Федеральное агентство по образованию − УПИ» ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет
реклама
Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет − УПИ» О. В. Беззапонная, Е. В. Вайнтер ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ. МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой «Технология и средства связи» Научный редактор: доц., к.т.н. Баранова О. Ю. Методические указания к решению задач и выполнению самостоятельных работ по курсу «Теория горения и взрыва» для студентов всех форм обучения специальности 280104.65 − Пожарная безопасность. В методических указаниях рассматриваются примеры решения типовых задач раздела «Основы процессов горения. Материальный и тепловой баланс процессов горения» дисциплины «Теория горения и взрыва»; даны варианты заданий для самостоятельного решения задач. © ГОУ ВПО УГТУ−УПИ, 2007 Екатеринбург 2008 ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ. МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ВВЕДЕНИЕ Методические указания к решению задач и выполнению самостоятельных работ по разделу «Основы процессов горения. Материальный и тепловой баланс процессов горения» дисциплины «Теория горения и взрыва» предназначены для подготовки инженеров пожарной безопасности в рамках рабочей программы дисциплины «Теория горения и взрыва» по специальности 280104.65. Методические указания по решению задач составлены в полном соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования с учетом особенностей профессиональной деятельности сотрудников ГПС. Задания предназначены для закрепления теоретического курса и методики практических расчетов по данному разделу дисциплины. Методические указания помогут студентам освоить материал изучаемой дисциплины, необходимый для успешной работы инженера пожарной безопасности в любой области его деятельности. Методические указания включают в себя: краткие теоретические положения, общие положения расчётов материального и теплового баланса процессов горения газообразных и конденсированных веществ, характера свечения пламени, температуры горения, а также большое количество примеров решения типовых задач и справочной информации, необходимой при решении задач. Структура и содержание методических указаний к решению задач предусматривают возможность самостоятельной отработки обучаемыми материала по каждому разделу дисциплины. Приступая к изучению курса, необходимо представлять, что в основе всех явлений, происходящих на пожаре, лежит процесс горения. Знание сути этого явления, законов горения, механизмов и способов его прекращения необходимы для успешной работы инженера пожарной безопасности в любой области его деятельности. 1. СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ РЕАКЦИЙ ГОРЕНИЯ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ Горением называется сложный физико-химический процесс, представляющий собой окислительно-восстановительную реакцию между горючим веществом и окислителем, сопровождающийся выделением тепла и излучением света. Для горения необходимо наличие трёх составляющих: горючего вещества; окислителя (кислород воздуха, озон, перекись водорода, галогены, перманганат калия, хромовый ангидрид и т. д.) и благоприятствующего фактора (источник зажигания; физико-химический или биологический процесс, протекающий с выделением тепла, нагретая поверхность). 2 С точки зрения электронной теории, горение – это перераспределение валентных электронов между горючим веществом и окислителем. Горючим веществом называется вещество, атомы (молекулы) которого способны отдавать в процессе реакции свои валентные электроны. 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. Процесс горения как одна из форм химического взаимодействия атомов и молекул может по-настоящему понятен только на основе изучения молекулярнокинетической теории строения материи. Необходимо представлять, что в химических процессах прежде чем образуются новые молекулы, разрушаются старые. Энергия, необходимая для разрыва связей в молекулах горючего и окислителя, называется энергией активации. Разрушение или ослабление химических связей в молекулах происходит под действием теплового движения атомов. Чем выше температура, тем выше доля активных молекул, тем эффективнее соударения и больше их число. Для реакции горения, как и для многих других химических реакций, справедливо положение: повышение температуры на 10°С приводит к увеличению её скорости в 2–4 раза (правило Вант-Гоффа). Кроме того, скорость реакции согласно закону действующих масс увеличивается с возрастанием концентрации реагентов. Скорость горения максимальна при стехиометрическом составе смеси – когда отношение реагентов соответствует коэффициентам в уравнении реакции. В условиях пожара горение чаще всего протекает в среде воздуха. При составлении уравнения материального баланса процессов горения принято учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. Воздух состоит из азота, кислорода, водорода, углекислого и инертных газов. При ведении теоретических расчётов водород, углекислый газ и инертные газы (их вместе взятых в воздухе около 1 %) причисляют к азоту, которого в воздухе 78 %. Поэтому можно принять, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79 % азота. Не трудно установить, что на 1 объём кислорода в воздухе приходится 3,76 объёма азота (79 : 21 = 3,76) или на 1 моль кислорода приходится 3,76 моля азота и, таким образом, состав воздуха в уравнениях реакций горения – (О2 + 3,76 N2). В реакции горения принимает участие только кислород. Азот в реакцию не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения. В левой части уравнения реакции горения записывают горючее вещество и воздух, в правой части – продукты горения. При уравнивании левой и правой частей уравнения реакции горения коэффициент перед горючим веществом для упрощения расчётов параметров процесса горения, как правило, не ставят, т.е. принимают равным единице, в связи с чем коэффициент перед воздухом может получаться дробным. Для решения задач по определению основных параметров, характеризующих процесс горения, необходимо уметь составлять уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе. 3 Обобщённая запись брутто-уравнения материального баланса реакции горения имеет вид: nг.в.[г.в.] + nо[о]= nпгi[пг], (1) где nг.в, nо, nпгi – стехиометрические коэффициенты при соответствующих веществах: [г.в.] – горючее вещество, [о] – окислитель, [пг] – продукты горения. Данное уравнение является обобщённым выражением материального баланса любой химической реакции окисления. Оно не несёт информации о промежуточных стадиях процесса, которых может быть великое множество, а выражает только начальное и конечное состояние системы. Поэтому его называют также суммарным или брутто-уравнением реакции горения. Для решения многих инженерно-технических задач этого уравнения бывает достаточно. Рассмотрим примеры составления уравнений реакций горения горючих веществ в воздухе. ПРИМЕР: Составить уравнение реакции горения пропана (С382) в воздухе. При горении углеводородов в воздухе продуктами горения будут углекислый газ (СО2), пары воды (Н2О) и азот (N2) из воздуха: С3Н8 + (О2 + 3,76 N2) → CО2 + Н2О + 3,76 N2. Уравняем эту реакцию, в результате чего число атомов каждого элемента в правой части уравнения будет равно числу атомов этих элементов в левой части. Углерода в молекуле пропана 3 атома, следовательно, в продуктах горения образуется 3 молекулы углекислого газа. Атомов водорода в молекуле пропана 8, следовательно, в продуктах горения образуется 4 молекулы воды, так как в молекуле Н2О два атома водорода (8 : 2 = 4). В последнюю очередь уравнивается число атомов кислорода. Подсчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения: число атомов кислорода в 3 молекулах СО2 равно 6 (3 ⋅ 2 =6); число атомов кислорода в 4 молекулах воды равно 4 (4 ⋅ 1 = 4). Всего в правой части получается 10 атомов кислорода (6 + 4 = 10), следовательно, в левой части перед скобкой мы должны поставить коэффициент равный 5 (10 : 2 = 5), т. к. в молекуле кислорода 2 атома. Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3,76. Окончательная запись уравнения реакции горения пропана в воздухе имеет вид: С3Н8 + 5 (О2 + 3,76 N2) = 3 CО2 + 4 Н2О +5⋅3,76 N2. Коэффициент, стоящий перед скобкой воздуха, называется стехиометрическим коэффициентом реакции горения и обозначается β. В нашем случае β = 8. 4 При горении кислородосодержащих соединений в воздухе уравнивание реакции происходит аналогично. Однако при уравнивании атомов кислорода нужно учесть количество атомов кислорода, содержащихся в горючем веществе, которые тоже участвуют в реакции. Для этого из количества атомов кислорода в правой части уравнения реакции нужно вычесть количество атомов кислорода, содержащихся в горючем веществе, а потом уже делить на 2. ПРИМЕР: Составить уравнение реакции горения пропилового спирта в воздухе. С3Н7ОН + (О2 + 3,76 N2) → CО2 + Н2О +⋅3,76 N2 Углерода в молекуле пропилового спирта 3 атома, следовательно, в продуктах горения образуется 3 молекулы углекислого газа. Атомов водорода в молекуле 8, следовательно, в продуктах горения образуется 4 молекулы воды, так как в молекуле Н2О два атома водорода (8 : 2 = 4). В последнюю очередь уравнивается число атомов кислорода. Подсчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения: число атомов кислорода в 3 молекулах СО2 равно 6 (3 ⋅ 2 =6); число атомов кислорода в 4 молекулах воды равно 4 (4 ⋅ 1 = 4). Всего в правой части получается 10 атомов кислорода (6 + 4 = 10), следовательно, в левой части перед скобкой мы должны поставить коэффициент равный 4,5 (10 - 1 = 9; 9: 2 = 4, 5). Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3, 76. Окончательная запись уравнения реакции горения пропилового спирта в воздухе имеет вид: С3Н7ОН +4,5 (О2 + 3,76 N2) → 3 CО2 + 4 Н2О +4,5 3,76 N2. Если в состав горючего вещества входит галоген и горючее вещество не содержит водород, то в продуктах горения он будет выделяться в свободном виде (Cl2, Br2 и т. д.). Если же горючее вещество содержит водород, то в продуктах горения он будет выделяться в соединении с водородом, например хлороводород (НCl). Если в состав горючего вещества входят сера, алюминий, кремний и др., то в продуктах горения будут выделяться оксиды этих элементов (SO2, Al2O3, SiO2). При горении веществ, содержащих азот, он выделяется в виде чистого газа азота (N2) и записывается отдельно от азота, содержащегося в воздухе. C2H5Cl + 3(O2 + 3,76 N2) = 2 CO2 + 2 H2O + HCl + 3⋅3,76 N2, C4H4S + 6(O2 + 3,76 N2) = 4CO2 + 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. 5 1.1. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ 1. Составить уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе и рассчитать стехиометрические коэффициенты. 1.1. амилбензол, абиетиновая кислота, аллиламин; 1.2. амилдифенил, адипиновая кислота, аллилизотиоцианат; 1.3. амилен, акриловая кислота, альнафт; 1.4. амилнафталин, аллилацетат, альтакс; 1.5. амилтолуол,аллилидендиацетат,амиламин; 1.6. антрацен, аллилкапроат, амилнитрат; 1.7. аценафтен, аллиловьiй спирт, амилнитрит; 1.8. ацетилен, амилацетат, амилсульфид; 1.9. бензол,амилбутират,амилтрихлорсилан; 1.10. бутилбензол, амилксилиловый эфир, амилхлорнафталин; 1.11. бутилциклогексан, амиллаурат, аминалоп; 1.12. бутилциклопентан,амилметилкетон,аминоазокраситель; 1.13. гексадекан, амилолеат, аминокапроновая кислота; 1.14. гексан, амнлсалицилат, аминопеларгоновая кислота; 1.15. гексилциклопентан, амилстеарат, амипоциклогексан; 1.16. гептадекан, амилфенилметиловый эфир, ампициллин; 1.17. гептан, амнлфениловый эфир, ангинин; 1.18. декан, амилформиат, анилин; 1.19. диамилбензол, анизол, антримид; 1.20. диамилнафталин, ацеталь, атофан; 1.21. дивинилацетилен, ацетальдегид, ацеклидин; 1.22. дигидроциклопентадиен, ацетилацетон, ацетанилид; 1.23. диизобутилен, ацетисалициловая кислота, ацетилхлорид; 1.24. диизопропилбензол, ацетилтрибутилцитрат, ацетоацетанилид; 1.25. диметиленциклобутан, ацетометоксан, ацетонитрил; 1.26. дитолилметан, ацетон, ацетоксим; 1.27. дифенил, ацетонилацетон, ацетоэтиламид; 1.28. дифенилметан, ацетопропиловый спирт, бензамид; 1.29. диэтилциклогексан, ацетоуксусный эфир, бензилдиэтиламин; 1.30. додекан, ацетофенон, бензилтиол; 1.31. изобутилбензол, бензальдегид, бензилхлорид; 1.32. изобутилциклогексан, бензантрон, бензилцианид; 1.33. изооктан, бензгидрол, бензимидазол; 1.34. изопентан, бензилацетат, бензоат натрия; 1.35. изопрен, бензилбензоат, бензоилхлорид; 1.36. изопропенилбензол, бензилсалицилат, бензоксазолон; 1.37. изопропилацетилен, бензилцеллозольв, бензолсульфазид; 1.38. метилциклогексан, бензилэтиловый эфир, бензолсульфамид; 1.39. метилциклопентан, бензилянтарная кислота, бензолсульфокислота; 1.40. октилтолуол, метоксибутилацетат, бензонитрил. 6 2. При сгорании какого горючего вещества выделится большее число молей продуктов горения? 2.1. бензофенон и бензофенонтетракарбоновая кислота; 2.2. борнеол и бутаналь; 2.3. бутановая кислота и бутилацетат; 2.4. бутилацетилрицинолеат и бутилацетоацетат; 2.5. бутилбензилсебацинат и бутилбензоат; 2.6. бутилбутират и бутилвиниловый эфир; 2.7. бутилгликоль и бутилгликольацетат; 2.8. бутилглицидный эфир и бутилдиэтиладипинат; 2.9. бутилизовалериат и бутилкапронат; 2.10. бутилкарбитол и бутиллактат; 2.11. бутиллаурат и бутилметакрилат; 2.12. бутилметилкетон и бутилолеат; 2.13. бутилпропионат и бутилрициноолеат; 2.14. бутилстеарат и бутилфениловый эфир; 2.15. бутилформиат и бутилэтилацеталr,дегид; 2.16. бутилэтилкетон и бутилэтиловый эфир; 2.17. валериановая кислота и валериановый альдегид; 2.18. ванилин и ветиверилацетат; 2.19. ветиверовый спирт и ветинилацетат; 2.20. ветинон и винилаллиловый эфир; 2.21. винилацетат и винилбутират; 2.22. винилизобутиловый эфир и винилизооктиловый эфир; 2.23. винилизопропиловый эфир и винилкротонат; 2.24. винилметилкетон и винилоксиэтилметакрилат; 2.25. винилоктадециловый эфир и винилпропионат; 2.26. винилтриметилнониловый эфир и винилuетиловый эфир; 2.27. винилэтиловый эфир и винная кислота; 2.28. витамин А (ацетат) и витамин С; 2.29. галловая кислота и гексаналь; 2.30. гексановая кислота и гексилацетат; 2.31. гексилбутират и гексилдиэтилгексагидрофталат; 2.32. гексилметакрилат и гексилметилкетон; 2.33. гексиловый спирт и гексилпропионат; 2.34. гексилформиат и гексилцеллозольв; 2.35. гелиотропин и гептадециловый спирт; 2.36. гептаналь и гептилацетат; 2.37. гептилбутират и гептилдифенилкетон; 2.38. гептилизобутилкетон и гептилметилкетон; 2.39. гептиловый спирт и гептилпропионат; 2.40. гептилформиат и гидрохинон. 7 2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ 2.1. РАСЧЁТ ОБЪЁМА ВОЗДУХА, ОБЪЁМА И СОСТАВА ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ При решении многих практических вопросов необходимо знать количество воздуха, расходуемого на горение единицы массы или объёма горючего вещества, количество образовавшихся продуктов горения и их процентный состав. Рассмотрим расчётные методы определения отдельных составляющих материального баланса процессов горения. Методика расчёта объёма воздуха для горения зависит от состава горючего вещества, его агрегатного состояния и условий горения. По своей природе горючие вещества могут быть индивидуальными химическими соединениями и смесями сложных химических соединений. К индивидуальным химическим соединениям относятся такие вещества, которые имеют постоянное химическое строение и постоянную химическую формулу, например бензол (С6Н6), пропанол (С3Н7ОН), уксусная кислота (СН3СООН) и др. Смеси сложных химических соединений – вещества, не имеющие определённого химического строения, и их состав одной химической формулой выразить нельзя. К этой группе веществ относятся уголь, нефть, древесина, жиры и др. Состав этих веществ выражается в процентном содержании отдельных элементов или газов (C, S, H, и др. или СО, СН4, Н2S и др.). Различают объём воздуха теоретически необходимый для горения (Vвтеор.) и объём воздуха действительно (практически) израсходованный на горение (Vвдейств.). При этом: действ теор Vв = α ⋅ Vв . (2) Множитель α называется коэффициентом избытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз объём воздуха, поступивший на горение, больше теоретического объёма воздуха, необходимого для полного сгорания единицы количества вещества в стехиометрической смеси. Разность между действительным и теоретически необходимым количеством воздуха называется избытком воздуха (ΔVв). действ теор ΔVв = Vв − Vв . (3) Объём продуктов горения, образовавшихся при сжигании единицы горючего (1 кг, 1 м3 , 1 кмоль) в теоретическом количестве воздуха, равен сумме объёмов углекислого газа, паров воды и азота: теор теор V ПГ = VCO + VH O + V N . (4) Полный, действительный объём продуктов горения находится с учётом избытка воздуха: действ теор теор теор V ПГ = V ПГ + ΔVв = V ПГ + (α − 1) ⋅ Vв . (5) Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на 4 группы (табл. 1): индивидуальные химические соединения (в газообразном и конденсированном состоянии); вещества сложного состава (древесина, торф, нефть и т. п.); смесь газов (генераторный, попутный газы и т. п.). 2 8 2 2 Таблица 1 Расчётные формулы для определения теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания веществ Группа горючих веществ Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии Индивидуальное горючее вещество в конденсированном состоянии Размерно сть Расчётные формулы Vв теор Vв теор Смесь газов Vв теор Вещество сложного состава в конденсированном состоянии Vв теор = = = nO + n N 2 2 (6) м3/м3 (7) м3 кг (8) м3/м3 (9) м3/кг n гв (nO + n N ) ⋅ Vt 2 2 nгв ⋅ М гв ∑ β ⋅ϕ i − ϕО 2 21 S −O⎞ ⎛С = 0,269 ⋅ ⎜ + Н + ⎟ 8 ⎠ ⎝3 Примечание: nгв , nO , n N – количества горючего, кислорода и азота, получаемые из уравнения реакции горения, кмоль/кмоль; Мгв – молекулярная масса горючего вещества; Vt – молярный объём газа при заданных условиях, м3/кмоль; C, H, S, O – весовое содержание соответствующих элементов в составе горючего вещества, % масс.; ∑ β i ⋅ ϕ i – сумма произведений стехиометрического коэффициента реакций горения каждого компонента горючей смеси (βi) на процентное содержание этого компонента (ϕi) в смеси; ϕ О – процентное содержание кислорода в сложном горючем газе. 2 2 2 Для газообразных горючих веществ расчёт объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м3/м3 . Так как 1 кмоль любого газа в одинаковых условиях занимает один и тот же объём (при нормальных условиях 22, 4 м3), то объём, рассчитанный в м3/м3, численно будет таким же, как и в кмоль/кмоль. Если горючее вещество находится в конденсированном состоянии (жидком или твёрдом), то, как правило, расчёты объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м3/кг. Для определения объёма воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются уравнением идеальных газов: P0 ⋅ V0 P1 ⋅ V1 , = T0 T1 (10) где Р0 – нормальное давление, Па; Т0 – нормальная температура, К; V0 – объём воздуха при нормальных условиях (м3 или м3/кмоль); 9 P1, T1, V1 – соответственно давление, объём и температура воздуха, характеризующие заданные условия горения. Иногда на практике приходится решать обратную задачу – по известному процентному содержанию кислорода в продуктах горения находить коэффициент избытка воздуха: теор ϕ О ⋅ VПГ . (11) α = 1 + теор Vв ⋅ (21 − ϕ О ) Для веществ, у которых объём продуктов горения равен объёму израсходованного воздуха (например, горение углерода, серы), эта формула упрощается: 21 α= . (12) 21 − ϕ О 2 2 2 При расчёте объёма приведёнными в табл. 2. продуктов горения пользуются формулами, Таблица 2 Расчётные формулы для определения теоретического объёма продуктов горения Группа горючих веществ Размерность Расчётные формулы Индивидуальное горючее вещество V теор = ∑ n ПГ ПГ в газообразном n гв состоянии Индивидуальное горючее вещество в V теор = ∑ n ПГ ⋅ Vt ПГ конденсированном nгв ⋅ М гв состоянии ∑ nПГ i ⋅ ϕ гв i − ϕ О + ϕ негор.г теор = V ∑ ПГ Смесь газов nгв ⋅ 100 100 2 (13) м3/м3 (14) м3/кг (15) м3/м3 i С Н W S теор Вещество = 1,86 ⋅ + (11, 2 ⋅ + 1, 24 V ПГ ) + 0 ,7 ⋅ 100 100 100 100 (16) сложного состава в конденсированном + 1 ⋅ ⎡ 7 C + 21( H − O ) + 2 ,63 S + 0 ,8 N ⎤ + ϕ негор .к ⎥⎦ 100 ⎢⎣ 8 100 состоянии м3/кг Процентный состав продуктов горения рассчитывается исходя из количества молей продуктов горения. Например, процентное содержание паров воды в продуктах горения составит: 10 n Н О ⋅ 100 %Н 2О = , %. 2 ∑ n ПГ (17) Если горение протекает с избытком воздуха, то при расчёте количества молей продуктов горения учитывается избыточное число молей кислорода и азота ( ΔnO и Δn N ): n Н О ⋅ 100 %Н 2О = ,% , (18) ∑ n ПГ + ΔnO + Δn N 2 2 2 2 2 где ΔnO = nO ⋅ (α − 1) , Δn N = n N ⋅ (α − 1) . 2 (19) 2 2 (20) 2 Рассмотрим примеры решения задач на расчёт объёма воздуха, объёма и состава продуктов горения. ПРИМЕР: Сгорает 4 м3 пропана (С3Н8). Рассчитать теоретические объёмы воздуха, объём и состав (в объёмных %) продуктов горения. Условия нормальные. РЕШЕНИЕ: Сгорает индивидуальное горючее вещество, находящееся в газообразном состоянии. 1. Запишем уравнение реакции горения пропана в воздухе: С3Н8 + 5⋅(О2 + 3,76N2) = 3 CО2 + 4 Н2О + 3,76⋅5 N2. 2. Рассчитаем теоретические объёмы воздуха и продуктов горения по формулам (6) и (13) в расчёте на 1 м3 горючего вещества: 5 ⋅ (1 + 3,76) теор 3 3 Vв = = 23,8 (м /м ); 1 VПГ теор = 3 + 4 + 5 ⋅ 3,76 3 3 = 25,8 (м /м ). 1 3. Учитывая, что сгорает не 1 м3 газа, а 4 м3 находим действительные объёмы воздуха и продуктов горения: Vв = 23,8 ⋅ 4 = 95,2 (м3); V ПГ = 25,8 ⋅ 4 = 103, 2 (м3). 4. Рассчитаем состав продуктов горения: n CO ⋅ 100 3 ⋅ 100 = = 11,6% %СО 2 = n CO + n H O + n N 3 + 4 + 5 ⋅ 3,76 n Н О ⋅ 100 4 ⋅ 100 %Н 2О = = = 15,5% 3 + 4 + 5 ⋅ 3,76 n CO + n H O + n N n N ⋅ 100 3,76 ⋅ 5 ⋅ 100 %N 2 = = = 72,9% . 3 + 4 + 5 ⋅ 3,76 nCO + n H O + n N ОТВЕТ: на сгорание 4 м3 пропана необходимо 95,2 м3 воздуха, при этом образуется 103,2 м3 продуктов горения, из которых СО2 – 11,6 %, Н2О – 15,5 %, N2 – 72,9 %. 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 11 ПРИМЕР: Сгорает 100 кг ацетона. Рассчитать действительные объёмы воздуха и продуктов горения и процентное содержание углекислого газа (СО2), если коэффициент избытка воздуха равен 2. Условия нормальные. РЕШЕНИЕ: Сгорает индивидуальное химическое соединение в конденсированном состоянии. 1. Составляем уравнение реакции горения ацетона в воздухе: С3Н6О + 4(О2 + 3,76 N2) = 3 CО2 + 3 Н2О + 4⋅3,76 N2. 2. Объём воздуха, необходимый для сгорания 1 кг ацетона, рассчитываем по формуле (7), учитывая при этом, что масса одного киломоля ацетона составляет 58 кг/кмоль: (nO + n N ) ⋅ Vt (4 + 4 ⋅ 3,76)22,4 теор = Vв = = 7,4 (м3/кг). 1 ⋅ 58 nгв ⋅ М гв 3. Действительный объём воздуха, пошедшего на сгорание 1 кг ацетона, рассчитывается с учётом коэффициента избытка воздуха α: действ теор Vв = α ⋅ Vв = 2 ⋅ 7,4 = 14,8 (м3/кг). 4. Избыток воздуха составит: действ теор ΔVв = Vв − Vв = 14,8 − 7,4 = 7,4 (м3/кг). 5. Теоретический объём продуктов горения рассчитываем по формуле (14): теор ∑ n ПГ ⋅ Vt = (3 + 3 + 4 ⋅ 3,76) ⋅ 22,4 = 8,1 (м3/кг). V ПГ = nгв ⋅ М гв 1 ⋅ 58 Действительный объём продуктов горения составит: 6. действ теор 3 V ПГ = Vв + ΔVв = 8,1 + 7,4 = 15,5 (м /кг). Объём воздуха теоретически необходимого для сгорания 100 кг 7. ацетона составит соответственно 740 м3 (7,4 ⋅ 100), при этом выделится 1 550 м3 продуктов сгорания. 8. Процентное содержание углекислого газа рассчитывается по формуле: 2 %СО2 = 2 nСО ⋅ 100 ∑n = 2 ПГ + ΔnO + Δn N 2 2 3 ⋅ 100 = 7,48% . 3 + 3 + 4 ⋅ 3,76 + 4(2 − 1) + 4 ⋅ 3,76(2 − 1) ОТВЕТ: При сгорании 100 кг ацетона объём воздуха при нормальных условиях составит 1 480 м3, а объём продуктов горения – 1 550 м3, процентное содержание углекислого газа в продуктах горения составило 7,48 %. Примечание. Если в процессе горения была заданы условия, отличные от нормальных (Т≠273 К, Р≠101,3 кПа), то объём продуктов горения и воздуха рассчитывается с учётом объёма, который занимает один кмоль газа при этой температуре: 22,4 ⋅ P0 ⋅ T , (21) Vt = T0 ⋅ P где Р0 =101,3 кПа; Т0 = 273 К; Т и Р – заданные температура и давление. 12 ПРИМЕР: Газовая смесь объёмом 10 м3, состоящая из 30 % ацетилена, 40 % пропана, 20 % углекислого газа и 10 % сгорает с 40 %-ным избытком воздуха. Вычислить объём воздуха, принимающего участие в горении, если процесс протекает при нормальных условиях. РЕШЕНИЕ. 1. Составляем уравнения реакций горения горючих газов смеси в воздухе: С2Н2 + 2,5 (О2 + 3,76 N2) = 2 СО2 + Н2О + 2,5 ⋅3,76 N2, С3Н8 + 5 (О2 + 3,76 N2) = 3 СО2 + 4 Н2О + 5 ⋅3,76 N2. 2. Рассчитаем теоретические объёмы воздуха и продуктов горения при полном сгорании 1 м3 газовой смеси (формулы 8 и 15): nO ∑ n ⋅ ϕ i − ϕ О 2,5 ⋅ 30 + 5 ⋅ 40 − 10 теор i 1 = = 1 = 12,62 (м3/м3), Vв 21 21 ϕ теор ∑ n ПГ i ⋅ ϕ гв i + негор .г = VПГ =∑ nгв ⋅ 100 100 2 2 i ( 2 + 1 + 2,5 ⋅ 3,76) 30 3 + 4 + 5 ⋅ 3,76 40 20 ⋅ + ⋅ + = 14,24( м 3 / м 3 ) 1 100 1 100 100 3. Рассчитаем действительные объёмы воздуха и продуктов горения с учётом 40 % - ного избытка воздуха (α = 1,4). действ теор Vв = α ⋅ Vв = 1,4 ⋅ 12,62 = 17,67 (м3/м3), действ теор 3 3 VПГ = Vв + ΔVв = 14,24 + (17,67 − 12,62) = 19,29 (м /м ). 4. Поскольку объём горючей смеси составлял 10 м3, действительные объёмы воздуха и продуктов горения составят 176,7 и 192,9 м3 соответственно. ОТВЕТ: На сгорание 10 м3 сложной газовой смеси требуется 176, 7 м3 воздуха, при этом образуется 192, 9 м3 продуктов горения. = ПРИМЕР: Определить объёмы воздуха и продуктов горения при сжигании 2 кг горючего вещества, имеющего элементный состав: С = 50 %; Н = 10 %; N = 10 %; золы = 12 %; влаги = 18 %. Считать, что воздух и продукты горения находятся при нормальных условиях. РЕШЕНИЕ: 1. Для решения задачи воспользуемся формулами (9) и (16). S −O⎞ теор ⎛С ⎛ 50 ⎞ 3 Vв = 0,269 ⋅ ⎜ + Н + ⎟ = 0,269⎜ + 10 ⎟ = 7,17 (м /кг) 8 ⎠ ⎝3 ⎝ 3 ⎠ 13 С Н W S + (11, 2 ⋅ + 1, 24 ) + 0, 7 ⋅ 100 100 100 100 1 ⎡ O ⎤ ϕ негор . к + ⋅ ⎢ 7C + 21( H − ) + 2,63 S + 0,8 N ⎥ + = 100 ⎣ 8 100 ⎦ = 1,86 ⋅ 0,5 + (11, 2 ⋅ 0,1 + 1, 24 ⋅ 0,18 ) + 0,01 ⋅ [7 ⋅ 50 + 21 ⋅ 10 + 0,8 ⋅ 10 ] + 0,12 = 8,07 м 3 / кг V ПГ теор = 1,86 ⋅ При сгорании 2 кг горючего вещества образуется соответственно 14, 34 и 16, 14 м3 воздуха и продуктов горения. ОТВЕТ: При сгорании 2 кг горючего вещества расходуется 14, 34 м3 воздуха и образуется 16, 14 м3 продуктов горения. 2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРА СВЕЧЕНИЯ ПЛАМЕНИ Характер свечения пламени веществ при их горении зависит от процентного содержания углерода и кислорода в горючем веществе. При горении веществ в зоне горения происходит процесс термического разложения их. Наличие углерода в зоне горения будет придавать пламени яркость. О характере свечения пламени приблизительно можно судить по процентному содержанию углерода и кислорода в горючем веществе (табл. 3). Характер свечения пламени Пламя бесцветное Пламя яркое, не коптящее Пламя яркое, коптящее Содержание кислорода в горючем веществе, % более 30 Таблица 3 Содержание углерода в горючем веществе, % не более 50 отсутствует или менее 30 от 50 до 75 отсутствует или менее 25 более 75 Процентное содержание углерода (кислорода) рассчитывается по формуле: АrC ( О ) ⋅ nС ( О ) %С = ⋅ 100% , (22) MrГВ где АrС(О) – атомный вес углерода (кислорода); МrГВ – молекулярная масса горючего вещества; nС(О) – количество атомов углерода(кислорода) в формуле горючего вещества. ПРИМЕР: Определить характер свечения пламени этилового спирта. РЕШЕНИЕ: 1. Рассчитываем содержание углерода в этиловом спирте (С2Н5ОН). 14 АrC ⋅ nC 12 ⋅ 2 ⋅ 100% = ⋅ 100% = 52,17% MrГВ 46 Аr ⋅ n 16 ⋅ 1 %О = О О ⋅ 100% = ⋅ 100 = 34,78% , следовательно пламя бесцветное. MrГВ 46 %С = ОТВЕТ: поскольку содержание кислорода в этиловом спирте превышает 30 %, пламя будет бесцветным. 2.3. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ 1. Определить объём воздуха, необходимого для сгорания 50 м3 ацетилена при α=1, 7. 2. Определить объёмы воздуха, продуктов горения и процент содержания продуктов горения 2 м3 этана. Температуру продуктов горения принять 1200 К, давление 101, 3 кПа, избыток воздуха α=1, 2. 3. Определить объём воздуха, необходимого для сгорания 15 м3 бутана при температуре 10°С и давлении 750 мм рт. ст., если горение протекает с коэффициентом избытка воздуха, равным 1, 4 (α=1,4). 4. Рассчитать объём и состав (в %) продуктов горения при сгорании сероводорода объёмом 12 м3 при температуре 30°С и давлении 106 кПа. Коэффициент избытка воздуха составил 1, 1. 5. Рассчитать объём воздуха, объём продуктов горения и процентное содержание в них диоксида углерода при полном сгорании 5 м3 этилена, если горение протекает с избытком воздуха (коэффициент избытка воздуха 1, 7). 6. Рассчитать количество амилбензола, которое может сгореть в закрытом помещении объёмом 200 м3, если горение прекратилось при остаточном содержании кислорода 12 %. Начальная температура в помещении 24 оС, давление 98 кПа. 7. Определить, какое количество бутилацетата может сгореть в помещении объёмом 200 м3, если его горение прекращается при содержании кислорода воздуха, равном 13, 8 % (условия нормальные). 8. Определить объёмы продуктов горения и воздуха при сжигании 7 кг гексана. Процесс горения протекал при температуре 33°С и давлении 730 мм. рт. ст. Температура продуктов горения принять равной 1300 К. 9. Определить объёмы продуктов горения и воздуха при сжигании 11 кг ацетона. Процесс горения протекал при температуре 30°С и давлении 720 мм рт. ст. Температуру продуктов горения принять равной 1300 К. 15 10. Определить объём продуктов горения и воздуха при сжигании 17 кг толуола. Процесс горения протекал при температуре 30°С и давлении 745 мм рт. ст. Температуру продуктов горения принять равной 1100 К. 11. Рассчитать объём воздуха и объём продуктов горения при полном сгорании 6 кг целлюлозы, состоящей из 80 % углерода, 13 % водорода и 7 % кислорода, если горение протекает при температуре 25 оС и давлении 95 кПа. Коэффициент избытка воздуха равен 1, 4. 12. Определить объём воздуха, необходимого для сгорания 6 кг диэтилового эфира при температуре 15°С и давлении 750 мм рт. ст. Коэффициент избытка воздуха составил 1, 3. 13. Определить, какое количество бензола сгорело в закрытом помещении объёмом 180 м3, если известно, что горение его прекратилось при содержании кислорода в воздухе, равном 14, 6 %. Температура до пожара была 19°С и давление 100 кПа. 14. Рассчитать количество сгоревшего аллилового спирта и процентное содержание воды в продуктах горения, если на его сгорание при температуре 23 оС и давлении 99 кПа израсходовано 110 м3 воздуха. 15. Определить коэффициент избытка воздуха, если для сгорания 8 кг этилацетата израсходовано 212 м3 воздуха при температуре 25°С и давлении 760 мм рт. ст. 16. Рассчитать коэффициент избытка воздуха и процентное содержание в продуктах горения диоксида углерода, если на полное сгорание 4 кг этилпропилового эфира (С5Н12О) при температуре 22 оС и давлении 92 кПа израсходовано 70 м3 воздуха. 17. Сгорает 3 кг акролеина при температуре 21 оС и давлении 98 кПа. Рассчитать объём воздуха, перешедшего в продукты горения, и процентное содержание в них воды, если горение протекает с избытком воздуха (коэффициент избытка воздуха равен 1, 2). 18. Рассчитать объём воздуха и продуктов горения, образующихся при сгорании 10 кг глицерина, если горение протекало при 25°С и давлении 102 кПа. Коэффициент избытка воздуха составил 1, 3. 19. Рассчитать объём и состав (в %) продуктов горения, образующихся при сгорании 8 кг пропилацетата, если горение протекало при 20°С и давлении 103 кПа. Коэффициент избытка воздуха составил 1,4. 20. Рассчитать объём газовой смеси, состоящей из 45 % бутана, 30 % метана, 20 % ацетилена и 5 % кислорода, если на её сгорание при нормальных условиях израсходовано 80 м3 воздуха. Коэффициент избытка воздуха равен 1,6. 21. Рассчитать количество угля, состоящего из 70 % углерода, 20 % водорода и 10 % серы и объём образовавшихся при этом продуктов горения, если на сгорание угля при нормальных условиях израсходовано 100 м3 воздуха. 16 22. Рассчитать объём воздуха и объём продуктов горения при полном сгорании 7 м3 газовой смеси, состоящей из 57 % водорода, 18 % окиси углерода и 25 % метана, если горение протекает с избытком воздуха (коэффициент избытка воздуха равен 1,3). 23. Рассчитать объём воздуха и объём продуктов горения при полном сгорании 6 кг церезина, состоящего из 80 % углерода, 15 % водорода и 5 % кислорода, если горение протекает при температуре 25 оС и давлении 95 кПа. Коэффициент избытка воздуха равен 1, 5. 24. Рассчитать концентрацию пропанола, сгоревшего в закрытом помещении объёмом 150 м3, если горение прекратилось при остаточном содержании кислорода 9 %. Начальная температура в помещении 21 оС, давление 99 кПа. 25. Определить объём и состав продуктов горения (в об. %) смеси газов (табл. 4), если горение происходит при коэффициенте избытка воздуха α (см. табл. 4). 26. Рассчитать объём воздуха и продуктов горения при сгорании горючего вещества заданной массы при заданных условиях (см. табл. 5) Таблица 4 Состав смеси, % Оксид углерода Номер задания 25.4 25.5 25.6 25.7 25.1 25.2 25.3 - 10 - - - Водород 50 - - - - Метан - - 20 - - Этан - - - 45 45 Пропан - - - - - Бутан 8 - - - 20 Этилен 20 22 28 - Пропен - - - 20 Ацетилен - 8 - Углекислый газ 20 10 18 Азот - 50 24 Кислород 2 α 1,2 2 43 - 25.8 25.9 25.10 10 - 5 25 5 36 - 20 24 5 14 16 2 21 10 20 10 15 1,3 1,1 60 20 10 26 15 15 25 30 25 3 20 5 1,2 1,4 1,1 1,3 1,2 17 20 1,2 25 Таблица 5 № задания Вещество 26.1 10 12 Масса вещества, кг 2 3 19 14 4 10 16 5 1 17 6 10 18 7 1 20 8 1 2 22 9 10 4 16 30 24 10 4 2 2 4 13 26 12 3 4 0,2 5,8 17 28 14 Элементный состав вещества, масс. % Н 14 О 1 S W Церезин С 85 26.2 Уголь 70 4 4 3 26.3 Древесина 46 6 37 1 26.4 Бензин 85 14 26.5 Нефть 82 8 26.6 Мазут 83 11 1 4 26.7 Керосин 80 14 3 26.8 Горючий сланец 35 5 26.9 Каменный уголь 75 26.10 Антрацит 70 t,°С Зола 27. Определить характер свечения пламени этилбензола. 28. Определить характер свечения пламени уксусной кислоты. 29. Определить характер свечения пламени гексана. 30. Определить характер свечения пламени амилового спирта. 31. Определить характер свечения пламени бутана. 32. Определить характер свечения пламени бензола. 3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ. РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ Под температурой горения понимают максимальную температуру, до которой нагреваются продукты горения. В технике и пожарном деле различают теоретическую, калориметрическую, адиабатическую и действительную температуру горения. Теоретическая температура горения – это температура, при которой выделившаяся теплота горения смеси стехиометрического состава расходуется на нагрев и диссоциацию продуктов горения. Практически диссоциация продуктов горения начинается при температуре выше 2 000 К. 18 Калориметрическая температура горения – это температура, которая достигается при горении стехиометрической горючей смеси с начальной температурой 273 К и при отсутствии потерь в окружающую среду. Адиабатическая температура горения – это температура полного сгорания смесей любого состава при отсутствии тепловых потерь в окружающую среду. Действительная температура горения – это температура горения, достигаемая в условиях реального пожара. Она намного ниже теоретической, калориметрической и адиабатической, т.к. в реальных условиях до 40 % теплоты горения обычно теряется на излучение, недожог, нагрев избытка воздуха и т.д. Экспериментальное определение температуры горения для большинства горючих веществ представляет значительные трудности, особенно для жидкостей и твёрдых материалов. Однако в ряде случаев теория позволяет с достаточной для практики точностью вычислить температуру горения веществ, основываясь только на знании их химической формулы, состава исходной горючей смеси и продуктов горения. В общем случае для вычислений используется следующая зависимость (приближённая, так как С р = f (T ) ): (23) Qпг = Vпг⋅Ср⋅Тг, , где Qпг – энтальпия продуктов горения; Vпг – количество продуктов горения, м3/кг; Ср – средняя объемная теплоемкость смеси продуктов горения в интервале температур от Т0 до Тг, кДж/(м3⋅К); Тг – температура горения, К. Энтальпия продуктов горения определяется из уравнения теплового баланса: Qпг = QH + Qисх – Qпот , (24) Qпот = Qи + Qнедож + Qдисс, (25) где Qисп – теплота испарения; Qпот – потери тепла за счёт излучения, недожога и диссоциации продуктов горения. В зависимости от рода учитываемых потерь теплоты в зоне горения (на излучение, недожог, диссоциацию продуктов горения) вычисляется та или иная температура. При кинетическом горении газопаровоздушных смесей потери теплоты из зоны горения пренебрежимо малы, поэтому для этих смесей действительная температура горения близка к адиабатической, которую и используют в пожарнотехнических расчетах. Среднюю теплоемкость смеси продуктов горения определить очень сложно. Ориентировочно энтальпия смеси продуктов горения может быть выражена как сумма энтальпий ее компонентов: Qпг = Σ (Vпг)i (Ср)i ⋅ Тг , (26) 19 где (Vпг)i – количество i-го компонента продуктов горения; Ср – средняя объемная теплоемкость i-го компонента при Тг и постоянном давлении; Тг – температура горения. При расчётах температуры горения пользуются величиной Qн (низшей теплотой сгорания), так как при температуре горения вода находится в газообразном состоянии. Значения низшей теплоты сгорания вещества (тепловой эффект химической реакции) приводится в справочной литературе, а также может быть рассчитана из следствия закона Гесса: (27) Q н = ( ∑ Δ Н i ⋅ n i ) прод − ( ∑ Δ Н i ⋅ n i ) исх , где ΔН i – теплота образования i-го вещества, ni – количество молей i-го вещества. Согласно следствию из закона Гесса тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования продуктов реакции и теплот образования исходных веществ. Напомним из курса химии, что теплота образования простых веществ (кислорода, азота и др.) равна нулю. Например, рассчитаем теплоту сгорания (тепловой эффект) этана: С2Н6 + 3,5⋅(О2 + 3,76N2) = 2 CО2 + 3 Н2О + 3,76⋅3,5 N2. Низшая теплота сгорания, согласно следствию из закона Гесса равна: Qн = ΔН СО ⋅ nCO + ΔН Н О ⋅ nН О − ΔН С Н ⋅ nC Н . (28) 2 2 2 2 2 6 2 6 Подставляя значения теплоты образования СО2, Н2О и С2Н6 из справочных данных, определяют низшую теплоту сгорания этана. При сгорании смеси индивидуальных веществ сначала определяют теплоту сгорания каждого компонента, а затем их суммируют с учётом процентного содержания каждого горючего вещества в смеси: ϕ см (29) Qн = ∑ Qнi ⋅ гi . 100 Если горючее является сложным веществом и его элементный состав задан в массовых процентах, то для расчёта теплоты сгорания используют формулу Менделеева: (30) Qн = 339,4 ⋅ С + 1257 ⋅ Н − 108,9(О + N − S ) − 25(9 ⋅ Н + W ), кДж / кг где С, Н, О, N, S – процентное содержание данного элемента в горючем веществе; W – содержание влаги в масс. %. Для расчёта температуры горения составим уравнение теплового баланса, считая, что выделившееся в результате сгорания тепло нагревает продукты горения от начальной температуры Т0 до температуры Тг.: Qн (1 − η ) = ∑ с р ⋅ VПГi (Т Г − Т 0 ) (31) ПГi 20 где η – коэффициент теплопотерь (доля потерь тепла на излучение, а также в результате неполноты сгорания); с р ПГi – теплоёмкость i-го продукта горения при постоянном давлении, кДж/моль К; V ПГi – объём i-го продукта горения, м3. Расчёт объёма продуктов горения (СО2, Н2О, SO2, N2) проводится по следующим формулам: С VCO = 1,86 ⋅ ; (32) 100 Н W ; (33) VH O = 11,2 ⋅ + 1,24 100 100 O 1 ⎡ ⎤ (34) VN = C + H − 7 21 ( ) + 2,6 ⋅ S + 0,8 ⋅ N ⎥ ; ⎢ 100 ⎣ 8 ⎦ S VSO = 0,7 . (35) 100 Из уравнения теплового баланса: Q (1 − η ) Т Г = Т0 + н . (36) ∑ с р ⋅ VПГi 2 2 2 2 ПГi Трудность в определении температуры горения по этой формуле заключается в том, что теплоёмкость газа зависит от температуры. Так как газы нагреваются от температуры Т0 до температуры Тг , то в формулу (36) необходимо подставить среднее значение теплоёмкости именно в этом интервале температур. Но температура горения нам неизвестна и мы хотим её найти. В этом случае можно поступить следующим образом. Среднее значение температуры горения большинства веществ в воздухе составляет примерно 1500 К. Поэтому с небольшой погрешностью в определении Тг для расчётов можно взять среднее значение теплоёмкости в интервале температур 273–1500 К. Эти значения для основных продуктов горения приведены в табл. 6. Таблица 6 Средние значения теплоёмкостей основных продуктов горения в интервале температур 273–1500°С Вещество Диоксид углерода Диоксид серы Вода (пар) Азот Воздух Удельная теплоёмкость, с р 3 кДж/(м ⋅К) 2, 27 2, 28 1, 78 1, 42 1, 44 21 i кДж/(моль⋅К) 5, 08⋅10-2 5, 11⋅10-2 3, 99⋅10-2 3, 18⋅10-2 3, 23⋅10-2 Среднее значение теплоёмкости некоторых газообразных веществ в различных температурных интервалах приведены также в табл. III приложения. Рассмотрим примеры решения задач на расчёт температуры горения. 3.1. РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ ПРИМЕР: Рассчитать действительную температуру горения вещества сложного состава, состоящего из 40 % углерода, 20 % водорода, 30 % азота, 10 % влаги. Горение протекает при коэффициенте избытка воздуха, равном 1,2, а потери тепла на излучение составляют 30 %. РЕШЕНИЕ: 1. Рассчитаем низшую теплоту сгорания горючего вещества, используя формулу Д. И. Менделеева (см. формулу 30). Qн = 339,4 ⋅ С + 1257 ⋅ Н − 108,9(О + N − S ) − 25(9 ⋅ Н + W ) = = 339 ⋅ 40 + 1257 ⋅ 20 − 109 ⋅ 30 − 25 ⋅ (9 ⋅ 20 + 10) = 30680(кДж / кг ) 2. Рассчитаем объёмы продуктов горения при полном сгорании 1 кг горючего вещества сложного состава (см. формулы) (32–34): С 40 VCO = 1,86 ⋅ = 1,86 ⋅ = 0,744( м 3 / кг ) ; 100 100 2 Н W 20 10 + 1,24 = 11,2 ⋅ + 1,24 = 2,36 ( м 3 / кг ) ; 100 100 100 100 O 1 ⎡ 1 ⎤ [7 ⋅ 40 + 21 ⋅ 20 + 0,8 ⋅ 30] = 7,24( м 3 / кг) = 7 C + 21 ( H − ) + 2 , 6 ⋅ S + 0 , 8 ⋅ N = ⎢ ⎥ 100 ⎣ 8 ⎦ 100 V H O = 11,2 ⋅ 2 VN 2 В связи с тем, что горение происходит при избытке воздуха, то в продуктах горения будет присутствовать избыточный воздух, который не участвовал в горении. 3. Рассчитаем избыточный объём воздуха при полном сгорании 1 кг горючего вещества (см. формулу 9): Vвозд изб = 0,269( 40 + 20) ⋅ (1,2 − 1) = 1,79( м 3 / кг ) . 3 4. Рассчитаем температуру горения и, т.к. в условии задачи ничего не сказано о начальной температуре горения, будем считать, что горение протекает при нормальных условиях (см. формулу 36 и табл. 6): 30680 ⋅ (1 − 0,3) Т г = 273 + = 1418 К . 2,27 ⋅ 0,744 + 1,78 ⋅ 2,364 + 1,42 ⋅ 7,24 + 1,44 ⋅ 1,79 ОТВЕТ: действительная температура горения вещества сложного состава составила 1418 К. 22 3.2. РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ МЕТОДОМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ Для более точных расчётов используют метод последовательных приближений по известной зависимости теплосодержания (энтальпии) продуктов горения от температуры. Если теплосодержание продуктов горения при Т=273 К принять равным нулю, то полное теплосодержание продуктов горения при Тг будет равно количеству теплоты, выделившейся в результате химической реакции. С учётом теплопотерь: Qн (1 − η ) = ∑ Н ПГi ⋅ V ПГi , (38) где Н ПГi – теплосодержание (энтальпия) i-го продукта горения. Задача состоит в том, чтобы найти температуру, при которой будет справедливо это равенство. ПРИМЕР: Найти адиабатную температуру горения этилового спирта в воздухе, если теплота его образования равна - 278,2 кДж/моль. РЕШЕНИЕ. Адиабатную температуру горения вещества находят при условии отсутствия теплопотерь (η = 0) для стехиометрической смеси горючего с воздухом, т. е. при α = 1. 1. Для определения состава и объёма продуктов горения запишем уравнение химической реакции горения этилового спирта: 2. С2Н6О + 3(О2 + 3,76 N2) = 2 CО2 + 3 Н2О + 3⋅3,76 N2. Объём продуктов горения составляет: VCO = 2 моль / моль ; 2 V Н O = 3 моль / моль ; VN = 3 ⋅ 3,76 = 11.28 моль / моль ; объём продуктов горения ∑ VПГ = 16,28 моль / моль . 3. Рассчитаем низшую теплоту сгорания этилового спирта по следствию из закона Гесса: Qн = −(ΔНСО ⋅ nCO + ΔН Н О ⋅ nН О − ΔНС Н О ⋅ nC Н О ) = −(2 ⋅ (−396,9) + 3 ⋅ (−242,2) − (−278,2)) = 2 2 2 2 2 2 2 6 2 6 = 1242,2 (кДж/ моль) 4. Так как теплопотери отсутствуют, то всё выделившееся тепло идёт на нагрев продуктов горения. Среднее теплосодержание 1 моля продуктов горения будет составлять: Qн 1242,2 = = 76,3 (кДж/моль). ∑VПГi 16,28 5. Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры (табл. III приложения), можно установить какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать, ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения. Из табл. III (приложение) видно, что при температуре 2200°С теплосодержание азота 74, 1 кДж/моль. Уточним, сколько Н ср = 23 потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры. При Т1 = 2200 °С: Qн1 = Н СО ⋅ VСО + Н Н О ⋅ VН О + Н N ⋅ VN = 120,8 ⋅ 2 + 98,8 ⋅ 3 + 74,1 ⋅ 11,28 = 1373,5 (кДж /моль). Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения Qн1 ≥ Qн , поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2200 °С. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов горения до 2100 °С. Qн 2 = 114,7 ⋅ 2 + 93,4 ⋅ 3 + 70,4 ⋅ 13,16 = 1303,7(кДж / моль) . Но и Qн 2 ≥ Qн , значит Тг < 2100°С. При температуре 2000°С: Qн 3 = 180,6 ⋅ 2 + 88,1 ⋅ 3 + 66,8 ⋅ 11,28 = 1217(кДж / моль) . 2 2 2 2 2 2 Qн 3 уже меньше, чем Qн , из этого можно сделать вывод, что температура горения этанола имеет значение между 2000 и 2100°С. Уточним искомую температуру линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениями: Тг = Т3 + Т2 − Т3 2100 − 2000 ⋅ (Qн − Q3 ) = 2000 + ⋅ (1242 − 1217) = 2029 0 С или 2302 К. Q2 − Q3 1303,7 − 1217 ОТВЕТ: адиабатическая температура горения этанола составила 2302 К. 3.3. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ 1. В каком случае в условиях пожара при горении бутана выделится больше тепла: при полном горении или неполном, протекающем по реакции С4Н10 + 4,5О2→4СО+5Н2О. Ответ необходимо подтвердить расчётом с использованием закона Гесса. 2. Вычислить теплоту образования ацетилена из элементов, если его теплота горения равна 1411, 2 кДж/моль. 3. Определить теплоту сгорания 12 кг бензола, если теплота его образования составляет 82, 9 кДж/моль, теплота образования углекислого газа 396, 9 кДж/моль, теплота образования водяного пара 242, 2 кДж/моль. 4. Определить теплоту образования пимелиновой кислоты (С7Н12О4), если теплота её сгорания составляет 3453, 5 кДж/моль. 5. Определить теплоту сгорания салициловой кислоты, если теплота её образования составляет 589, 5 кДж/моль. 6. Вычислить теплоту образования метана, если при сжигании 10 г его в стандартных условиях выделяется 556, 462 кДж тепла. 7. Определить теплоту сгорания бензилового спирта (С7Н8О), если теплота его образования составляет 875, 4 кДж/моль. 24 8. При образовании октана из элементов выделяется 208, 45 кДж/моль тепла. Рассчитать его теплоту горения. 9. Теплота образования ацетона составляет -248, 28 кДж/моль. Определить его теплоту горения и количество тепла, которое выделится при сгорании 30 г вещества. 10. Рассчитать теплоту сгорания сульфапиридазина (С11Н12О3N4S) без учёта потерь на испарение влаги. 11. Определить теплоту сгорания сульфофенилгидразина (С6Н8О3N2S) с учётом потерь на испарение воды. Содержание влаги в веществе 20 %. 12. Определить теплоту сгорания 4, 4/-диаминодифенилсульфона (С12Н12О2N2S) без учёта потерь на испарение влаги. 13. Определить теплоты сгорания 4, 6-диметилгексагидро-1, 3, 5-триазинтиона-2 (С5Н9N3S) по формулам Д. И. Менделеева. 14. Определить теплоту сгорания диаминомезитилен-6-сульфокислоты (С9Н14О3N2S), если содержание влаги в веществе 35 %. 15. Определить низшую теплоту горения древесины состава: С – 41,5%; Н – 6%; О – 43 %; N – 2%; W– 7,5%. 16. Определить теоретическую температуру горения ацетона с использованием средних значений теплоёмкостей. 17. Определить теоретическую температуру горения пентана с использованием средних значений теплоёмкостей. 18. Определить теоретическую температуру горения октана и использованием средних значений теплоёмкостей. 19. Определить теоретическую температуру горения бензола с использованием средних значений теплоёмкостей. 20. Методом последовательных приближений температуру горения пропанола. рассчитать адиабатическую 21. Рассчитайте температуру горения для стехиометрической смеси горючего вещества с воздухом (табл. 7). Таблица 7 № задания 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 Горючее вещество Толуол Анилин Глицерин Этиленгликоль Ацетон Диэтиловый эфир Пропилацетат 25 Химическая формула С7Н8 С6Н5NН2 С3Н5 (ОН)3 С2Н4 (ОН)2 С3Н6О С4Н10О С5Н10О2 Этанол Пропанол-1 Бутанол-1 21.8 21.9 21.10 С2Н6О С3Н8О С4Н10О 22. Методом последовательных приближений рассчитать действительную температуру горения горючего вещества (табл. 8), если горение протекает при коэффициенте избытка воздуха α, а доля потерь тепла излучением составляет η. Таблица 8 № Название задания вещества Антрацит 22.1 Элементный состав вещества, масс. % С Н О S N W зола 67 3 4 0,5 1,0 3 21,5 α η 1,1 0,2 22.2 Горючий сланец 24,2 1,8 4,5 3,0 2,0 25 39,5 1,2 0,3 22.3 Керосин 80 13,7 0,3 - - 6 - 1,3 0,4 22.4 Бензин 85 8,0 5,0 - 2,0 1,4 0,3 12,0 1,2 0,8 - - - 1,5 0,2 22.5 Соляровое 86,0 масло 22.6 Мазут 84 10 2 3 - 1 - 1,6 0,3 22.7 Древесина 46 6 37 - 2 9 - 1,7 0,4 22.8 Уголь 72 6 4 2 3 13 - 1,8 0,3 22.9 Церезин 85 14 1 - - - - 1,7 0,2 22.10 Горючий сланец 30 5 12 5 2 10 36 1,6 0,3 23. Определить теоретическую температуру горения резины состава: С = 80 %, Н = 15 %, S = 2 %, О = 1 %, N = 2 %. 24. Определить действительную температуру горения бумаги состава: С = 55 %, Н = 25 %, N = 3 %, О = 15 %, Н2О = 2 %, если потери тепла за счёт недожога составили ηх=0,15, за счёт излучения ηизл=0,20. 25. Определить действительную температуру горения пластмассы состава: С = 70 %, Н = 20 %, N = 5 %, О = 2 %, негорючие компоненты (наполнители) составили 3 %/, если потери тепла за счёт недожога составили η х=0,20, за счёт излучения η изл=0,25. Коэффициент избытка воздуха α = 1, 4. 26 ПРИЛОЖЕНИЕ Список принятых обозначений n – число молей вещества; β – стехиометрический коэффициент; Vвтеор – теоретически необходимый для горения, м3; Vвд – действительный (практический) объём воздуха, пошедшего на горение, м3; Vпгт – теоретический объём продуктов горения, м3; Р – давление газа, Па; Р0 – исходное (атмосферное) давление, Па; Т – температура вещества, К; Q – количество теплоты, Дж; Vi – объём i-того газообразного вещества, м3, кмоль; α - коэффициент избытка воздуха; m – масса вещества, кг; М – масса одного кмоля вещества, кг/кмоль; Qн – низшая теплота сгорания вещества, кДж/моль, кДж/кг; Нi – энтальпия i-го вещества, кДж/моль, кДж/м3 ; Тг – температура горения, К; с р – теплоёмкость i-го газа при постоянном давлении, кДж/моль⋅К; кДж/м3 ; i η – коэффициент теплопотерь. Таблица I Основные физические константы некоторых газов Название Воздух О2+3,76 N2 Аргон Ar Оксид углерода СО Диоксид углерода СО2 Метан СН4 Этан С2Н6 Пропан С3Н8 Бутан С4Н10 Изобутан С4Н10 Этилен С2Н4 Ацетилен С2Н2 Водород Н2 Водяной пар Н2Опар Азот N2 Кислород О2 Аммиак NН3 Сероводород Н2S М, кг/кмоль 29 40 28 44 16 30 44 58 58 28 26 2 18 28 32 17 34 ρ, кг/м3 1,29 1,78 1,25 1,98 0,72 1,36 2,02 2,70 2,67 1,26 1,17 0,09 0,77 1,25 1,43 0,77 1,26 27 Тпл, К 60 83,7 68 216,4 90,5 90,5 85,6 134,6 113,4 110,8 192,2 13,8 273 63 54,9 160,9 Ткип, К 81 87,3 81 194,5 112,4 184,4 230,9 272,5 261,3 169,3 189,2 20,3 373,0 77,2 90,1 240,0 319,3 ΔНf0, кДж/моль 0 -110,6 -396,9 -74,8 -88,4 -109,4 -126 39,8 226,8 0 242,2 0 0 -46,8 -20,16 Таблица II Периодическая система элементов Д. И. Менделеева Таблица III Средняя объёмная теплоёмкость Ср, кДж/м3К Температура, К СО2 Н2О N2 О2 SO2 Н2 СН4 500 1,79 1,52 1,30 1,37 1,89 1,30 1,76 600 1,86 1,54 1,31 1,37 1,96 1,30 1,89 700 1,93 1,57 1,32 1,38 2,01 1,30 2,01 800 1,99 1,59 1,33 1,40 2,07 1,31 2,14 900 2,04 1,63 1,34 1,41 2,12 1,31 2,26 1000 2,09 1,64 1,35 1,44 2,15 1,31 2,38 1100 2,13 1,67 1,37 1,45 2,18 1,32 2,50 1200 2,17 1,70 1,38 1,47 2,22 1,33 2,60 1300 2,20 1,72 1,39 1,48 2,24 1,33 2,70 1400 2,24 1,75 1,40 1,49 2,26 1,34 2,80 1500 2,26 1,78 1,41 1,50 2,28 1,34 2,86 1600 2,29 1,80 1,42 1,51 2,29 1,35 - 1700 2,30 1,83 1,43 1,52 2,31 1,36 - 1800 2,34 1,85 1,44 1,53 2,32 1,37 - 1900 2,36 1,88 1,45 1,54 2,34 1,38 - 2000 2,38 1,90 1,46 1,55 2,35 1,38 - 2100 2,39 1,92 1,47 1,55 2,36 1,39 - 2200 2,41 1,94 1,48 1,56 2,38 1,40 - 2300 2,42 1,96 1,48 1,57 2,40 1,41 - 2400 2,44 1,98 1,49 1,58 2,41 1,42 - 2500 2,45 2,00 1,50 1,58 2,43 1,42 - Примечание: средняя теплоёмкость приводится для температурного интервала от 273 К до указанной в таблице температуры. 29 Таблица IV Теплота образования некоторых веществ Название вещества Теплота образования, кДж/моль Оксид углерода -112,70 Диоксид углерода -396,90 Диоксид серы -296,90 Метан -74,80 Этан -84,68 Пропан -103,85 Этилен 52,30 Ацетилен 226,75 Водяной пар -242,2 Аммиак -46,10 Сероводород -20,60 Сероуглерод 115,30 Бензол 82,90 Глицерин -675,40 Этиленгликоль -453,80 Толуол 50,17 Ацетон -217,57 Гексан -167,2 Пропанол -257,70 Метанол -239,0 Бутанол -274,60 Этанол -278,20 Диэтиловый эфир -252,20 30 Таблица V Энтальпия (теплосодержание) газов при постоянном давлении Температура, °С 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 О2 0 3,0 6,0 9,1 12,4 15,7 19,1 22,5 26,0 29,6 33,1 36,8 40,4 44,0 47,7 51,5 55,2 59,0 62,8 66,6 70,4 74,2 78,1 82,0 85,9 89,9 94,0 97,9 101,8 105,1 110,1 Теплосодержание, кДж/моль N2 Воздух СО2 Н2О 0 0 0 0 2,9 2,9 3,8 3,3 5,8 5,8 8,0 6,8 8,8 8,9 12,5 10,4 11,8 11,9 17,3 14,0 14,9 15,1 22,3 17,8 18,1 18,3 27,5 21,7 21,3 21,5 32,8 15,8 24,6 24,8 38,2 29,9 28,0 28,2 43,8 34,2 31,3 31,6 49,4 38,6 34,8 35,1 55,1 43,2 38,2 38,6 60,9 47,8 41,7 42,1 66,8 52,6 45,3 45,6 72,7 57,4 48,8 49,2 78,6 62,3 52,4 52,8 84,6 67,3 55,9 56,4 90,5 72,4 59,5 60,0 96,6 77,6 63,1 63,6 102,6 82,8 66,8 67,3 108,6 88,1 70,4 71,0 114,7 93,4 74,1 74,7 120,8 98,8 77,8 78,4 126,9 104,2 81,5 82,1 133,0 109,6 85,1 85,9 139,1 115,1 89,0 89,3 145,3 119,4 92,6 93,1 151,5 124,8 96,4 96,8 157,6 130,3 100,5 100,5 163,8 135,8 103,8 104,2 169,9 141,2 31 SO2 0 4,1 8,5 13,2 18,2 23,3 28,5 33,9 39,3 44,8 50,3 55,9 61,5 67,2 72,3 78,4 84,1 89,8 95,6 101,2 107,1 112,7 118,5 124,2 130,0 135,8 141,5 147,3 153,0 158,8 164,7 Таблица VI Энтальпия (теплосодержание) газов при постоянном давлении Температура, °С 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 О2 0 1,3 2,7 4,1 5,5 6,7 8,5 10,0 11,6 13,2 14,8 16,4 18,0 19,7 21,3 23,0 24,6 26,3 28,0 29,7 31,4 33,1 35,0 36,6 38,3 40,0 41,8 43,7 45,5 47,3 49,4 Теплосодержание, кДж/м3⋅10-2 N2 Воздух СО2 Н2О 0 0 0 0 1,3 1,3 1,7 1,5 2,6 2,6 3,6 3,0 3,9 3,9 5,6 4,7 5,3 5,3 7,7 5,9 6,7 6,7 9,3 6,3 8,1 8,1 12,3 9,7 9,5 9,6 14,6 11,5 11,0 11,1 17,1 13,4 12,5 12,6 19,5 15,3 14,0 14,1 22,1 17,2 15,5 15,6 24,6 19,3 17,1 17,2 27,2 21,3 18,6 18,8 29,8 23,5 20,1 20,4 32,4 25,6 21,8 21,9 35,1 27,8 23,4 23,6 37,7 30,0 25,0 25,2 40,4 32,3 26,6 26,8 43,1 34,6 28,2 28,4 45,8 36,9 29,8 30,0 48,5 39,3 31,4 31,7 51,2 41,7 33,0 33,3 53,9 44,1 34,7 35,0 56,6 46,7 36,3 36,6 59,3 48,9 38,0 38,3 62,1 51,4 39,5 40,0 64,8 53,9 41,4 41,6 67,6 56,4 43,0 43,2 70,3 59,0 44,7 44,8 73,1 61,6 46,3 46,5 75,9 64,3 32 SO2 0 1,8 3,8 5,9 8,2 10,3 12,7 15,1 17,5 19,9 22,4 24,9 27,4 29,8 32,4 34,9 37,5 40,0 42,6 45,3 47,9 50,6 53,4 56,1 58,9 61,7 64,6 67,5 70,5 73,5 76,6 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Баратов А. Н. Горение − Пожар − Взрыв − Безопасность / А. Н. Баратов. Горение − Пожар − Взрыв − Безопасность. ФГУ ВНИИПО МЧС России. М, 2003. 2. Баратов А. Н. и др. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: справ. / А. Н. Баратов и др. М. : Химия, 1990. Ч. 1– 2. 3. Варнатц Ю. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. / Ю. Варнатц, У. Маас, Р. Диббл. М. : Физматлит, 2003. 4. Демидов П. Г. Горение и свойства горючих веществ / П. Г. Демидов, В. С. Саушев. М. : М. : ВИПТШ МВД СССР, 1975. 5. Демидов П. Г. Горение и свойства горючих веществ / П. Г. Демидов, В. А. Шандыба, П. П. Щеглов. М. : Химия, 1981. 6. Кремпович Г. М. Специальная химия. Сборник задач / Г. М. Кремпович, А. И. Прокофьев, В. М. Восковский. М. : МССШМ МВД СССР, 1988. 7. Физика взрыва / под ред. Л. П. Орленко. 3-е изд. В 2 т. М. : Физматлит, 2004. 33 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................... 3 1. СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ РЕАКЦИЙ ГОРЕНИЯ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ............................................................................................................... 4 1.1 ЗАДАЧИ для САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ ................... 7 2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ............................... 9 2.1 РАСЧЁТ ОБЪЁМА ВОЗДУХА, ОБЪЁМА И СОСТАВА ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ ............ 9 2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРА СВЕЧЕНИЯ ПЛАМЕНИ............................................ 15 2.3. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ ................................................. 16 3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ. РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ ........................................................................... 20 3.1. РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ ..................................................................................................................... 23 3.2. РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ МЕТОДОМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ ......................................................................................................................... 24 3.3. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ ................................................. 25 ПРИЛОЖЕНИЕ ..................................................................................................... 28 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................ 34 34 Учебное электронное текстовое издание О.В. Беззапонная, Е.В. Вайтнер ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ. МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ Редактор Компьютерная верстка К.Б. Позднякова К.Б. Позднякова Рекомендовано РИС ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Разрешен к публикации 25. 03. 08. Электронный формат – PDF Формат 60х90 1/8 Издательство ГОУ-ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail: [email protected] Информационный портал ГОУ ВПО УГТУ-УПИ http://www.ustu.ru 35
