КУРСОВАЯ РАБОТА "ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА" И. Р. Бегишев (МЧС)
Номер варианта
01 амилбензол C11H16 4,0×3,5×3,0
02 трет-амиловый спирт (2-метил-2-бутанол) C5H12O 5,0×4,0×2,5
03 трет-бутилбензол (2-метил-2-фенилпропан) C10 H14 4,5×4,0×3,0
04 2,2-диметилбутан C6 H14 5,5×4,0×3,0
05 2,4-диметилгексан C8 H18 6,0×4,5×3,0
06 3,3-диметилгептан C9 H20 7,0×5,0×3,5
07 2,6-диметил-4-гептанол C9 H20O 6,5×4,0×3,0
08 4,5-диметилоктан C10 H22 7,5×5,0×4,0
09 2,2-диметилпентан C7 H16 8,0×5,5×4,0
10 2,4-диметил-3-пентанол C7 H16O 8,5×5,0×4,0
11 2,4-диметил-3-этилпентан C9 H20 7,5×4,0×4,0
12 1,4-диэтилбензол C10 H14 8,0×5,0×3,5
13 3,5-диэтилтолуол C11 H16 9,0×5,5×4,0
14 втор-изоамиловый спирт (3-метил-2-бутанол) C5 H12O 9,5×5,0×4,0
15 изобутиловый спирт (2-метил-1-пропанол) C4 H10O 6,5×6,0×4,0
16 изогексиловый спирт (4-метил-1-пентанол) C6 H14O 10,0×6,0×3,5
17 4-изопропилгептан C10 H22 9,5×6,0×4,0
18 п-ксилол (1,4-диметилбензол) C8 H10 10,0×4,5×3,0
19 2-метил-1-бутанол C5 H12O 6,0×5,0×2,5
20 3-метилгексан (изогептан) C7 H16 8,5×4,0×3,0
21 2-метилгептан (изооктан) C8 H18 9,0×6,0×5,5
22 4-метилоктан C9 H20 6,53,0×3,0
23 3-метилпентан (2-этильутан) C6 H14 8,0×6,0×4,5
24 4-метил-2-пентанол (метиламиловый спирт) C6 H14O 10,5×6,0×5,0
25 3-метил-4-этилгексан C9 H20 6,0×4,5×3,0
26 2-метил-3-этилпентан C8 H18 8,0×5,0×4,0
27 4-метил-2-этилпентанол (2-этилизогексанол) C8 H18O 7,0×4,0×3,0
28 пентаметилбензол C11 H16 6,0×4,0×3,0
29 пропилбензол(фенилпропан)C9 H12 9,0×5,0×4,0
30 1,2,3,4-тетраметилбензол C10 H14 10,0×5,0×4,0
31 2,2,3,3-тетраметилгептан C11 H24 10,5×5,0×4,0
32 2,3,3,4-тетраметилпентан C9 H20 7,0×5,0×4,0
33 1,2,3-триметилбензол C9 H12 5,0×4,0×3,0
34 2,2,3-триметилбутан C7 H16 8,0×4,0×3,5
35 3,3,4-триметилгексан C9 H20 4,0×4,5×3,0
36 2,5,5-триметилгептан C10 H22 6,0×3,5×3,0
37 2,2,3-триметилпентан C8 H18 4,5×5,0×4,0
38 этилбензол C8 H10 5,5×5,0×3,0
39 3-этилоктан C10 H22 7,5×5,0×4,0
40 метаэтилтолуол (1-метил-3-этилбензол) C9 H12 6,0×6,0×4,5
41 3,3-диэтилпентан С9Н20 5,5×4,0×3,0
42 втор-октиловый спирт С8Н18О 6,0×4,5×3,0
43 изобутан С4Н10 7,0×5,0×3,5
44 изобутилбензол С10Н14 6,5×4,0×3,0
45 изогексан С6Н14 7,5×5,0×4,0
46 кумол (изопропилбензол) С9Н12 8,0×5,5×4,0
47 цимол (1-изопропил-4- метилбензол) С10Н14 8,5×5,0×4,0
48 м-ксилол (1,3-диметилбензол) С8Н10 7,5×4,0×4,0
49 2-метилнонан С10Н22 8,0×5,0×3,5
50 3-пентанол С5Н12О 9,0×5,5×4,0
МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ
И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ
Академия Государственной противопожарной службы
И. Р. Бегишев
ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
КУРСОВАЯ РАБОТА
(методические указания по выполнению курсовой работы)
Для слушателей Института заочного и дистанционного обучения
Утверждено Редакционно-издательским советом
Академии ГПС МЧС России в качестве учебно-методического пособия
2. ПАРАМЕТРЫ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА.
МЕТОДЫ И ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА
2.1. Некоторые важные понятия молекулярной физики
2.2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
2.2.1. Уравнение материального баланса
При горении веществ в воздухе происходит быстрая химическая реак-
ция между горючим веществом и кислородом воздуха с интенсивным тепловыделением. В результате этой реакции образуются в основном окислы элементов, входящих в состав горючего вещества. При сгорании углеводородов, состоящих из атомов С и Н, образуется СО2 (двуокись углерода) и Н2О (вода). При неполном сгорании наряду с ними образуются СО (окись углерода) и Сn(тверд) (углерод) в виде сажи. При написании уравнения горения и составлении материального баланса, как правило, записывают только продукты полного окисления СО2 и Н2О. Если в составе горючего вещества есть сера (S), то при сгорании образуется SО2. Азот (N), входящий в состав горючего вещества, при горении в воздухе не окисляется, а выделяется в виде свободного азота (N2). Объясняется это тем, что при горении в
воздухе температура горения относительно невысокая (1500-2000 К) и при
такой температуре окислы азота не образуются.
Примеры реакций горения:
горение пропана С3Н8 + О2 → СО2 + Н2О
горение ацетона С3Н6О + О2 → СО2 + Н2О
горение сероуглерода СS2 + О2 → СО2 + SО2
горение сероводорода Н2S + О2 → Н2О + SО2
горение аммиака NН3 + О2 → N2 + Н2О
Согласно закону сохранения массы количество атомов каждого эле-
мента в левой и правой части химического уравнения должно быть одинаковым. Для того, чтобы уравнять обе части уравнения, рекомендуется сначала расставить коэффициенты перед окислами в правой части с тем, чтобы уравнять число атомов элементов горючего вещества (С, Н, S, N …).
Затем, подсчитав количество атомов кислорода в правой части уравнения, поставить коэффициент перед кислородом в левой части уравнения. При этом необходимо учесть кислород, который может входить в состав молекулы горючего вещества (например, как это имеет место в ацетоне С3Н6О или этиловом спирте С2Н5ОН). С учетом вышесказанного запишем урав-
нения реакций горения вышеприведенных веществ:
С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О
С3Н6О + 4О2 = 3СО2 + 3Н2О
СS2 + 3О2 = СО2 + 2SО2
Н2S + 1,5О2 = Н2О + SО2
NН3 + 0,75О2 = 0,5N2 + 1,5Н2О
Необходимо помнить, что записанные уравнения химических реакций
горения являются брутто-уравнениями, которые показывают только на-
чальное и конечное состояние системы, т.е. какие исходные вещества
вступают в реакцию и какие продукты при этом образуются. Они не отражают механизма химического взаимодействия при горении, который достаточно сложен и протекает через ряд промежуточных стадий с участием атомов и радикалов (см. учебное пособие: Андросов А.С., Бегишев И.Р., Салеев Е.П. ｫТеория горения и взрываｻ).
Уравнение материального баланса процесса горения отличается от
уравнения химической реакции тем, что в него для удобства расчетов
включают азот, содержащийся в воздухе и не участвующий в химическом
превращении. Поскольку воздух состоит из 21 % (об.) кислорода и 79 %
(об.) азота, т.е. в нем на 1 моль кислорода приходится 79/21 = 3,76 молей, в уравнении материального баланса перед азотом ставят коэффициент 3,76. Например, уравнение материального баланса для горения пропана будет
следующим:
С3Н8 + 5О2 + 5∙3,76N2 = 3СО2 + 4Н2О + 5∙3,76N2.
Коэффициент, который записывают перед О2 (в данном случае 5) необходимо повторить и перед N2, так как азот и кислород в воздухе неразделимы.
2.2.2. Объем воздуха, необходимый для горения, и объем
продуктов горения
Уравнение материального баланса позволяет рассчитывать количество воздуха, необходимое для горения любого горючего вещества и коли
чество образующихся продуктов горения.
Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания
единицы количества (кг, кмоль, м3) горючего вещества, называется
2.3. Тепловой баланс процессов горения
2.3.1. Теплота сгорания вещества
В основе процесса горения лежит химическая реакция горючего ве-
щества с окислителем, которая происходит с интенсивным тепловыделе
нием. Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы количества горючего вещества (моль, кг или м3), называют низшей теплотой сгорания Qн.
Если горючее имеет в своем составе водород, то при его сгорании об-
разуется вода в газообразном состоянии, которая, охлаждаясь, будет конденсироваться. Так как в процессе конденсации паров тепло выделяется, то общее количество теплоты, полученное при сгорании вещества, будет больше на эту величину. Напомним, что количество теплоты, выделяющееся при конденсации паров, равно количеству теплоты, затраченному на парообразование.
2.3.2. Температура горения
Под температурой горения понимают максимальную температуру, до
которой нагреваются продукты горения. Принято различать адиабатиче-
скую температуру горения, рассчитываемую без учета потерь тепла в ок
ружающее пространство, и действительную температуру горения, учитывающую эти теплопотери.
Для расчета температуры горения составим уравнение теплового ба-
ланса, считая, что выделившееся в результате сгорания тепло нагревает
продукты горения (CO2, H2O, N2...) от начальной температуры T0 до температуры Tг, увеличивая их теплосодержание.
Задача состоит в том, чтобы по известной зависимости теплосодержа-
ния газов от температуры методом последовательных приближений найти температуру, при которой будет справедливо это равенство.
Напомним, что адиабатическим называют процесс, происходящий без
теплообмена с окружающей средой, поэтому температуру горения, рассчитанную при условии отсутствия теплопотерь, называют адиабатической. И так для адиабатического процесса, так как η = 0
Температура горения зависит от концентрации горючего в горючей
смеси. Если горение происходит с избытком воздуха, т.е. при α > 1, то выделившееся в результате сгорания тепло частично затрачивается на нагрев этого лишнего воздуха. В горючей смеси с α < 1 из-за недостатка воздуха полное сгорание горючего вещества произойти не может, поэтому и тепловыделение в такой смеси будет неполным. Из этого можно сделать вывод,
что максимальная температура горения будет при сгорании стехиометрической смеси, т.е. при α = 1.
Адиабатическую температуру горения, как правило, рассчитывают
для стехиометрической смеси, т.е. при условии α = 1.
2.3.3. Температура взрыва
Принципиальное различие между горением и взрывом заключается в
скорости процесса. При взрыве химическое превращение происходит настолько быстро, что все выделившееся тепло остается в системе, а образовавшиеся продукты не успевают расшириться, т. е. процесс взрыва является адиабатическим и изохорным (V = const). Количество теплоты, выделившееся при взрыве, примерно равно низшей теплоте сгорания вещества
Qвзр ≈ Qн. Температура взрыва значительно выше адиабатической температуры горения, так как при горении часть тепла, выделившегося при химическом превращении, затрачивается на совершение работы расширения газа, а при взрыве все выделившееся тепло расходуется только на увеличение внутренней энергии системы. Учитывая, что Qвзр ≈ Qн, а изменение энтальпии (теплосодержания) продуктов реакции происходит лишь в результате изменения внутренней энергии
2.4. Газовоздушные горючие смеси
2.4.1. Концентрационные пределы распространения пламени (КПР)
и стехиометрическая концентрация
Газовая смесь горючего с окислителем способна воспламеняться и
распространять пламя только при определенных концентрациях горючего.
Минимальная концентрация горючего, при которой смесь способна вос-
пламеняться и распространять пламя, называется нижним концентрационным пределом распространения пламени (НКПР), а максимальная концентрация горючего – верхним концентрационным пределом распространения пламени (ВКПР). При концентрациях горючего ниже НКПР и выше ВКПР его смеси с воздухом негорючи. Например, для метана CH4 концентрационные пределы распространения пламени составляют НКПР –
5 об. %, а ВКПР – 15 об. % (см. табл. Х приложения), для аммиака NH3
НКПР – 15 об. %, а ВКПР – 28 об. %. Скорость распространения пламени и
его температура минимальны в предельных смесях, т.е. при концентрациях
горючего, равных НКПР и ВКПР. Максимальные значения скорости и
температуры пламени, как правило, имеют смеси стехиометрического состава. Поэтому эти смеси наиболее пожаровзрывоопасны. Концентрацию горючего в стехиометрической смеси рассчитывают по уравнению мате риального баланса процесса горения. Например, из уравнения горения видно, что стехиометрическая смесь метана с воздухом
CH4 + 2O2 + 2×3,76N2 = CO2 + 2H2O + 2×3,76N2
стехиометрическая смесь
содержит 1 моль метана, 2 моля кислорода и 2×3,76 молей азота. Конце
трация горючего в такой смеси
2.4.2. Расчет КПР по аппроксимационной формуле
Значения как нижнего, так и верхнего концентрационных пределов
распространения пламени (КПР) можно рассчитать по аппроксимационной формуле( )
2.4.3. Зависимость КПР от концентрации флегматизатора
Концентрационная область распространения пламени горючей смеси
сужается при введении негорючих компонентов. Изменение концентрационных пределов зависит от природы и концентрации негорючего вещества, используемого в качестве флегматизатора.
2.5. Температурные параметры пожарной опасности
2.5.1. Температурные пределы распространения пламени (ТПР)
Температурными пределами распространения характеризуют пожар-
ную опасность жидких горючих веществ. Нижний температурный предел
распространения (НТПР) – это температура жидкости, при которой кон-
центрация насыщенных паров над ее поверхностью равна НКПР. Анало-
гично при верхнем температурном пределе распространения пламени
(ВТПР) концентрация насыщенных паров жидкости равна ВКПР. Из этого
следует, что если для горючего вещества известны КПР, то по зависимости давления насыщенного пара от температуры могут быть найдены температурные пределы.
Допустим, известен НКПР пламени паров горючей жидкости. Необ-
ходимо найти НТПР, т. е. температуру, при которой концентрация насы-
щенных паров над поверхностью этой жидкости будет равна НКПР. По
концентрации паров jн (значение НКПР) можно найти парциальное дав-
ление насыщенных паров
2.5.2. Температура самовоспламенения
Температура самовоспламенения Тсв, приведенная в справочниках,
получена экспериментально по стандартной методике для горючей смеси стехиометрического состава. Установлено, что в пределах гомологического ряда величина Тсв является функцией длины углеродной цепи в молекуле. Чем длиннее цепь, тем ниже температура самовоспламенения. Метод расчета Тсв основан на эмпирической зависимости Тсв от средней длины уг-
леродной цепи. Метод пригоден для расчета Тсв алифатических углеводородов, алифатических спиртов и ароматических углеводородов. Задача состоит в том, чтобы по структурной формуле химического соединения найти для него среднюю длину углеродных цепей.
Углеродная цепь – это цепочка атомов углерода от одного конца моле
кулы до другого.
Длина цепи – это число атомов углерода в такой цепи.
2.6. Параметры взрыва газо- и парооздушных смесей
К показателям взрывоопасности веществ относятся такие параметры,
как максимальное давление взрыва, тротиловый эквивалент вещества и тротиловый эквивалент взрыва или мощность взрыва.
2.6.1. Максимальное давление взрыва
Максимальное давление взрыва – это давление, которое возникает в
результате сгорания или детонации парогазовых смесей в изохорно-
адиабатических условиях. При сгорании парогазовой смеси в замкнутом
объеме изменение давления в системе вызвано повышением температуры и изменением числа молей газа, которое происходит в результате химического превращения. Исходя из этого, максимальное давление взрыва парогазовых смесей рассчитывают по формуле
2.6.2. Мощность взрыва и безопасное расстояние по действию воздушных ударных волн
Для оценки мощности взрыва используется понятие тротилового эквива
лента. Известно, что при взрыве 1 кг тротила (тринитротолуола - ТНТ) выделяется энергия, равная QТНТ = 4,19×103 кДж/кг. Исходя из этого, мощность любого взрыва можно условно характеризовать количеством тротила, которое
может произвести во взрыве выделение такого же количества энергии.
Количество тротила или тротиловый эквивалент взрыва будет равен
3. ВЫБОР ВАРИАНТА ЗАДАНИЯ И ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Номер варианта задания выбирается по последним двум цифрам но-
мера зачетной книжки. Для цифр от 01 до 50 номер варианта соответствует номеру зачетной книжки. Если последние две цифры составляют число больше 50 (от 51 до 00), то для нахождения номера варианта задания из этого числа необходимо вычесть 50. Например, две последние цифры номера зачетной книжки 67, в этом случае номер варианта задания будет (67- 50) = 17.
Курсовую работу необходимо выполнить в отдельной тетради или на
листах формата А4. На титульном листе в обязательном порядке должны быть указаны наименование работы, ф.и.о слушателя, выполнившего ее, номер зачетной книжки и номер выбранного варианта задания. Работы, в которых не указан номер зачетной книжки преподавателями проверяться не будут, так как они не могут быть зачтены.
По ходу выполнения курсовой работы необходимо давать подробные
пояснения к проводимым расчетам. Расчетные формулы необходимо записывать в общем виде, а затем подставлять в них численные значения величин. При использовании справочных и табличных значений необходимо указывать в тексте работы, откуда взята та или иная величина.
4. ЗАДАНИЕ ПО КУРСОВОЙ РАБОТЕ
Курсовая работа состоит из трех частей.
Часть 1. Расчет параметров горения и взрыва.
Для вещества А (выбрать в табл. 3 в соответствии с номером варианта
задания) рассчитать следующие параметры горения и взрыва:
- адиабатическую температуру горения (Тад);
- температуру взрыва (Твзр );
- концентрационные пределы распространения пламени (КПР);
- минимальную флегматизирующую концентрацию азота (МФК);
- концентрацию горючего в точке флегматизации;
- зависимость КПР от концентрации флегматизатора;
- минимально взрывоопасное содержание кислорода (МВСК);
- температурные пределы распространения пламени (ТПР);
- температуру самовоспламенения (Тсв);
- максимальное давление взрыва (Рmax);
- тротиловый эквивалент вещества (ηТНТ).
Часть 2. Сравнение полученных расчетных значений со справоч-
ными данными
Найти в справочной литературе или в Интернете пожаровзрывоопас-
ные характеристики вещества А и сравнить их с полученными расчетными
значениями. Сделать выводы.
Часть 3. Определение параметров взрыва паровоздушной смеси в
помещении
Для помещений заданных размеров а×b×h (выбрать в табл. 3 в соот-
ветствии с номером варианта задания) определить:
- какое количество вещества А (кг) должно испариться в этом поме-
щении, чтобы в нем создалась наиболее взрывоопасная паровоздушная
смесь,
- тротиловый эквивалент взрыва этой паровоздушной смеси,
- безопасное расстояние по действию воздушной ударной волны
взрыва,
- минимальное количество диоксида углерода (кг), которое потребу-
ется для предотвращения взрыва в этом помещении.
При расчетах принять, что пары вещества равномерно распределены
по помещению и помещение относительно герметично. Давление и температуру в помещении считать нормальными.
Автор страницы: yelya_admin