3. Матеріальний баланс процесів горіння і вибуху

3.1. Витрати повітря на горіння речовин і на вибух за рахунок кінетичного горіння

Детально розрахунок кількості повітря, що потрібна для повного згоряння певної кількості горючої речовини, розглядався у курсі ТРтаПГ.

Результатом того розгляду були дві формули. Одна для випадку, коли кількість горючої речовини задана у масових одиницях, і друга, коли кількість газоподібної горючої речовини задана в одиницях об’ємних.

В першому випадку можна користуватися загальною формулою 1:

м³, в формулі:

- кількість повітря, потрібна за даних умов;

m - маса спалюваної речовини, кг;

M - маса 1 кг-молю спалюваної речовини, кг;

 - стехіометричний коефіцієнт;

 - коефіцієнт надлишку повітря;

P₀ - тиск за нормальних умов;

P₁ - тиск за даних умов;

T₀ - температура за нормальних умов;

T₁ - температура за даних умов.

В другому – формулою 2:

= 4,76·β·V_г.г., де

V_г.г – об’єм горючого газу;

В обох випадках необхідно складати хімічне рівняння реакції горіння і визначати стехіометричний коефіцієнт перед молекулою окисника.

У випадку суміші речовин, або матеріалу з невідомою хімічною формулою звичайно задається елементний відсотковий склад даного матеріалу. Для таких випадків виведено спеціальну формулу:

, м³.

В квадратних дуж­ках тут відсоткова кількість в матеріалі відповідно карбону, гідрогену, сульфуру, оксигену.

Цю формулу розроблено для одного кг матеріалу і для нормальних умов.

Для інших умов отримане значення треба перераховувати, виходячи з рівняння універсального газового закону, тобто

3.2. Продукти згоряння. Дим.

Продуктами горіння називають газоподібні, рідкі та тверді речовини, що утворюються внаслідок з’єднання ­горючої речовини з повітрям в процесі горіння.

Продукти вибуху за рахунок кінетичного горіння ті ж самі.

Продукти вибуху за рахунок розкладу речовини складаються виключно з атомів, які входили до складу цієї речовини.

Продукти згоряння можуть бути газоподібними, в основному, а також твердими і рідкими. Тверді – у більшості випадків оксиди металів, а рідкі - продукти піролізу, які не встигли згоріти; або дуже висококиплячі рідини, які встигли вже й сконденсуватися. Наприклад деякі легкі метали, або їх оксиди.

Згідно ДСТУ, дим - це видима суспензія твердих та (або) рідких часток в газах, що утворюються в результаті горіння або піролізу матеріалів.

Діаметр частинок диму коливається в межах від 1 до 0,01 мм.

Основну частину об’єму продуктів згоряння складають все ж таки газоподібні речовини, в тому числі водяна пара. Об’ємом твердих та рідких продуктів при розрахунку нехтують.

Якщо до складу речовини входить гідроген, то в умовах горіння він дає воду. Крім того, вода часто міститься в горючій речовині: просто як домішок, що визначає вологість матеріалу, або як кристалізаційна, яка входить в склад кристалогідрату. Вся ця вода випаровується і переходить до складу продуктів горіння.

За законом Авогадро об’єм продуктів згоряння при нормальних умовах дорівнює кількості їх молів, помноженій на об’єм одного молю при даних умовах.

Отже, для розрахунку об’єму кожного газу треба кількість його кг-молів помножити на 22,4 м³ і отриманий результат перевести до заданих умов за формулою

.

Загальний же об’єм продуктів згоряння буде дорівнювати сумі молів газоподібних продуктів згоряння n_i , помноженій на 22,4 м³ і переведеній до заданих умов.

Кількість кілограм-молів продуктів горіння складається з кількості молів карбон діоксиду, парів води, азоту і інших газів

Якщо кількість горючої речовини дається в об’ємних одиницях, не треба рахувати молекулярні маси. За законом Авогадро кількість кг-молів пропорційна кількості об’ємів.

Тобто, якщо задано V_г.г. м³ горючого газу, то рахується тільки кількість кг-молів продуктів згоряння (n_i), яку дасть 1 кг-моль горючого газу, а далі :

V_п.г.⁰ = V_г.г. n_i .

Одержаний результат треба привести до умов даного горіння за формулою універсального газового закону.

В продуктах горіння лишається ще й надлишкове повітря, тобто частина кисню і ще частина азоту.

Щоб врахувати ці гази, треба спочатку розрахувати об’єм потрібного повітря при =1,0, потім – об’єм потрібного повітря при заданому  і, потім відняти перше від другого.

Коли ж горючий матеріал - складна суміш речовин, то такі завдання краще всього розв’язувати в формі таблиці:

Речовина	СО2, м^3	Н2О, м^3	N2, м^3
Вуглець	%im1,86	-	%im7,0
Водень	-	%im11,2	%im21,0
Азот в паливі	-	-	%im0,8
Вода в паливі	-	%im1,24	-
Азот за рах. кисню	-	-	-%im2,63
Vi

Всього: V_л.г⁰_. = , де

%_i - відсоток даного елементу в горючій речовині;

m - маса горючої речовини;

V_i - об’єм отриманого газу за нормальних умов;

V_л.г⁰ - об’єм продуктів горіння за нормальних умов.

Об’єм газоподібних продуктів розкладу індивідуальних речовин, або сумішей твердих та пластифікованих горючих речовин з твердими або пластифікованими окисниками проводиться так само, як і продуктів горіння.

В другому випадку, при розрахунку відсоткового складу вихідного матеріалу до уваги приймається лише кількість відновників.

Висновок з питання 3

Розрахунок кількості повітря, необхідної для спалювання суміші речовин, або речовини, для якої відомий лише відсотковий склад, проводиться за спеціальною формулою. Розрахунок кількості повітря, необхідної для спалювання індивідуальної речовини, можна проводити, базуючись на рівнянні хімічної реакції горіння; а можна за тою ж формулою, попередньо визначивши відсотковий вміст в молекулі речовини кожного горючого елементу.

Розрахунок об’єму продуктів згоряння і продуктів розкладу чистих речовин проводять за рівняннями хімічних реакцій горіння і розкладу, базуючись на законі Авогадро.

Розрахунок об’єму продуктів згоряння суміші речовин проводять, базуючись на відсотковому складі цих речовин, за спеціальними формулами. В усіх випадках враховують відміну заданих умов горіння від нормальних.

Висновок з лекції

Горіння і хімічний вибух спричиняються перерозподілом електронів між атомами зовнішніх орбіт. Основою майже усіх розрахунків в курсі «Теоретичні основи пожежовибухонебезпечності» є рівняння хімічних реакцій горіння та розкладу. Об’єм повітря, необхідного для спалювання горючої речовини, і об’єм продуктів згоряння та хімічного вибуху вираховують, виходячи з закону Авогадро.

Завдання на самопідготовку.

Наступного разу будемо в класі писати рівняння хімічних реакцій і розв’язувати задачі з визначення витрат повітря на спалювання органічних речовин і визначення об’єму продуктів згоряння та вибуху. Так що перед заняттям треба повторити матеріал останніх двох лекцій по конспекту і по підручнику (стор. 30-48). Для кращого засвоєння цього досить складного матеріалу корисно взяти у бібліотеці Методичні вказівки до виконання контрольних робіт з дисциплін «Теорія розвитку і припинення горіння» та «Теоретичні основи пожежовибухонебезпечності» для слухачів заочної форми навчання і потренуватися у розв’язанні таких задач.

1. Чим відрізняється складання рівнянь хімічних реакцій горіння та розкладу в цій науці від складання рівнянь в загальній хімії?

2. Де розташований індекс і що він показує?

3.  Де розташований стехіометричний коефіцієнт і що він показує?

4. Які величини входять до формули розрахунку об’єму повітря, необхідного для спалювання даної кількості речовини при даних умовах?

5. Які величини необхідні для розрахунку об’єму продуктів згоряння або розкладу даної кількості речовини при даних умовах?

6. Для спалювання одного молю гідрогену теоретично необхідно 0,5 молю оксигену. Скільки кубічних метрів повітря необхідно для спалювання при нормальних умовах 4 кг водню?

7. При спалюванні одного молю гідрогену утворюється 1 моль парів води. Який об’єм гіпотетично зайняли б пари води при спалюванні 1 кг водню?