 кг каждого элемента при нормальных условиях.

1 кг	х м3
С	+ (О2 + 3,76N2) = СО2 + 3,76N2
12 кг	4,76·22,4 м3

V (С)теор = х =			1 !4,76 !22,4		= 8,885 м3 – объем воздуха, необходимый
в		12
для сгорания 1 кг углерода.
	1 кг			х м3
	Н + 0,25(О2 + 3,76N2) = 0,5Н2О + 0,25 · 3,76N2
	1 кг	0,25 · 4,76 · 22,4 м3
V	(Н)теор = х =			1 !0,25 !4,76 !22,4		= 26,656 м3 – объем воздуха,
в		1

необходимый для сгорания 1 кг водорода.

17

	1 кг		х м3
		S	+ (О2 + 3,76N2) = SО2 + 3,76N2
		32 кг 4,76·22,4 м3
	1 !4,76 !22,4
V	(S)теор = х =			= 3,332 м3 – объем воздуха, необходи-
в			32

мый для сгорания 1 кг серы.

Углерод, водород и сера являются основными составляющими большинства органических соединений. Значительное число органических веществ имеют в своем составе кислород, поэтому воздуха на горение будет затрачено меньше.

Рассчитаем объем воздуха, в котором содержится 1 кг кислорода:

в	32			воздуха
щий 1 кг кислорода.
Сопоставим полученные значения:
	32 кг О	2	− 4,76 · 22,4 м3
	1 кг		− х м3
V (О)теор = х =	1 !4,76 !22,4
			= 3,332 м3 – объем воздуха, содержа-

Vв(Н)теор : Vв(С)теор : Vв(S)теор :Vв(О)теор = 26,665 : 8,885 : 3,332 : 3,332,

Vв(Н)теор : Vв(С)теор : Vв(S)теор : Vв(О)теор = 1 : 1/3 : 1/8 : 1/8.

Теоретическое количество воздуха для сгорания 1 кг вещества сложного элементного состава в общем виде можно записать следующим образом:

V	теор = V		(С)теор · %(C)		+ V		(Н )теор · %(H)	+
в		в	100			в	100
	+V	(S)теор · %(S)		− V		(О)теор · %(O) , м3,		(1.6)
	в		100		в		100

где ω (С), ω (Н), ω (S), ω (О) – массовые доли элементов в веществе, %.

После подстановки в формулу (1.6) полученных выше расчетных значений теоретический объем воздуха для сгорания заданной массы (m) вещества сложного элементного состава при нормальных условиях определяется по формуле

& %(C)
Vвтеор = m · 0,269 )	3
+

$ %(H) $	%(S)	(	%(O) '
			*, м3/кг. (1.7)
	8		8 ,

18

Пример 1.3.2. Расчет объема воздуха, необходимого для горения вещества сложного элементного состава

Определить объем воздуха, необходимого для полного сгорания 3 кг каменного угля следующего состава (в %): С – 67,5 %, Н – 4,5 %, О – 6,4 %, S – 1,6 %, N – 2,5 %, зола – 10,9 %, влага – 7 %. Горение протекает при α = 1,5. Температура воздуха 27 °С, давление 760 мм рт. ст.

Решение:

1. По формуле (1.7) определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной массы каменного угля:

	& 67,5				1,6			6,4	'
Vвтеор = 3	!0,269)		$ 4,5	$			(		*	# 20,3 м3.
	+	3			8			8	,

2. С учетом коэффициента избытка воздуха реально будет затрачено воздуха

Vвпр = Vвтеор · α = 20,3 · 1,5 = 30,45 м3.

3. Определяем объем воздуха для сгорания 3 кг каменного угля при заданных условиях

Vв # 760 !30,45 ! 273 $ 27 # 33,46 м3/кмоль. 273 760

567689

1. Определить объем воздуха, необходимого для сгорания 500 кг нефти, состава: углерода – 84 %, водорода – 12 %, серы 1 %, азота 2 %

при температуре 12 °С и давлении 105 кПа, α = 1,5.

1.3.3. F%*>;,, 1,#,&'1% – &@,&( .-C%1 / )-*%1

Природный, попутный нефтяной газ, промышленные газы (доменный, коксовый, генераторный и т. п.) представляют собой смеси газов. Состав газов выражается обычно в объемных процентах (φобъемн, %).

Алгоритм расчета в данном случае следующий: для каждого горючего компонента вычисляется теоретическое количество воздуха с учетом его концентрации в смеси, и полученные концентрации суммируются. Формула для расчета теоретического объема воздуха для сгорания газовой смеси имеет следующий вид:

19

V теор =	-1 !.1	$ -2 !.2	$ -3 !.3	$... ( .(O2 )	!VГГ , м3,	(1.8)
в			21

где β1, β2, β3 – стехиометрические коэффициенты при воздухе в уравнении реакции горения для каждого горючего компонента газовой смеси;

φ1, φ2, φ3 – концентрации каждого горючего компонента смеси (в объемных %);

φ(О2) – процентное содержание кислорода в горючем газе (в объемных %);

VГГ – объем газовой смеси, м3.

Если горение протекает с избытком воздуха, то практический объем воздуха рассчитывают по уже известной формуле:

Vвпр = Vвтеор · α.

Пример 1.3.3. Расчет объема воздуха, необходимого для горения газовой смеси

Определить объем воздуха, необходимого для сгорания 200 м3 водяного газа состава (в % объемных): метан СН4 – 14,6 %, оксид углерода (II) СО – 13,2 %, водород Н2 – 58,4 %, углекислый газ СО2 – 9,5 %, азот N2 – 4,3 %. Горение протекает при α = 1,2.

Решение:

1. Определяем стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции горения для каждого горючего компонента газовой смеси. Горючими газами в этой смеси являются угарный газ СО, водород Н2 и метан СН4.

СО + 0,5(О2 + 3,76N2) = СО2 + 0,5 · 3,76N2	β1	= 0,5
Н2 + 0,5(О2 + 3,76N2) = Н2О + 0,5 · 3,76N2	β2	= 0,5
СН4 + 2(О2 + 3,76N2) = СО2 + 2Н2О +2 · 3,76N2	β3 = 2

2. По формуле (1.8) определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной газовой смеси:

Vвтеор # 0,5 !13,2 $ 0,5 !58,4 $ 2 !14,6 !200 # 628,57 м3. 21

3. С учетом коэффициента избытка воздуха реально на сгорание данной газовой смеси будет затрачено воздуха

Vвпр = Vвтеор · α = 628,57 · 1,2 = 754,29 м3.

20