3. Расчет низшей теплоты сгорания н-Амилового спирта.

Рассчитываем низшую теплоту сгорания н-Амилового спирта, используя следствие из закона Гесса.

Для этого из уравнения реакции находим, что при сгорании 1 моль н-Амилового спирта выделяется 5 моль углекислого газа и 6 моль воды:

Определяем значения стандартных энтальпий образования горючего вещества и продуктов горения, учитывая при этом, что теплоты образования простых веществ (О₂, N₂) равны нулю.

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.

Находим значение низшей теплоты сгорания н-Амилового спирта.

(кДж/моль)

Рассчитываем низшую теплоту сгорания 1 кг н-Амилового спирта.

Рассчитываем низшую теплоту сгорания 1 м³ паров н-Амилового спирта.

Для расчета использовали величину молярного объёма газа при t = 18 ^oC, ( V_t = 0,0239 м³/моль)

Определяем низшую теплоту сгорания н-Амилового спирта по формуле Д. И. Менделеева.

Для этого рассчитываем массовые доли элементов в соединении.

Подставляем полученные значения.

4. Расчет адиабатической температуры горения н-Амилового спирта.

Для этого используем ранее рассчитанные количества вещества продуктов горения

, моль/моль,

и низшую теплоту сгорания н-Амилового спирта, рассчитанную по следствию из закона Гесса

Используя эти данные, рассчитываем среднее значение мольной энтальпии продуктов горения.

Выбираем температуру горения в первом приближении.

В продуктах горения наибольшее количество составляет азот ( моль). Поэтому принимаем, что именно ему соответствует расчётное значение средней энтальпии (62,53 кДж/моль). По табл. 6 Приложения 3 в колонке азота находим близкое значение (59.54 кДж/моль). Ему соответствует температура горения 2073 К. Понижаем эту величину на 100 К, так как в продуктах горения присутствуют СО₂ и Н₂О. Таким образом выбираем температуру горения в первом приближении равной 1973 К.

При этой температуре по табл. 6 Приложения 3 определяем мольные энтальпии и рассчитываем энтальпии продуктов горения.

кДж/моль

132 кДж/моль

Суммируем полученные результаты и определяем общую энтальпию продуктов горения.

Сравниваем полученное значение с низшей теплотой сгорания н-Амилового спирта.

˂

В процессе горения суммарное значение энтальпии продуктов горения не может превышать значение низшей теплоты сгорания н-Амилового спирта. Поэтому понижаем температуру на 100 К и принимаем во втором приближении температуру горения равной 1873 К. При этой температуре повторяем расчёт.

кДж/моль

124 кДж/моль

Суммируем полученные результаты и определяем общую энтальпию продуктов горения.

Сравниваем полученное значение с низшей теплотой сгорания н-Амилового спирта.

<

В процессе горения суммарное значение энтальпии продуктов горения не может превышать значение низшей теплоты сгорания н-Амилового спирта. Поэтому понижаем температуру на 100 К и принимаем во втором приближении температуру горения равной 1773 К. При этой температуре повторяем расчёт.

кДж/моль

115 кДж/моль

Суммируем полученные результаты и определяем общую энтальпию продуктов горения.

Сравниваем полученное значение с низшей теплотой сгорания н-Амилового спирта.

<

В процессе горения суммарное значение энтальпии продуктов горения не может превышать значение низшей теплоты сгорания н-Амилового спирта. Поэтому понижаем температуру на 100 К и принимаем во втором приближении температуру горения равной 1673 К. При этой температуре повторяем расчёт.

кДж/моль

107 кДж/моль

Суммируем полученные результаты и определяем общую энтальпию продуктов горения.

Сравниваем полученное значение с низшей теплотой сгорания н-Амилового спирта.

>

Таким образом, в интервале 100 К мы нашли два значения энтальпии продуктов горения н-Амилового спирта, одно из которых больше значения низшей теплоты сгорания, а другое – меньше ее.

Температуру горения н-Амилового спирта находим методом линейной интерполяции .

5. Расчет температуры взрыва паров н-Амилового спирта в замкнутом объеме.

Исходная паровоздушная смесь состоит согласно уравнению реакции горения из паров н-Амилового спирта, кислорода и азота. Для удобства обозначим указанные вещества цифрами 1, 2 и 3. Состав исходной смеси:

n₁ = 1 моль, n₂ = 7.5 моль, n₃ = 28.2 моль.

Мольные теплоемкости указанных реагентов при постоянном давлении выбираем из табл. 5 Приложения 3.

С_Р,1 = 120 Дж/(мольК),

C_p,2 = 29,38 Дж/(мольК),

C_p,3 = 29,12 Дж/(мольК),

Рассчитываем мольные теплоемкости при постоянном объеме каждого компонента исходной смеси.

C_V,1 = С_P,1 – R = 120 – 8,31 = 111,69 (Дж/мольК);

C_v,2 = С_P,2 – R = 29,37 – 8,31 = 21,06 (Дж/моль^.К);

C_v,3 = С_P,3 – R = 29,12 – 8,31 = 20,81 (Дж/мольК).

Находим внутреннюю энергию исходной смеси при температуре 18°С (Т₀ = 291 К).

Дж

Используя полученное значение U_СМ и рассчитанную ранее низшую теплоту сгорания н-Амилового спирта (Q_Н = Дж/моль), определяем теплоту взрыва смеси.

Продукты взрыва состоят согласно уравнению реакции горения из углекислого газа, паров воды и азота. Для удобства обозначим указанные вещества цифрами 4, 5, 6 и 3. Состав продуктов горения:

n₄ = 5 моль, n₅ = 6 моль, n₃ = 28.2 моль, n_ПГ = 39.2 моль.

Используя эти данные, рассчитываем среднее значение внутренней энергии продуктов взрыва.

Используя данные табл. 10 Приложения 3, выбираем температуру взрыва в первом приближении.

В продуктах горения наибольшее количество составляет азот (39.2 моль) . Поэтому принимаем, что именно ему соответствует расчётное значение средней внутренней энергии ( /моль). По табл. 10 приложения 3 в колонке азота находим близкое значение (76549кДж/моль). Ему соответствует температура горения 3000 К. Понижаем эту величину на 200 К, так как в продуктах взрыва присутствуют СО₂и Н₂О. Таким образом, выбираем температуру взрыва в первом приближении равной 2800 К.

При этой температуре по табл. 10 Приложения 3 определяем мольные внутренние энергии и рассчитываем внутренние энергии продуктов взрыва.

U₄ = 5  127249.5= 636211 кДж/моль

U₅ = 6  100967,4= 605820 кДж/моль

U₃ = 39.2  70802=2775111 кДж/моль

Суммируем полученные результаты и определяем общую энтальпию продуктов горения.

Сравниваем полученное значение с теплотой взрыва н-Амилового спирта.

< кДж/моль

В процессе взрыва суммарное значение внутренней энергии продуктов взрыва не может превышать значение теплоты взрыва. Поэтому понижаем температуру на 200 К и принимаем во втором приближении температуру взрыва равной 2600 К. При этой температуре повторяем расчёт.

U₄ = 5  116450= 582212 кДж/моль

U₅ = 6  91861,4= 551202 кДж/моль

U₃ = 39.2  65092=2552001 кДж/моль

Суммируем полученные результаты и определяем общую энтальпию продуктов горения.

Снова сравниваем полученное значение с теплотой взрыва н-Амилового спирта.

< кДж/моль

В процессе взрыва суммарное значение внутренней энергии продуктов взрыва не может превышать значение теплоты взрыва. Поэтому понижаем температуру на 200 К и принимаем во втором приближении температуру взрыва равной 2400 К. При этой температуре повторяем расчёт.

U₄ = 5  105088= 515401 кДж/моль

U₅ = 6  82882,4= 330702 кДж/моль

U₃ = 39.2  59.441=2230001 кДж/моль

Суммируем полученные результаты и определяем общую энтальпию продуктов горения.

Снова сравниваем полученное значение с теплотой взрыва н-Амилового спирта.

> кДж/моль

Таким образом, в минимальном табличном интервале 200 К мы нашли два значения общей внутренней энергии продуктов взрыва н-Амилового спирта, одно из которых больше значения теплоты взрыва, а другое – меньше ее.

Температуру взрыва н-Амилового спирта находим методом линейной интерполяции.

6. Определение группы горючести н-Амилового спирта.

Записываем количество атомов составляющих молекулу н-Амилового спирта :

Рассчитываем коэффициент горючести.

Вывод: К > 2, следовательно, н-Амиловый спирт– горючее вещество.

7. Расчет нижнего и верхнего концентрационных пределов распространения пламени н-Амилового спирта.

Сначала находим КПР при стандартных условиях.

Для расчета выбираем из табл. 1 Приложения 3 значения коэффициентов a = 8.64 и b = 4.679.

Для расчета при ≤ 7.5 из табл. 1 Приложения 3 выбираем значения коэффициентов a = 1.55, b = 0.56.

Рассчитываем КПР при других заданных температурах. 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 н-Амилового спирта незначительно уменьшается, ВКПР – сильно возрастает. При этом, изменение ВКПР приблизительно в 8 раз превышает изменение НКПР. Таким образом, с ростом температуры область воспламенения паров н-Амилового спирта расширяется. Это связано с тем, что с повышением начальной температуры смеси увеличивается скорость химической реакции. Поэтому смеси, сильно разбавленные горючим или воздухом и не способные гореть при низкой температуре, становятся горючими.

Рисунок. Влияние температуры на концентрационные пределы

распространения пламени паров н-Амилового спирта

Пересчитываем концентрационные пределы распространения пламени н-Амилового спирта в г/м³ (^/_н или ^/_в).

Для этого определяем мольный объем паров н-Амилового спирта при заданных температурах:

При Т = 298 К

При Т = 318.15 К

При Т = 338.15 К

Пересчитываем КПР паров н-Амилового спирта в г/м³ при заданных температурах.

При Т = 298.15 К:

При Т = 318.15 К

При Т = 338.15 К

Рассчитываем стехиометрическую концентрацию паров н-Амилового спирта в воздухе, используя значение β = 7.5.

8. Расчет минимальной флегматизарующей концентрации флегматизатора – Н₂О.

Вычисляем стехиометрический коэффициент перед кислородом в реакции сгорания вещества до СО и Н₂О.

Используя полученное значение , величину стандартной теплоты образования н-Амилового спирта (_fH⁰ = - кДж/моль) и концентрацию кислорода в воздухе, равную 21 %, находим значение безразмерной функции F:

По табл. 2 Приложения 3 для Н₂О определяем:  = 1.2.

Рассчитываем С_МФК.

(об.)

9. Расчет минимального взрывоопасного содержания кислорода в тройной смеси пары н-Амилового спирта + воздух + флегматизатор .

Для этого предварительно находим концентрацию паров н-Амилового спирта в тройной смеси, соответствующей по составу точке флегматизации.

% (об.)

Используя полученные результаты, находим минимальное взрывоопасное содержание кислорода.

Используя значения КПР ( и ), С_ГФ и С_МФК строим график, иллюстрирующий влияние флегматизатора на концентрационные пределы распространения пламени н-Амилового спирта.

Содержание Н₂О, об. %

Точка флегматизации



Рисунок. Влияние концентрации Н₂О на концентрационные

пределы распространения пламени н-Амилового спирта с воздухом

На графике изображаем точку флегматизации смеси паров н-Амилового спирта с воздухом Н₂О.