3. Цепные неразветвленные реакции. Рассмотреть на примере реакции водорода с хлором

В принципе этот процесс может протекать через простые двойные столкновения Н₂+ Сl₂=2HCl

Однако цепные реакции протекают настолько быстро, что бимолекулярная реакция не имеет никакого значения.

Первичными активными центрами являются атомы хлора при столкновении с некоторой третьей частицей М.. Образование активных центров называется реакцией зарождения цепей. Реакции, сопровождающие исчезновение свободной валентности называются реакциями обрыва цепей

k₁- константа скорости первой реакции и т.д.

Используя предположение о квазистационарности, получаем уравнения для скоростей образования и расходования промежуточных компонентов Н и С1:

Сложение этих уравнений для скорости позволяет получить выражение для концентрации [С1]:

Тогда выражение для скорости образования НС1 примет вид

Таким образом, скорость образования хлорида водорода можно выразить через концентрации исходных реагентов (Н₂ и С1₂). Концепция квазистационарных состояний позволяет получать результаты несмотря на то, что исходная система кинетических уравнений представляет собой систему связанных между собой дифференциальных уравнений, которую нельзя решить аналитически. Кроме того, пример реакции водорода с хлором показывает, что суммарная реакция не подчиняется закону второго порядка по концентрации (как можно было бы интуитивно ожидать). В этом случае первый порядок реакции по водороду и ½ порядок реакции по концентрации молекулярного хлора. Формально можно предположить, что реакции идет через атом хлора. Однако, это лишь указывает на цепной характер реакции. Впрочем отсутствие дробной степени также не устраняет возможность сложного механизма с участием промежуточных активных веществ.

Задача

Дано:

Г.В. – Пропиловый спирт C₃Н₇OH;

Температура t = 28 ^оС (301 К);

Давление Р = 112 кПа;

К–т избытка воздуха  =1,2;

G = 0,17 г/м²с;

Объем помещения V_пом = L*B*H=60*6*4,5=1620 м³;

Поверхность испарения S_ис = 3 м² .

Определить:

V_в; V_пг; % состав П.Г.; Q_н; t_г; d; C_нас; C_ст; Р_вз; НКПР; ВКПР; НТПР; ВТПР; t_вс; _ис.

Решение

1. Рассчитаем объём воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг горючего вещества

а) Составим уравнение реакции горения пропилового спирта на воздухе (сохраняем перед формулой Г.В. коэффициент n_гв = 1).

C₃H₇OH + 4,5О₂ + 4,53,76 N₂ = 3 СО₂ + 4 Н₂О+ 4,53,76 N₂

б) Опр. массу 1 Кмоля Г.В.: М = 12  3 + 1  8 + 16  1 =36+8+16=60 кг

в) Опр. объём 1 Кмоля любого газа или пара при заданных условиях:

Объём любого газа из уравнения реакции горения можно определить по формуле: V_i = ,

где n_i – количество Кмолей соответствующего газа или пара:

n_гв=1; n_СО2 =3; n_Н2О= 4; n_О2 = 4,5; n_N2=4,53,76.

г) Опр. реальный расход воздуха с учётом заданных условий и избытка воздуха:

V_в= = 9,57 м³

2. Определим объём и процентный состав продуктов горения 1 кг пропилового спирта

а) опр. объём п.г.:

V_О2^и = 0, 35м³

V_CO2 = = 1,11 м³

V_N2 = = 7,55 м³

V_H2O = м³

V_ПГ = V_CO2 + V_H2O + V_N2 + V_О2^и = 1,11 + 1,48 + 7,55 + 0,35 = 10,49 м³

б) Опр. % состав П.Г., приняв V_пг за 100%. _i =

_СО2 =

_Н2О =

_О2 =

_N2 =

3. С помощью формулы Менделеева определим теплоту сгорания для 1 кг ГВ.

а) Приняв массу 1 Кмоля за 100%, опр. массовое процентное содержание элементов в ГВ:

_i =

_с= 36100/60 = 60 %;

_н= 8100/60= 13,33 %;

_o= 16100/60= 26,66%

б) По формуле Д.И. Менделеева:

Q_н = 339,4 _с + 1257 _н -108,9  (_o - _s ) -25,1  (9  _н + _w ) =

= 339,460+125713,33-108,9(26,66-25,1)  (9  13,33) =301205,3 кДж / кг

4. Определим плотность паров пропилового спирта по отношению к плотности воздуха

d = где Мп – молекулярная масса пара (или газа)

М_в = 29 – средняя молекулярная масса воздуха (постоянная)

5. Рассчитаем концентрацию насыщенных паров пропилового спирта

а) Находим давление насыщенных паров при 301 К. Оно равно примерно 3679 Па.

б) концентрация паров в % по объёму составит:

_нас

в) выразим эту концентрацию в г/м³:

С_нас г/м³

6. Рассчитаем стехиометрическую концентрацию паров пропилового спирта в смеси с воздухом, приняв объём всей смеси за 100%

а) в процентах по объёму:

_{ст =}

б) в г/м³: С_ст = г/м³

7. Рассчитаем концентрационные пределы распространения пламени паров пропилового спирта

а) в % по объёму:  _н,в= ,

где а и b – табличные данные

n_О2 – к-во Кмолей кислорода для окисления 1 кмоля Г.В. (из уравнения реакции горения).

 _н (НКПР) = 2,28 %

 _в (ВКПР) = 13,28 %

б) в г/ м³: С_н,в г/м³

С_н г/м³

С_в г/м³

8. Определим время образования минимальной взрывоопасной концентрации паров заданного вещества

а) Взрывоопасная концентрация паров образуется при достижении НКПР = 96,47 г/м³

Опр. массу жидкости, которую нужно испарить, чтобы образовалась НКПР:

m = V_пом  C_н;

m = 1620  61,23 = 99192,6 г

б) Опр. время испарения из формулы массовой скорости испарения:

G = ; откуда  = ;

по условию задачи: S=3 м²; G = 0,17 г/м²с,

тогда  = 5620,914 с = 93,6819 мин=1,56 час≈2 часа .