Контрольная работа по дисциплине "Теория горения и взрыва"

в начало
 

Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий

Академия Государственной противопожарной службы

Контрольная работа по дисциплине

«Теория горения и взрыва»

Москва 2011 г

Задание на выполнение контрольной работы
1. Для вещества А (выбрать из табл. 1 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).
2. Найти в справочной литературе или в Интернете пожаровзрывоопасные характеристики вещества А и сравнить их с полученными расчетными значениями. Сделать выводы.
3. Определить, какое количество вещества А (кг) должно испариться в помещении размерами а×b×h, чтобы в нем создалась наиболее взрывоопасная паровоздушная смесь, тротиловый эквивалент взрыва этой паровоздушной смеси, безопасное расстояние по действию воздушной ударной волны взрыва и минимальное количество диоксида углерода (кг), которое потребуется 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.

Таблица 1

Таблица 2п
Химические и структурные формулы веществ

Решение
1. адиабатическую температуру горения (Тад)
Р е ш е н и е.
1. Так как горючее - индивидуальное вещество, для определения объема и состава продуктов горения запишем уравнение химической реакции горения
С11Н16 + 15O2 + 15×3,76N2 = 11CO2 + 8H2O + 15×3,76N2.
Следовательно, продукты горения состоят из:
VCO2 = 11 моля, VH2O = 8 моля, VN2= 56,4 моля, VПГ = 75,4 моля.
2. Низшую теплоту сгорания определим по формуле. Теплота образования горючего – 56 кДж/моль
QН = 11×396,9 + 8×242,2 – 56 = 6247,5 кДж/моль.
3. Средняя энтальпия продуктов горения
Hср = 6247,5 / 75,4 = 82,8 кДж/моль.
4. Так как Hср выражена в кДж/моль, выбираем, ориентируясь на азот, первую приближенную температуру горения Т1 = 2400 oС.
5. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 2400оС по формуле
Q’ПГ = 133,0×11 + 109,6×8 + 81,5×56,4 = 6936,4 кДж/моль.
6. Сравниваем QН и Q’ПГ, так как Q’ПГ > QН, выбираем температуру горения равной 2000 оС.
7. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 2000оС:
Q’ПГ = 108,6×11 + 88,1×8 + 66,8×56,4 = 5666,92 кДж/моль.
8. Так как Q’ПГ <Q’Н < Q’ПГ, определим температуру
T= 2000 + (6247,5 – 5666,92) * (2400 – 2000) / (6936,4 – 5666,92) = 2182,9 оС.
- температуру взрыва (Твзр)

Решение.
3. Средняя внутренняя энергия продуктов горения
Uср = QН / VПГ = 6247,5 / 75,4 = 82,8 кДж/моль.
4. Принимаем первую приближенную температуру взрыва (по азоту) Т1 = 3000оС.
5. Рассчитываем внутреннюю энергию продуктов горения при Т1:
U1 = ΣVпгi × Ui = 11 × 145,0 + 8 × 116,3 + 56,4 × 78,9 = 6975,36 кДж/моль.
6. Сравнение значение QН и U1 показывает, что Т1 завышена.
7. Выбираем Т2 = 2700 оС.
U2 = 11 × 128,9 + 8 × 102,4 + 56,4 × 70,2 = 6196,38 кДж/моль.
8. Так как U1 > QН > U2
Твзр = 2700 + ((6247,5 – 6196,38) / (6975,36 – 6196,38)) * (3000 – 2700) = 2719,7оС.
- концентрационные пределы распространения пламени (КПР)
Р е ш е н и е.
Расчет КПР проводим по аппроксимационной формуле.
Определяем значение стехиометрического коэффициента при кислороде
С11Н16 + 15O2 = 11CO2 + 8H2O
Таким образом, n = 11, тогда
φН = 100 / (8,684 * 15 + 4,679) = 0,74 %
φВ = 100 / (0,768 * 15 + 6,554) = 5,53 %.
- минимальную флегматизирующую концентрацию азота (МФК)

Р е ш е н и е.
По данным теплоемкости продуктов горения и нейтрального газа при температуре 1500 К, рассчитываем количество молей азота в точке флегматизации
nф = (Qн – (Тг – Т0) * ΣСр * nПГ) / (Cha * (Nu – N0))
nф = (6247,5 – (1500 – 295) * (11 * 50,85 + 8 * 39,87 + 56,4 * 31,81) * 10-3) / (31,81 * 10-3 * (1500 – 295)) = 78,97 моль / моль
МФК азота определим:
φф = ni / (nг + nО2 + nN2 + nф) · 100 = 78,97 · 100 / (1 + 15 + 15 · 3,76 + 78,97) =52,%
- концентрацию горючего в точке флегматизации
Р е ш е н и е.
φг = 1 * 100 / (1 + 15 + 15 · 3,76 + 78,97) = 0,66 %
- зависимость КПР от концентрации флегматизатора

Решение.
Теплота образования С11Н16 56 * 103 Дж/моль. Из химической формулы (С11Н16) следует, что mС = 11, mН = 16. Значения остальных параметров, необходимые для расчета берем из справочных данных для азота
φф = (hf’ * ΔHf + hф’ + Σhi’ * mi’) / (hф” – 1 + Σh” * mi”) * 100
φф = (0,864 * 10-5 * 56 * 103 + 1,256 + 2,5277 * 11 + 0,7592 * 16) / (2,8 – 1 + 5,946 * 11 + 1,486 * 16) * 100 = 45,8 %
φО2 = (100 – φф) / 4,844 = (100 – 45,8) / 4,844 = 11,2 %
φО2 без =1,2 * φО2 – 4,2 = 1,2 * 11,2 – 4,2 = 9,24 %
Следовательно, при снижении концентрации кислорода в смеси до 9,24 % смесь становится взрывобезопасной. При содержании же кислорода, равном 11,2 % эта смесь будет предельной по взрываемости.
- минимально взрывоопасное содержание кислорода (МВСК)
Р е ш е н и е.
φО2 = 11 * 100 / (1 + 15 + 15 · 3,76 + 78,97) = 7,27 %
- температурные пределы распространения пламени (ТПР)
Решение.
Определим давление насыщенного пара, соответствующее нижнему и верхнему температурным пределам воспламенения,
Рн = 0,74 * 101325 / 100 = 749,8 Па; Рв = 5,53 * 101325 / 100 = 5603,3 Па
Рн = 749,8 / 133,32 = 5,62 мм.рт.ст; Рн = 5603,3 / 133,32 = 42,0 мм.рт.ст.
Из уравнения Антуана следует:
T = В / (А – lgР) – С
Для 3,5-диэтилтолуол значения констант А, В и С
А = 6,50299; В = 1926,654; С = 229,367.
Lg Pн = 0,7497; lgPв = 1,6232
t = 1926,654 / (6,50299 – 0,7497) – 229,367 = 105,5 0С = 378,5 К
t = 1926,654 / (6,50299 – 1,6232) – 229,367 = 165,5 0С = 438,5 К
- температуру самовоспламенения (Тсв)
Р е ш е н и е.

1. Запишем структурную формулу горючего вещества и
определим количество цепей
МР = 4
mЦ = 4 (4-1) / 2 = 6
2. Находим длину каждой из шести цепей и среднюю длину

Длина цепи уменьшается на один атом углерода, так как в нее входит фенильная группа
lср = (2 * 2 + 2 * 0 + 1 + 3) / 4 = 2
По справочным данным определяем, что температура самовоспламенения равна 728 К
tс = 300 + 116 * √(5 - lср) при lср ≤ 5
tс = 300 + 116 * √ (5 – 2) = 500,9 0С или 773,9 К
- максимальное давление взрыва (Рmax)
Решение.
Из уравнения реакции следует: количество исходной смеси стехиометрического состава равно 72,4 моля, количество продуктов сгорания 75,4 моля.
Рвзрmax = Р0 * Твзр * nпг / (nc * T0) = 105 * 2719,7 * 75,4 / (72,4 * 273) = 10,37 * 105 Па
- тротиловый эквивалент вещества (ηТНТ)
Р е ш е н и е.
Теплота взрыва 3,5-диэтилтолуол принимается равной его низшей теплоте сгорания. Значение Qн для 3,5-диэтилтолуол составляет 6,247 * 103 кДж/моль. При пересчете на 1 кг 3,5-диэтилтолуол теплота взрыва составит:
Qвзр = 6,2475 * 103 / 100 * 10-3 = 62,475 * 103 кДж/кг
Тротиловый эквивалент взрыва 3,5-диэтилтолуол в смеси стехиометрического состава будет:
ηС11Н16 = QвзрС11Н16 / QТНТ = 62,475 * 103 / 4,187 * 103 = 14,9
2. Найти в справочной литературе или в Интернете пожаровзрывоопасные характеристики вещества А и сравнить их с полученными расчетными значениями. Сделать выводы.
3. Определить, какое количество вещества А (кг) должно испариться в помещении размерами а×b×h, чтобы в нем создалась наиболее взрывоопасная паровоздушная смесь. Давление и температуру в помещении считать нормальными.
Решение.
Из уравнения материального баланса горения находим стехиометрическую концентрацию вещества 3,5-диэтилтолуол. Стехиометрическая смесь состоит из 1 объема 3,5-диэтилтолуол, 15 объемов кислорода и 11,28 объемов азота. Следовательно, концентрация 3,5-диэтилтолуол равна 0,037. Размеры помещения a×b×h, м - 9,0 х 5,5 х 4,0, следовательно объем помещения равен 198 м3. Количество горючего вещества пожаровзрывоопасной смеси равно 7,3 м3, при плотности 6,6 кг/м3 это составляет 48,2 кг.
4. Тротиловый эквивалент взрыва (МТНТ) парогазовой смеси в помещении
Решение.
Тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва при взрыве в технологическом оборудовании при условии g = 1.
МТНТ = Qвзр * m * γ / QТНТ = η * m * γ = 14,9 * 48,2 * 1 = 718,18 кг (тротила)
Тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва при взрыве
облака при условии g = 0,4.
МТНТ = η * m * γ = 7,33 * 48,2 * 0,4 = 287,27 кг (тротила).
5. Размер безопасной зоны (Rбез) по действию давления воздушной ударной волны
Решение.
Безопасное расстояние по действию ударной воздушной волны при взрыве в технологическом оборудовании будет равно:
Rбез. = 15 * 3√ МТНТ = 15 * 3√ 718,18 = 1206 м.
Безопасное расстояние по действию ударной воздушной волны при взрыве облака будет равно:
Rбез. = 15 * 3√ МТНТ = 15 * 3√ 287,27 = 763 м
6. Для определения количества диоксида углерода (MCO2 в кг), необходимого для предотвращения взрыва в помещении
Р е ш е н и е.
По данным теплоемкости продуктов горения и нейтрального газа при температуре 1500 К, рассчитываем количество молей диоксида углерода в точке флегматизации
nф = (Qн – (Тг – Т0) * ΣСр * nПГ) / (Cha * (Nu – N0))
nф = (6247,5 – (1500 – 295) * (11 * 50,85 + 8 * 39,87 + 56,4 * 31,81) * 10-3) / (50,85 * 10-3 * (1500 – 295)) = 49,4 моль / моль
МФК диоксида углерода определим:
φф = ni / (nг + nО2 + nN2 + nф) · 100 = 49,4 · 100 / (1 + 15 + 15 · 3,76 + 49,4) = 40,56%
VCO2 = 40,56 * 198 / 100 = 80,3 м3
Принимая во внимание, что 1 кмоль (100 кг) пара, приведенный к нормальным условиям, занимает объем, равный 22,4 м3, находим количество 3,5-диэтилтолуол
mг = 100 * 80,3 / 22,4 = 358,5 кг

Автор страницы: yelya_admin