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 № 1

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 a (табл. 2). Объём продуктов горения считать приведённым к заданным условиям.

Табл.2

Номер варианта	Название вещества	Химическая формула	Температура t °С	Давление P, кПа	a
7	Этиленгликоль	С2Н4 (ОН)2	40	110,0	1,7

 

Решение.

 

1. Составляем уравнение реакции  горения этиленгликоля в воздухе:

С₂Н₄ (ОН)₂ + 2,5 (О₂ + 3,76 N₂) = 2CО₂ + 3Н₂О + 2,5×3,76 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 , P_o=101,3 кПа,T_o=273K

(м³/кг)

(м³/кг)

4. Действительный объём воздуха, пошедшего на сгорание 1 кг этиленгликоля рассчитывается с учётом коэффициента избытка воздуха a:

(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 ):  

n_общ = =

   

=

.

 

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 №3

 

Определить  объём и состав продуктов горения (в об. %) смеси газов (табл. 4), если горение происходит при коэффициенте избытка воздуха.

Табл.4

Состав смеси, %	Номер варианта
	7
Оксид углерода	-
Водород	-
Метан	-
Этан	24
Пропан	-
Бутан	-
Этилен	16
Пропен	-
Ацетилен	10
Углекис-лый газ	10
Азот	15
Кислород	25
a	1,2

 

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 (a = 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 ):  

n_общ = =

   

=

.

 

Ответ: На сгорание 1м³ смеси газов заданного в условии состава требуется 7,55 м³ воздуха, при этом образуется 12,91м³ продуктов горения,  из которых углекислый газ и пары воды составляют по 11,03%, а азот 74,64 % от общего объема.

 

 

Задание №5

 

Методом последовательных приближений рассчитать адиабатическую температуру горения  для стехиометрической смеси  горючего вещества с воздухом (табл. 6)

Табл. 6

Номер варианта	Горючее вещество	Химическая формула
7	Пропилацетат	С5Н10О2

 

Решение.

1. Составляем уравнение реакции горения пропилацетата в воздухе:

 

С₅Н₁₀ О₂ + 6,5 (О₂ + 3,76 N₂) = 5CО₂ + 5Н₂О + 6,5×3,76 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.):

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

ΔQ(реакц) = ΔQобр(H₂O) + ΔQобр(CH₃COOС₃Н₇) - ΔQобр(CH₃COOH) - ΔQобр(C₃H₇OH) ,  
откуда теплота образования пропилацетата: 
ΔQобр(CH₃COOС₃Н₇) = ΔQобр(CH₃COOH) + ΔQобр(C₃H₇OH) - Qобр(H₂O) + ΔQ(реакц)=

=484.2+307.19-286.3-8.9=496,19 кДж/моль.

Так как  |ΔQ|=|-ΔH|, следовательно ΔH = -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 Н_ср 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 1900°С 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 Т_г < 1700°С

При температуре 1600°С

 уже меньше, чем  , из этого можно сделать вывод, что температура горения этанола имеет значение между 1700 и 1600°С. Уточним эту температуру линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениями:

или 1934,3 К

 

Ответ: адиабатическая температура горения пропилацетата составила 1934,3 К

 

Задание №7

 

Рассчитать, какое минимальное количество горючей  жидкости (табл. 8) должно испариться в  закрытом помещении объёмом V_п 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

Номер варианта	Название горючей жидкости	Химическая формула	Объём помещения, м3
7	Пропанол	С3Н7ОН	800

 

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):

Q_н = 396,9×7 + 242,2×7 – 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 №11

 

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

Номер варианта	Название жидкости	Химическая формула	Определяемый параметр
7	Бутанол	С4Н9ОН	Температура воспламенения

 

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: