Теоретический материал

Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени φ_н (φ_в), далее НКПРП или ВКПРП  min (max) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания. Так, для природного газа (метана) при концентрациях меньших 5 % и больших 15 % распространения пламени от источника зажигания на любое расстояние невозможно, а для водорода – при концентрациях меньших 1 % и больших 84 %.

Согласно ГОСТ 12.1.044-89, концентрационные пределы распространения пламени (далее КПРП) является показателем пожаровзрывоопасности (ПВО), с его помощью оценивается пожарная опасность горючих паров и газов.

Нижний концентрационный предел распространения пламени φ_н определяют по предельной теплоте сгорания . Установлено, что 1 м³ различных газовоздушных смесей на НКПР выделяет при горении постоянное среднее количество тепла – 1830 кДж, называемое предельной теплотой горения. Следовательно,

. (1)

Если принять среднее значение Q_пр. равным 1830 кДж/м³ , то 6удет равно

, (2)

где – низшая теплота сгорания горючего вещества, кДж/м³ (таблица 3.1).

Таблица 3.1

Низшая теплота сгорания горючего вещества, кДж/м3

Вариант	Вещество жидкость	Константы уравнения Антуана			Вещество газ	Низшая теплота сгорания газа Ԛн (МДж/м3)
		А	В	С
1	Ацетон	6,37551	1281,721	237,088	Ацетилен	56,04
2	Бензол	6,10906	1252,776	225,178	Метан	33,41
3	Гексан	5,99517	1166,274	223,661	Окись углерода	11,78
4	Глицерин	8,177393	3074,220	214,712	Этан	59,85
5	Пентан	5,97208	1062,555	231,805	Водород	10,05
6	Изопропило-вый спирт	7,51055	1733,00	232,380	Пропан	86,53
7	м-Ксилол	6,13329	1461,925	215,073	Сероводо-род	21,75
8	о-Ксилол	6,28893	1575,114	223,579	Бутан	118,68
9	п-Ксилол	6,25485	1537,082	223,608	Ацетилен	56,04
10	н-Амиловый спирт	9,307	1288	111,9	Метан	33,41
11	Толуол	9,08	1345	53,7	Окись углерода	11,78
12	Эфир диэтиловый	9,123	1099	40,8	Этан	59,85
13	Амилацетат	6,29350	1579,510	221,365	Водород	10,05
14	Метиловый спирт	7,3527	1660,454	245,818	Пропан	86,53
15	Толуол	6,0507	1328,171	217,713	Сероводо-род	21,75
16	Стирол	7,06542	2113,057	272,986	Бутан	118,68
17	Амилацетат	6,29350	1579,510	221,365	Метан	33,41
18	Амилен	5,91048	1014,294	229,783	Этан	59,85
19	н-Амиловый спирт	6,3073	1287,625	161,330	Пропан	86,53
20	Ацетон	6,37551	1281,721	237,088	Бутан	118,68

Нижний и верхний КПР пламени могут быть определены по аппроксимационной формуле

, (3)

где n – стехиометрический коэффициент при кислороде в уравнении химической реакции;

а и b – эмпирические константы, значения которых приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Значения коэффициентов концентрационных пределов распространения пламени

Концентрационные пределы распространения пламени	Значения коэффициента,
	а	b
Нижний предел	4,342	4,679
Верхний предел n≤15 n>15	0,775 0,384	0,560 6,554

Таблица 3.3

Концентрационные пределы распространения пламени газов и паров с воздухом

Наименование горючих веществ	КПРП, %
	Нижний	Верхний
Аммиак	15.0	28,0
Метан	5,28	14,1
Этан	2,9	15,0
Пропан	2,3	9,4
Бутан	1,8	9,1
Пентан	1,47	7,7
Гексан	1,24	7,5
Этилен	2,7	34,0
Пропилен	2,4	11,0
Бутилен	1,7	9,0
Ацетилен	2,5	81
Бензол	1,43	8,0
Толуол	1,27	6,8
Метиловый спирт	6,98	35,5
Этиловый спирт	3,6	17,7
Пропиловый спирт	2,55	9,2
Бутиловый спирт	1,8	10,9
Ацетон	2,7	13,0
Метилпропилкетон	1,55	8,15
Уксусный ангидрид	3,97	57,0
Диэтиловый эфир	1,2	51
Дивиниловый эфир	1,7	49
Метилацетат	3,15	15,6
Этилацетат	3,15	14,8
Пропан	2,1	9,5
Бутилацетат	1,35	9,0
Аммиак	15,0	28
Сероуглерод	1,0	50
Сероводород	4,3	46
Водород	4,12	75
Диоксан	2,0	22,5
Керосин	1,1	7.0
Скипидар	0,8	6,0
Дихлорэтан	6,2	16

Расчет концентрационных пределов распространения пламени смесей горючих газов

Для расчета концентрационных пределов распространения пламени смесей горючих газов используют правило Ле-Шателье:

, (4)

где нижний (верхний) КПР пламени смеси газов, % об.;

нижний (верхний) предел распространения пламени i-ro горючего газа %, об.;

– мольная доля i-ro горючего газа в смеси.

Следует при этом иметь в виду, что ∑μ_i = 1, т.е. концентрация горючих компонентов газовой смеси принимается за 100 %.

Таблица 3.4

Состав (процентное содержание) газовой смеси

Вариант	Процентное содержание в смеси, %
	Пропан	Бутан	Пропилен
1	40	50	10
2	10	40	50
3	50	10	40
4	30	50	20
5	30	20	50
6	40	30	30
7	30	40	30
8	40	10	50
9	70	20	10
10	30	50	20
11	40	30	30
12	20	30	50
13	20	40	40
14	60	10	30
15	50	30	20
16	30	30	40
17	20	50	30
18	30	30	40
19	30	40	30
20	40	40	20

Рекомендации по выполнению задания

1. Изучить теоретический материал и образец выполнения задания.

2. Выбрать произвольно вариант задания (таблица 3.1).

3. Рассчитать концентрационные пределы распространения пламени паров горючего газа в воздухе по предельной теплоте горения.

4. Рассчитать концентрационные пределы распространения пламени паров горючего газа в воздухе по аппроксимационной формуле.

5. Рассчитать концентрационные пределы распространения смеси газов, используя правило Ле-Шателье. Вариант состава газовой смеси определяется по таблице 3.4 произвольно.

6. Результаты расчетов сравнить с имеющимися справочными данными (Таблица 3.3) и определить относительную ошибку.

7. Оформить отчёт на бланке выполнения задания 3.

Образец выполнения задания 3

1. По предельной теплоте сгорания определить нижний концентрационный предел воспламенения бутана в воздухе.

Решение.

Находим из таблицы 3.1 низшую теплоту сгорания вещества 2882,3 кДж/моль. Эту величину надо перевести в другую размерность – кДж/м³:

.

По формуле 1 определим НКПВ:

.

Экспериментальное значение = 1,8 % (таблица 3.3). Относительная ошибка расчета, следовательно, составила:

2. Определить концентрационные пределы распространения пламени этилена в воздухе по аппроксимационной формуле.

Решение.

Определяем значение стехиометрического коэффициента при кислороде на основе уравнения реакции горения:

С₃Н₄+3О₂ = 2СО₂+2Н₂О.

Из уравнения видно, что стехиометрическая смесь этилена с воздухом содержит 1 моль этилена и 3 моля кислорода, таким образом, стехиометрический коэффициент n = 3.

Рассчитываем нижний концентрационный предел распространения пламени по аппроксимационной формуле (3), воспользовавшись значениями a и b из табл. 3.2

;

.

Определим относительную ошибку расчета. По табл. 3.3 экспериментальные значения пределов составляют 2,7–34,0 %.

Следовательно, при расчете НКПР этилена результат практически не завышен (на 0,55)%, а при расчете ВКПР – занижен на 15,74 %.

3. Расчёт концентрационных пределов распространения смеси газов, с помощью правила Ле-Шателье.

Определить концентрационные пределы распространения пламени газовой смеси, состоящей 40 % пропана, 50 % бутана и 10 % пропилена (таблица 4).

Решение.

Для расчета КПР пламени смеси газов, но правилу Ле-Шателье (4) необходимо определить КПР пламени индивидуальных горючих веществ, методы расчета которых рассмотрены выше.

С₃Н₈-2,1÷9,5 %; С₃Н₆-2,2÷10,3 %; С₄Н₁₀-1,9÷9,1 % (таблица 3)

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Тольяттинский государственный университет»

____________________________________________________________

(институт)

____________________________________________________________

(кафедра)