Как правильно составить уравнение реакции горения

8.1. Реакции горения

Реакции горения описываются т.н. стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате ее вещества. Общее уравнение реакции горения любого углеводорода

Q — тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.

Реакции горения некоторых газов приведены в табл. 8.1. Эти уравнения являются балансовыми, и по ним нельзя судить ни о скорости реакций, ни о механизме химических превращений.

Тепловой эффект (теплотой сгорания) Q — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м3 газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания: высшая теплота сгорания включает в себя теплоту конденсации водяных паров в процессе горения (в реальности при сжигании газа водяные пары не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания). Обычно технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, без учета теплоты конденсации водяных паров (около 2400 кДж/кг).

КПД, рассчитанный по низшей теплоте сгорания, формально выше, но теплота конденсации водяных паров достаточно велика, и ее использование более чем целесообразно. Подтверждение этому — активное применение в отопительной технике контактных теплообменников, весьма разнообразных по конструкции.

Для смеси горючих газов высшая (и низшая) теплота сгорания газов определяется по соотношению

где r1, r2, …, rn — объемные (молярные, массовые) доли компонентов, входящих в смесь;
Q1, Q2, …, Qn — теплота сгорания компонентов

Воспользовавшись табл. 8.1, высшую и низшую теплоту сгорания, кДж/м3, сложного газа можно определять по следующим формулам:

где H2, CO, CH4 и т. д. — содержание отдельных составляющих в газовом топливе, об. %.

Интенсивность тепловыделения и рост температуры приводят к увеличению в реагирующей системе активных частиц. Такая взаимосвязь цепного реагирования и температуры, свойственная практически всем процессам горения, привела к введению понятия цепочечно-теплового взрыва — сами химические реакции горения имеют цепной характер, а их ускорение происходит за счет выделения теплоты и роста температуры в реагирующей системе.

Скорость химической реакции в однородной смеси пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ:

где С1 и С2 — концентрации реагирующих компонентов, кмоль/м3;
k —константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ и температуры.

При сжигании газа концентрации реагирующих веществ можно условно считать неизменными, так как в зоне горения происходит непрерывный приток свежих компонентов однозначного состава.

Константа скорости реакции (по уравнению Аррениуса):

где К0 — предэкспоненциальный множитель, принимаемый для биометрических гомогенных смесей, ≈1,0;
Е — энергия активации, кДж/кмоль;
R— универсальная газовая постоянная, Дж/(кг•К);
Т — абсолютная температура, К (°С);
е — основание натуральных логарифмов.

Уравнение (8.6) показывает, что скорость химических реакций резко возрастает с увеличением температуры: например, повышение температуры с 500 до 1000 К влечет повышение скорости реакции горения в 2•104÷5•108 раз (в зависимости от энергии активации).

На скорость реакций горения влияет их цепной характер. Первоначально генерируемый реакцией атомы и радикалы вступают в соединения с исходными веществами и между собой, образуя конечные продукты и новые частицы, повторяющие ту же цепь реакций. Нарастающее генерирование таких частиц приводит к «разгону» химических реакций — фактически взрыву всей смеси.

Высокотемпературное горение углеводородов имеет весьма сложный характер и связано с образованием активных частиц в виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений. В качестве примера приводятся реакции горения простейшего углеводорода — метана:

Правила составления уравнения реакции горения

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИВАНОВСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ МИНИСТЕРСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ»

Кафедра химии, теории горения и взрыва

Т.А Мочалова, Д.В. Батов, А.В. Петров

Теория горения и взрыва

Задания и методические указания по выполнению

Расчетно-графической работы

Иваново

Мочалова Т.А, Батов Д.В., Петров А.В. Теория горения и взрыва. Задания и методические рекомендации по выполнению расчетно-графической работы. Учебное пособие. Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2012.- 38 с.

Учебное пособие предназначено для обучающихся по специальности 280705 Пожарная безопасность и направлению подготовки 280700 Техносферная безопасность. Учебное пособие охватывает основные темы дисциплины «Теория горения и взрыва» и рассчитано на более глубокое ее усвоение. Пособие содержит варианты контрольных заданий и методические рекомендации по выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Теория горения и взрыва».

Печатается по решению Редакционно-издательского совета института

Рассмотрено и рекомендовано к публикации кафедрой химии, теории горения и взрыва, протокол № 7 от 22 декабря 2011 года.

Ведущий научный сотрудник ФГБУН

Институт химии растворов им. Г.А.Крестова РАН

доктор химических наук П.Р.Смирнов

кафедры физики и теплотехники

Ивановского института ГПС МЧС России

кандидат химических наук О.Е.Сторонкина

© Ивановский институт ГПС МЧС России, 2012

Список используемых сокращений

КПР – концентрационные пределы распространения пламени

НКПР – нижний концентрационный предел распространения пламени

ВКПР — верхний концентрационный предел распространения пламени

ТПР – температурные пределы распространения пламени

ПГ – продукты горения

ГВ – горючее вещество

Введение

В результате изучения дисциплины «Теория горения и взрыва» у обучающихся формируется теоретический фундамент для глубокого осмысления всей системы показателей пожарной опасности веществ и материалов как совокупности предельных условий и параметров возникновения и прекращения горения.

Овладение методами расчета показателей пожарной опасности веществ необходимо, прежде всего, для будущей практической деятельности: для решения вопросов обеспечения безопасности технологических процессов, зданий и сооружений, а также обеспечения пожарной безопасности людей во время пожаров.

Использование знаний о механизмах протекания горения дает возможность управлять горением на пожаре, организовывать профилактические меры против возникновения самовоспламенения, самовозгорания, воспламенения, меры по снижению интенсивности горения на пожаре, его локализации и тушению.

1. Общие указания по выполнению расчетно-графической работы

В соответствие с учебным планом обучающиеся по дисциплине «Теория горения и взрыва» обязаны выполнить расчетно-графическую работу. Расчетно-графическая работа выполняется по индивидуальному заданию.

Вариант задания выбирается по двум последним цифрам номера зачётной книжки (Приложение 1).

При необходимости преподаватель имеет право изменить вариант расчетно-графической работы обучающегося.

Расчетно-графические работы могут быть оформлены как в ученических тетрадях в объеме не более 18 листов рукописного текста, так и на листах формата А-4, в объеме не более 15 листов, компьютерным набором, ориентация книжная.

При выполнении расчетно-графической работы в ученической тетради с полями, содержащей не менее 18 листов, на титульном листе тетради должны быть указаны звание, фамилия, имя, отчество, номер зачётной книжки и номер учебной группы обучающегося. Работа выполняется аккуратно, разборчивым почерком через строчку, графики вычерчиваются при помощи линейки и карандаша. В задании должны быть представлены номер и полный текст задачи.

При выполнении расчетно-графической работы на компьютере необходимо учитывать следующие требования:

— ориентация страниц – книжная;

— на титульном листе указывается министерство, название кафедры, фамилия, инициалы обучающегося, номер учебной группы, номер варианта, должность, фамилия, инициалы преподавателя (приложение 3);

— поля: верхнее – 1 см, левое – 2 см, нижнее – 1 см, правое – 1 см;

— интервал между строками- одинарный;

— красная строка 1,5 см от левой границы текста;

— нумерация по центру листа внизу;

— шрифт Times New Roman, размер шрифта 14;

— работа скрепляется в папку-скоросшиватель.

Задание должно быть оформлено в соответствии со следующей схемой: формулировка задачи, дано, найти, решение, ответ.

При решении задач даются ссылки на использованные справочные данные и соответствующий литературный источник. Литература, используемая в процессе выполнения задания, приводится в конце работы. Список литературы составляется с учетом правил оформления библиографии (Приложение 1).

Выполненная и правильно оформленная расчетно-графическая работа сдается преподавателю. Работа, выполненная не по своему варианту, к зачету не принимается. Такая работа должна быть выполнена повторно.

Правила составления уравнения реакции горения

При решении практически всех задач по дисциплине «Теория горения и взрыва» необходимо составить уравнение реакции горения. Поэтому очень важно научиться делать это правильно. Изучите изложенные ниже правила составления уравнений реакции горения, разберите примеры.

Правило № 1. В левой части уравнения записываем горючее вещество и окислитель [воздух в виде(O₂ + 3,76N₂)].

Правило № 2.В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, учитывая, что:

углерод (С), содержащийся в горючем веществе, превращается в CO₂,

сера (S), содержащаяся в горючем веществе, превращается в SO₂,

фосфор (Р), содержащийся в горючем веществе, превращается в P₂O₅,

водород (Н), содержащийся в горючем веществе, превращается в H₂O,

хлор (Cl), содержащийся в горючем веществе, превращается в HCl,

фтор (F), содержащийся в горючем веществе, превращается в HF,

бром (Br), содержащийся в горючем веществе, превращается в HBr,

йод (I), содержащийся в горючем веществе, превращается в HI,

кислород (О), содержащийся в горючем веществе, входит в состав образующихся оксидов (CO₂, SO₂, H₂O) как и кислород воздуха.

азот (N), при температуре горения ниже 2000 о С не вступает в реакцию. Поскольку, в условиях реального пожара температура не превышает значения 1500 – 1600 о С, то принимают, что азот выделяется в свободном виде (N₂). Следовательно, 3,76 молей N₂ из воздуха переходят в неизменном виде в продукты горения.

Если горючее вещество содержит другие элементы, то они переходят в высшие оксиды.

Правило № 3. Атомы кислорода, входящие в состав молекул горючего вещества (например, C₂H₆OS — 2-тиолэтанол), участвуют в реакции горения в качестве окислителя, как кислород воздуха.

Правило № 4.Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения для того, чтобы в исходных веществах (левая часть уравнения) и получившихся из них продуктах реакции (правая часть уравнения) содержалось одинаковое количество атомов данного вида. При подсчете количества атомов данного вида стехиометрические коэффициенты и индексы, указывающие количество атомов в молекуле, перемножаются.

Рекомендуется придерживаться следующей последовательности действий.

Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1, так как все расчеты ведут на 1 моль горючего вещества.

Перед формулой углекислого газа ставится коэффициент равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества.

Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекул горючего вещества, за исключением Н, О и N.

Уравниваем число атомов водорода, учитывая их содержание в молекулах галогеноуглеводородов и воды.

Уравниваем число атомов кислорода, рассчитав их количество в правой части уравнения и учитывая атомы кислорода, содержащиеся в молекуле горючего вещества.

Коэффициент, поставленный перед молекулой кислорода, переносим в правую часть уравнения и ставим перед 3,76N₂. Уравниваем число атомов азота, содержащиеся в молекуле горючего вещества.

Рассмотрим несколько примеров составления реакций горения веществ в воздухе, в которых использованы описанные выше правила.

Пример 1. Составить уравнение реакции горения С₆Н₄N₂О₄ в воздухе.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, азот выделился в свободном виде — N₂. Азот, содержащийся в воздухе, также не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 6, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекулы горючего вещества, за исключением Н и О. В данном случае уравниваем число атомов азота. В состав горючего вещества входят два атома азота. В составе выделившейся молекулы азота тоже два атома, поэтому перед молекулой азота в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. В состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед формулой воды ставим коэффициент 2:

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе двух молекул воды: 2 ∙ 1 = 2;

итого: 12 + 2 = 14 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 4 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (14 – 4 = 10). Затем делим полученное число на 2 (количество атомов водорода в Н₂О) (10/2 = 5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

е) коэффициент 5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

Чтобы убедиться в правильности составленного уравнения реакции горения, рассчитаем количество атомов одних и тех же элементов в его правой и левой частях:

С – слева 6, справа 6 ∙ 1 = 6;

Н – слева 4, справа 2 ∙ 2 = 4;

N – слева: в горючем веществе 2, в воздухе 5∙ 3,76 = 18,8, итого 20,8;

справа 2 + 5∙ 3,76 = 20,8;

О — слева: в горючем веществе 4, в воздухе 5 ∙ 2 = 10, итого 14;

справа: в углекислом газе 6 ∙ 2 = 12, в воде 2 ∙ 1 = 2, итого 14.

Вывод: уравнение реакции горения составлено верно.

Пример 2. Составить уравнение реакции горения п-дихлорбензола (С₄Н₄Сl₂) в воздухе.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, хлор превратился в хлороводород. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 4, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О, N. В данном случае уравниваем число атомов хлора. В состав горючего вещества входят два атома хлора. В составе выделившейся молекулы хлороводорода один атом Cl, поэтому перед молекулой хлороводорода в продуктах реакции ставим коэффициент 2:

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. Из них два атома водорода уже вошли в состав двух молекул хлороводорода. Оставшиеся два атома водорода перейдут в состав молекулы Н₂О. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе четырех молекул углекислого газа: 4 ∙ 2 = 8;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 8 + 1 = 9 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода. Следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (9 /2 = 4,5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

е) коэффициент 4,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

Пример 3. Составить уравнение реакции горения ацетилена (С₂Н₂) в воздухе.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 2, равный количеству атомов углерода в молекуле ацетилена:

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О и N. В данном случае таких элементов нет.

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества — два атома водорода. В состав молекулы воды входит также два атома водорода. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе двух молекул углекислого газа: 2 ∙ 2 = 4;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 4 + 1 = 5 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода, следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (5/2 = 2,5) и ставим данный коэффициент перед воздухом:

е) коэффициент 2,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

Пример 4. Составить уравнение реакции горения C₆Н₈SО₃ в воздухе.

1.В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, сера образовала оксид SO₂. Азот воздуха не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 6, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О и N. В данном случае уравниваем число атомов серы. В состав молекулы горючего вещества входит один атом серы. В составе выделившейся молекулы SO₂ тоже один атом, поэтому перед молекулой SO₂ в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества восемь атомов водорода, а в состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 4:

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе четырех молекул воды: 4 ∙ 1 = 4;

в составе одной молекулы оксида серы: 1∙ 2 = 2

итого: 12 + 4 + 2 = 18 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 3 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (18 – 3 = 15). Делим полученное число на 2 (15 /2 = 7,5) и ставим данный коэффициент перед воздухом:

е) коэффициент 7,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

Многообразие реакций горения не исчерпывается рассмотренными в данном разделе примерами. Однако, используя описанные правила, можно самостоятельно составить реакцию горения многих других горючих веществ. Написание уравнений реакций горения является важной составной частью при решении многих задач в курсе «Теория горения и взрыва».

Пример решения задач

Задача. Используя данные таблицы, определить показатели пожарной опасности толуола: группу горючести, температуру вспышки; концентрационные пределы распространения пламени (в % и г/м 3 ) при t = 25, 45 и 65 o C, построить график зависимости КПР от температуры; температурные пределы распространения пламени, низшую теплоту сгорания по следствию из закона Гесса; максимальное давление взрыва, тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва при взрыве в технологическом оборудовании. Рассчитать объем воздуха, объем и процентный состав компонентов продуктов горения.

1. Составляем уравнение реакции горения толуола в воздухе (см. правила составления уравнения реакции горения) и определяем стехиометрический коэффициент β (коэффициент перед кислородом):

2. Рассчитываем объём, занимаемый 1 кмоль воздуха при заданных условиях.

3. Рассчитываем молярную массу толуола.

М (C₇H₈) = 12 × 7 + 1 × 8 = 92 (кг/кмоль)

4. Рассчитываем объём воздуха, необходимого для полного сгорания заданной массы толуола.

5. Определяем избыточное количество вещества кислорода и азота.

= b(a — 1), кмоль; = 9(1,3 — 1) = 2,7 (кмоль)

=3,76 × b(a — 1), кмоль; =3,76 × 9(1,3 — 1) = 10,2 (кмоль)

6. Рассчитываем общее количество вещества продуктов горения.

ån_пг = , кмоль;

ån_пг = 7 + 4 + 33,84 + 2,7 + 10,2 = 57,74 (кмоль)

7. Определяем общий объём образующихся продуктов горения.

, м 3 ;

8. Определяем мольный процентный состав компонентов продуктов горения. Принимаем общее количество вещества продуктов горения за 100%, а количество вещества конкретного продукта реакции за %:

Для СО₂ получаем следующую пропорцию.

ån_пг = 57,74 кмоль – 100%

= 7 кмоль – %,

отсюда

Аналогично находим процентное содержание оставшихся продуктов горения:

При расчете процентного содержания азота суммируем его количество перешедшее в продукты горения в результате реакции и из избытка воздуха.

9. Определяем группу горючести толуола. Для этого рассчитываем его коэффициент горючести по формуле:

где: n_C, n_S, n_H, n_N, n_O, n_Cl, n_F, n_Br— соответственно число атомов углерода, серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора, брома в молекуле вещества.

Если расчётное значение К £ 0 – вещество негорючее, 0 2 – вещество является горючим.

Записываем количество атомов составляющих толуол (С₇Н₈): n_C= 7; n_H= 8;

Рассчитываем коэффициент горючести:

Вывод: К > 2, следовательно, толуол – горючее вещество.

10. Определяем температуру вспышки. Для этого по справочнику [4] находим температуру кипения толуола:

Определяем температуру вспышки по формуле Элея:

.

Справочное значение 7 0 С [4].

11. Рассчитываем нижний и верхний концентрационный пределы распространения пламени толуола при стандартных условиях по формуле:

, об. %

— нижний (верхний) концентрационные пределы распространения пламени, % об.;

b — число молекул кислорода, необходимое для полного окисления молекулы горючего;

a и b — константы определяемые по табл. 2 приложения 2.

Концентрационные пределы распространения пламени при заданных условиях рассчитываются по формулам:

и — концентрационные пределы распространения пламени при стандартных условиях (Р = 101325 Па, Т = 298 К);

и — концентрационные пределы распространения пламени при заданной температуре Т;

1550 К и 1110 К — температура горения соответственно на нижнем и верхнем концентрационных пределах распространения пламени.

Рассчитываем КПР при температуре 298 К.

Для расчета выбираем из табл. 2 Приложения 2: a = 8.64, b = 4.679.

Для расчета при b > 7.5 a = 0.768, b = 6.554.

Рассчитываем КПР при температуре Т = 273,15 + 45 = 318,15 К.

Рассчитываем КПР при температуре Т = 273,15 + 65 = 338,15 К.

Строим графики зависимостей КПР от температуры.

Из графика делаем вывод, что с увеличением температуры НКПР толуола незначительно уменьшается, ВКПР – сильно возрастает. Изменение ВКПР приблизительно в 10 раз превышает изменение НКПР. Таким образом, с ростом температуры область воспламенения паров толуола расширяется.

12. Рассчитываем концентрационные пределы распространения пламени толуола в граммах на кубометр (j / _н или j / _в):

, г/м 3

V_t – объем занимаемый 1 кмоль газа при заданной температуре и давлении, м 3 /кмоль;

М – молярная масса, кг/кмоль.

Определяем мольный объем паров толуола при заданных температурах:

При Т = 298.15 К

При Т = 318.15 К

При Т = 338.15 К

Рассчитываем КПР паров толуола при заданных температурах:

При Т = 298.15 К г/м 3 ; (г/м 3 )

При Т = 318.15 К г/м 3 ; (г/м 3 )

При Т = 338.15 К г/м 3 ; (г/м 3 )

13. Определяем температурные пределы распространения пламени по уравнению Антуана:

,

t_Н(В) – нижний (верхний) температурные пределы распространения пламени;

— давление насыщенного пара на нижнем (верхнем) температурном пределе распространения пламени, мм.рт.ст.;

А, В, С – константы, определяемые по таблице 10 Приложения 2.

Определяем давление насыщенного пара на нижнем и верхнем температурных пределах распространения пламени по формуле:

Из табл. 10 приложения 2 находим значения констант А, В и С для толуола:

А = 6,95508, В = 1345,087, С = 219,516

Подставляем значения в уравнение Антуана и определяем температурные пределы распространения пламени:

Справочные значения t_н = 6 о С, t_в = 37 о С [4].

14. Рассчитываем низшую теплоту сгорания толуола, используя следствие из закона Гесса.

Q_н = [S(n_i× )_ПГ — S(n_j× )_ГВ], кДж/моль.

Здесь n_i×и — число молей и стандартные энтальпии образования компонентов продуктов горения (ПГ), n_j и — число молей и стандартные энтальпии образования компонентов горючей смеси (ГВ).

По уравнению реакции находим, что при сгорании 1 моль толуола выделяется 7 моль углекислого газа и 4 моль воды:

, ,

Определяем по табл. 3 приложения 2 значения стандартных теплот образования горючего вещества и продуктов горения, учитывая при этом, что теплоты образования простых веществ (О₂, N₂) равны нулю.

D_f = 50,02 кДж/моль;

D_f = -393,65 кДж/моль;

D_f = -241,91 кДж/моль

Следует иметь в виду, что существует две шкалы тепловых эффектов. В термодинамической шкале экзотермическому процессу соответствует знак минус, эндотермическому – знак плюс. В термохимической шкале знаки изменяются на противоположные. В справочной литературе используется в основном термодинамическая шкала. Однако для расчетов в курсе «Теории горения и взрыва» применяют термохимическую шкалу. Поэтому значения стандартных энтальпий образования веществ нужно подставлять в уравнение с обратным знаком.

Q_н = = 7×393,65 + 4×241,91 – 1∙(-50,02) = 3773,21 (кДж/моль)

15. Рассчитываем максимальное давление взрыва паров толуола при заданных условиях по формуле:

Р_н – давление паровоздушной смеси до взрыва, Па;

Т_ВЗР – температура взрыва, К;

Т_н — температура паровоздушной смеси до взрыва, К;

Sn_пг — число моль продуктов горения, моль;

Sn_cм — число моль исходной газовоздушной смеси, моль.

По уравнению реакции горения определяем число моль газов в горючей смеси до взрыва и число моль продуктов горения.

Sn_cм = = 1 + 9 + 9∙3,76 = 43,84 моль

ån_п.г= =7 + 4 + 33,84 + 2,7 + 10,2=57,74 (моль)

Переводим начальную температуру и температуру взрыва из шкалы Цельсия в шкалу Кельвина:

Т_н = 273 + 23 = 296 К

Т_ВЗР = 273 + 2678 = 2951 К

Рассчитываем давление взрыва паров толуола при заданных условиях.

16. Рассчитываем тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва паров толуола при взрыве в технологическом оборудовании по формуле:

Q_Н — низшая теплота сгорания взрывчатого вещества, Дж/кг;

m_ВВ – масса горючего вещества в смеси, кг;

4520×10 3 – низшая теплота сгорания тринитротолуола (ТНТ, тротил), Дж/кг.

Согласно расчету, проведенному в п.14, низшая теплота сгорания толуола равна Q_н = 3773,21 кДж/моль. Переводим ее в кДж/кг, разделив на молярную массу (92∙10 -3 кг/моль):

Рассчитываем тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва при взрыве в технологическом оборудовании:

(кг тротила)

Реакции горения

Горение — быстропротекающая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания. Реакции горения описываются т.н. стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате ее вещества. Общее уравнение реакции горения любого углеводорода

где _{m, n} — число атомов углерода и водорода в молекуле; Q — тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.

Реакции горения некоторых газов приведены в табл. 8.1. Эти уравнения являются балансовыми, и по ним нельзя судить ни о скорости реакций, ни о механизме химических превращений.

Тепловой эффект (теплотой сгорания) Q — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м3 газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Qe и низшую Qн теплоту сгорания: высшая теплота сгорания включает в себя теплоту конденсации водяных паров в процессе горения (в реальности при сжигании газа водяные пары не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания). Обычно технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, без учета теплоты конденсации водяных паров (около 2400 кДж/кг).

КПД, рассчитанный по низшей теплоте сгорания, формально выше, но теплота конденсации водяных паров достаточно велика, и ее использование более чем целесообразно. Подтверждение этому — активное применение в отопительной технике контактных теплообменников, весьма разнообразных по конструкции.

Таблица 8.1. Реакции горения и теплота сгорания сухих газов (при 0°С и 101,3 кПа)

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

C2H6 + 0,5O2 = 2CO2 + 3H2O

C3H + 5H2O = 3CO2 +4H2O

C4H,0 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O

C4H,0 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O

C5H,2 + 8O2 = 5CO2 + 6H2O

C3H6 + 4,5O2 = 3CO2 + 3H2O

C4H + 6O2 = 4CO2 + 4H2O

Для смеси горючих газов высшая (и низшая) теплота сгорания газов определяется по соотношению

где r1, r2, . rn — объемные (молярные, массовые) доли компонентов, входящих в смесь; Q₁, Q₂. Q_n — теплота сгорания компонентов.

Воспользовавшись табл. 8.1, высшую и низшую теплоту сгорания, кДж/м3, сложного газа можно определять по следующим формулам:

где H₂, C_O, CH₄ и т. д. — содержание отдельных составляющих в газовом топливе, об. %.

Процесс горения протекает гораздо сложнее, чем по формуле (8.1), так как наряду с разветвлением цепей происходит их обрыв за счет образования промежуточных стабильных соединений, которые при высокой температуре претерпевают дальнейшие преобразования. При достаточной концентрации кислорода образуются конечные продукты: водяной пар Н₂О и двуокись углерода СО 2 . При недостатке окислителя, а также при охлаждении зоны реакции, промежуточные соединения могут стабилизироваться и попадать в окружающую среду.

Интенсивность тепловыделения и рост температуры приводят к увеличению в реагирующей системе активных частиц. Такая взаимосвязь цепного реагирования и температуры, свойственная практически всем процессам горения, привела к введению понятия цепочечно-теплового взрыва — сами химические реакции горения имеют цепной характер, а их ускорение происходит за счет выделения теплоты и роста температуры в реагирующей системе.

Скорость химической реакции в однородной смеси пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ:

где С₁ и С₂ — концентрации реагирующих компонентов, кмоль/м 3 ; к — константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ и температуры.

При сжигании газа концентрации реагирующих веществ можно условно считать неизменными, так как в зоне горения происходит непрерывный приток свежих компонентов однозначного состава.

Константа скорости реакции (по уравнению Аррениуса):

где К₀ — предэкспоненциальный множитель, принимаемый для биометрических гомогенных смесей, =1,0; Е — энергия активации, кДж/кмоль; R — универсальная газовая постоянная, Дж/ (кг*К); Т — абсолютная температура, К (°С); е — основание натуральных логарифмов.

Предэкспоненциальный множитель К₀ можно истолковать как константу, отражающую полноту столкновения молекул, а Е — как минимальную энергию разрыва связей молекул и образования активных частиц, обеспечивающих эффективность столкновений. Для распространенных горючих смесей она укладывается в пределах (80÷150)•10 3 кДж/кмоль.

Уравнение (8.6) показывает, что скорость химических реакций резко возрастает с увеличением температуры: например, повышение температуры с 500 до 1000 К влечет повышение скорости реакции горения в 2·10 4 ÷5•10 8 раз (в зависимости от энергии активации).

На скорость реакций горения влияет их цепной характер. Первоначалаьно генерируемый реакцией атомы и радикалы вступают в соединения с исходными веществами и между собой, образуя конечные продукты и новые частицы, повторяющие ту же цепь реакций. Нарастающее генерирование таких частиц приводит к «разгону» химических реакций — фактически взрыву всей смеси.

Высокотемпературное горение углеводородов имеет весьма сложный характер и связано с образованием активных частиц в виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений. В качестве примера приводятся реакции горения простейшего углеводорода — метана: