Vayutner_Bezzaaponnaya[2]

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет − УПИ»

О. В. Беззапонная, Е. В. Вайнтер

ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ. МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой «Технология и средства связи» Научный редактор: доц., к.т.н. Баранова О. Ю.

Методические указания к решению задач и выполнению самостоятельных работ по курсу «Теория горения и взрыва» для студентов всех форм обучения специальности 280104.65 − Пожарная безопасность.

В методических указаниях рассматриваются примеры решения типовых задач раздела «Основы процессов горения. Материальный и тепловой баланс процессов горения» дисциплины «Теория горения и взрыва»; даны варианты заданий для самостоятельного решения задач.

© ГОУ ВПО УГТУ−УПИ, 2007

Екатеринбург

2008

ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ. МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания к решению задач и выполнению самостоятельных работ по разделу «Основы процессов горения. Материальный и тепловой баланс процессов горения» дисциплины «Теория горения и взрыва» предназначены для подготовки инженеров пожарной безопасности в рамках рабочей программы дисциплины «Теория горения и взрыва» по специальности 280104.65.

Методические указания по решению задач составлены в полном соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования с учетом особенностей профессиональной деятельности сотрудников ГПС. Задания предназначены для закрепления теоретического курса и методики практических расчетов по данному разделу дисциплины. Методические указания помогут студентам освоить материал изучаемой дисциплины, необходимый для успешной работы инженера пожарной безопасности в любой области его деятельности.

Методические указания включают в себя: краткие теоретические положения, общие положения расчётов материального и теплового баланса процессов горения газообразных и конденсированных веществ, характера свечения пламени, температуры горения, а также большое количество примеров решения типовых задач и справочной информации, необходимой при решении задач.

Структура и содержание методических указаний к решению задач предусматривают возможность самостоятельной отработки обучаемыми материала по каждому разделу дисциплины.

Приступая к изучению курса, необходимо представлять, что в основе всех явлений, происходящих на пожаре, лежит процесс горения. Знание сути этого явления, законов горения, механизмов и способов его прекращения необходимы для успешной работы инженера пожарной безопасности в любой области его деятельности.

1.СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ РЕАКЦИЙ ГОРЕНИЯ ВЕЩЕСТВ

ВВОЗДУХЕ

Горением называется сложный физико-химический процесс, представляющий собой окислительно-восстановительную реакцию между горючим веществом и окислителем, сопровождающийся выделением тепла и излучением света. Для горения необходимо наличие трёх составляющих: горючего вещества; окислителя (кислород воздуха, озон, перекись водорода, галогены, перманганат калия, хромовый ангидрид и т. д.) и благоприятствующего фактора (источник зажигания; физико-химический или биологический процесс, протекающий с выделением тепла, нагретая поверхность).

2

С точки зрения электронной теории, горение – это перераспределение валентных электронов между горючим веществом и окислителем.

Горючим веществом называется вещество, атомы (молекулы) которого способны отдавать в процессе реакции свои валентные электроны. Горючее вещество в процессе реакции окисляется, образуя продукты окисления.

Окислителем называется вещество, атомы (молекулы) которого способны присоединять валентные электроны в процессе реакции. Окислитель в ходе реакции восстанавливается.

Процесс горения как одна из форм химического взаимодействия атомов и молекул может по-настоящему понятен только на основе изучения молекулярнокинетической теории строения материи. Необходимо представлять, что в химических процессах прежде чем образуются новые молекулы, разрушаются старые. Энергия, необходимая для разрыва связей в молекулах горючего и окислителя, называется энергией активации. Разрушение или ослабление химических связей в молекулах происходит под действием теплового движения атомов. Чем выше температура, тем выше доля активных молекул, тем эффективнее соударения и больше их число. Для реакции горения, как и для многих других химических реакций, справедливо положение: повышение температуры на 10°С приводит к увеличению её скорости в 2–4 раза (правило Вант-Гоффа). Кроме того, скорость реакции согласно закону действующих масс увеличивается с возрастанием концентрации реагентов. Скорость горения максимальна при стехиометрическом составе смеси – когда отношение реагентов соответствует коэффициентам в уравнении реакции.

Вусловиях пожара горение чаще всего протекает в среде воздуха. При составлении уравнения материального баланса процессов горения принято учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. Воздух состоит из азота, кислорода, водорода, углекислого и инертных газов. При ведении теоретических расчётов водород, углекислый газ и инертные газы (их вместе взятых в воздухе около 1 %) причисляют к азоту, которого в воздухе 78 %. Поэтому можно принять, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79 % азота. Не трудно установить, что на 1 объём кислорода в воздухе приходится 3,76 объёма азота (79 : 21 = 3,76) или на 1 моль кислорода приходится 3,76 моля азота и, таким образом, состав воздуха в уравнениях реакций горения – (О2 + 3,76 N2).

Вреакции горения принимает участие только кислород. Азот в реакцию не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения. В левой части уравнения реакции горения записывают горючее вещество и воздух, в правой части – продукты горения. При уравнивании левой и правой частей уравнения реакции горения коэффициент перед горючим веществом для упрощения расчётов параметров процесса горения, как правило, не ставят, т.е. принимают равным единице, в связи с чем коэффициент перед воздухом может получаться дробным.

Для решения задач по определению основных параметров, характеризующих процесс горения, необходимо уметь составлять уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе.

3

Обобщённая запись брутто-уравнения материального баланса реакции горения имеет вид:

где nг.в, nо, nпгi – стехиометрические коэффициенты при соответствующих веществах: [г.в.] – горючее вещество, [о] – окислитель, [пг] – продукты горения.

Данное уравнение является обобщённым выражением материального баланса любой химической реакции окисления. Оно не несёт информации о промежуточных стадиях процесса, которых может быть великое множество, а выражает только начальное и конечное состояние системы. Поэтому его называют также суммарным или брутто-уравнением реакции горения. Для решения многих инженерно-технических задач этого уравнения бывает достаточно.

Рассмотрим примеры составления уравнений реакций горения горючих веществ в воздухе.

ПРИМЕР: Составить уравнение реакции горения пропана (С382) в воздухе.

При горении углеводородов в воздухе продуктами горения будут углекислый газ (СО2), пары воды (Н2О) и азот (N2) из воздуха:

С3Н8 + (О2 + 3,76 N2) → CО2 + Н2О + 3,76 N2.

Уравняем эту реакцию, в результате чего число атомов каждого элемента в правой части уравнения будет равно числу атомов этих элементов в левой части.

Углерода в молекуле пропана 3 атома, следовательно, в продуктах горения образуется 3 молекулы углекислого газа. Атомов водорода в молекуле пропана 8, следовательно, в продуктах горения образуется 4 молекулы воды, так как в молекуле Н2О два атома водорода (8 : 2 = 4). В последнюю очередь уравнивается число атомов кислорода. Подсчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения: число атомов кислорода в 3 молекулах СО2 равно 6 (3 2 =6); число атомов кислорода в 4 молекулах воды равно 4 (4 1 = 4). Всего в правой части получается 10 атомов кислорода (6 + 4 = 10), следовательно, в левой части перед скобкой мы должны поставить коэффициент равный 5 (10 : 2 = 5), т. к. в молекуле кислорода 2 атома. Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3,76.

Окончательная запись уравнения реакции горения пропана в воздухе имеет

вид:

С3Н8 + 5 (О2 + 3,76 N2) = 3 CО2 + 4 Н2О +5 3,76 N2.

Коэффициент, стоящий перед скобкой воздуха, называется стехиометрическим коэффициентом реакции горения и обозначается β. В нашем случае β = 8.

4

При горении кислородосодержащих соединений в воздухе уравнивание реакции происходит аналогично. Однако при уравнивании атомов кислорода нужно учесть количество атомов кислорода, содержащихся в горючем веществе, которые тоже участвуют в реакции.

Для этого из количества атомов кислорода в правой части уравнения реакции нужно вычесть количество атомов кислорода, содержащихся в горючем веществе, а потом уже делить на 2.

ПРИМЕР: Составить уравнение реакции горения пропилового спирта в воздухе.

С3Н7ОН + (О2 + 3,76 N2) → CО2 + Н2О + 3,76 N2

Углерода в молекуле пропилового спирта 3 атома, следовательно, в продуктах горения образуется 3 молекулы углекислого газа. Атомов водорода в молекуле 8, следовательно, в продуктах горения образуется 4 молекулы воды, так как в молекуле Н2О два атома водорода (8 : 2 = 4). В последнюю очередь уравнивается число атомов кислорода. Подсчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения: число атомов кислорода в 3 молекулах СО2 равно 6 (3 2 =6); число атомов кислорода в 4 молекулах воды равно 4 (4 1 = 4). Всего в правой части получается 10 атомов кислорода (6 + 4 = 10), следовательно, в левой части перед скобкой мы должны поставить коэффициент равный 4,5 (10 - 1 = 9; 9: 2 = 4, 5). Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3, 76.

Окончательная запись уравнения реакции горения пропилового спирта в воздухе имеет вид:

С3Н7ОН +4,5 (О2 + 3,76 N2) → 3 CО2 + 4 Н2О +4,5 3,76 N2.

Если в состав горючего вещества входит галоген и горючее вещество не содержит водород, то в продуктах горения он будет выделяться в свободном виде (Cl2, Br2 и т. д.). Если же горючее вещество содержит водород, то в продуктах горения он будет выделяться в соединении с водородом, например хлороводород

(НCl).

Если в состав горючего вещества входят сера, алюминий, кремний и др., то в продуктах горения будут выделяться оксиды этих элементов (SO2, Al2O3, SiO2).

При горении веществ, содержащих азот, он выделяется в виде чистого газа азота (N2) и записывается отдельно от азота, содержащегося в воздухе.

C2H5Cl + 3(O2 + 3,76 N2) = 2 CO2 + 2 H2O + HCl + 3 3,76 N2,

C4H4S + 6(O2 + 3,76 N2) = 4CO2 + 2 H2O + SO2 + 6 3,76 N2,

CH3NH2 + 2,25(O2 + 3,76 N2) = CO2 + 2,5 H2O + 0,5 N2 + 2,25 3,76 N2.

5

1.1.ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1.Составить уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе и рассчитать стехиометрические коэффициенты.

1.1.амилбензол, абиетиновая кислота, аллиламин;

1.2.амилдифенил, адипиновая кислота, аллилизотиоцианат;

1.3.амилен, акриловая кислота, альнафт;

1.4.амилнафталин, аллилацетат, альтакс;

1.5.амилтолуол,аллилидендиацетат,амиламин;

1.6.антрацен, аллилкапроат, амилнитрат;

1.7.аценафтен, аллиловьiй спирт, амилнитрит;

1.8.ацетилен, амилацетат, амилсульфид;

1.9.бензол,амилбутират,амилтрихлорсилан;

1.10.бутилбензол, амилксилиловый эфир, амилхлорнафталин;

1.11.бутилциклогексан, амиллаурат, аминалоп;

1.12.бутилциклопентан,амилметилкетон,аминоазокраситель;

1.13.гексадекан, амилолеат, аминокапроновая кислота;

1.14.гексан, амнлсалицилат, аминопеларгоновая кислота;

1.15.гексилциклопентан, амилстеарат, амипоциклогексан;

1.16.гептадекан, амилфенилметиловый эфир, ампициллин;

1.17.гептан, амнлфениловый эфир, ангинин;

1.18.декан, амилформиат, анилин;

1.19.диамилбензол, анизол, антримид;

1.20.диамилнафталин, ацеталь, атофан;

1.21.дивинилацетилен, ацетальдегид, ацеклидин;

1.22.дигидроциклопентадиен, ацетилацетон, ацетанилид;

1.23.диизобутилен, ацетисалициловая кислота, ацетилхлорид;

1.24.диизопропилбензол, ацетилтрибутилцитрат, ацетоацетанилид;

1.25.диметиленциклобутан, ацетометоксан, ацетонитрил;

1.26.дитолилметан, ацетон, ацетоксим;

1.27.дифенил, ацетонилацетон, ацетоэтиламид;

1.28.дифенилметан, ацетопропиловый спирт, бензамид;

1.29.диэтилциклогексан, ацетоуксусный эфир, бензилдиэтиламин;

1.30.додекан, ацетофенон, бензилтиол;

1.31.изобутилбензол, бензальдегид, бензилхлорид;

1.32.изобутилциклогексан, бензантрон, бензилцианид;

1.33.изооктан, бензгидрол, бензимидазол;

1.34.изопентан, бензилацетат, бензоат натрия;

1.35.изопрен, бензилбензоат, бензоилхлорид;

1.36.изопропенилбензол, бензилсалицилат, бензоксазолон;

1.37.изопропилацетилен, бензилцеллозольв, бензолсульфазид;

1.38.метилциклогексан, бензилэтиловый эфир, бензолсульфамид;

1.39.метилциклопентан, бензилянтарная кислота, бензолсульфокислота;

1.40.октилтолуол, метоксибутилацетат, бензонитрил.

6

2.При сгорании какого горючего вещества выделится большее число молей продуктов горения?

2.1.бензофенон и бензофенонтетракарбоновая кислота;

2.2.борнеол и бутаналь;

2.3.бутановая кислота и бутилацетат;

2.4.бутилацетилрицинолеат и бутилацетоацетат;

2.5.бутилбензилсебацинат и бутилбензоат;

2.6.бутилбутират и бутилвиниловый эфир;

2.7.бутилгликоль и бутилгликольацетат;

2.8.бутилглицидный эфир и бутилдиэтиладипинат;

2.9.бутилизовалериат и бутилкапронат;

2.10.бутилкарбитол и бутиллактат;

2.11.бутиллаурат и бутилметакрилат;

2.12.бутилметилкетон и бутилолеат;

2.13.бутилпропионат и бутилрициноолеат;

2.14.бутилстеарат и бутилфениловый эфир;

2.15.бутилформиат и бутилэтилацеталr,дегид;

2.16.бутилэтилкетон и бутилэтиловый эфир;

2.17.валериановая кислота и валериановый альдегид;

2.18.ванилин и ветиверилацетат;

2.19.ветиверовый спирт и ветинилацетат;

2.20.ветинон и винилаллиловый эфир;

2.21.винилацетат и винилбутират;

2.22.винилизобутиловый эфир и винилизооктиловый эфир;

2.23.винилизопропиловый эфир и винилкротонат;

2.24.винилметилкетон и винилоксиэтилметакрилат;

2.25.винилоктадециловый эфир и винилпропионат;

2.26.винилтриметилнониловый эфир и винилuетиловый эфир;

2.27.винилэтиловый эфир и винная кислота;

2.28.витамин А (ацетат) и витамин С;

2.29.галловая кислота и гексаналь;

2.30.гексановая кислота и гексилацетат;

2.31.гексилбутират и гексилдиэтилгексагидрофталат;

2.32.гексилметакрилат и гексилметилкетон;

2.33.гексиловый спирт и гексилпропионат;

2.34.гексилформиат и гексилцеллозольв;

2.35.гелиотропин и гептадециловый спирт;

2.36.гептаналь и гептилацетат;

2.37.гептилбутират и гептилдифенилкетон;

2.38.гептилизобутилкетон и гептилметилкетон;

2.39.гептиловый спирт и гептилпропионат;

2.40.гептилформиат и гидрохинон.

7

2.МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

2.1.РАСЧЁТ ОБЪЁМА ВОЗДУХА, ОБЪЁМА И СОСТАВА ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ

При решении многих практических вопросов необходимо знать количество воздуха, расходуемого на горение единицы массы или объёма горючего вещества, количество образовавшихся продуктов горения и их процентный состав. Рассмотрим расчётные методы определения отдельных составляющих материального баланса процессов горения.

Методика расчёта объёма воздуха для горения зависит от состава горючего вещества, его агрегатного состояния и условий горения. По своей природе горючие вещества могут быть индивидуальными химическими соединениями и смесями сложных химических соединений. К индивидуальным химическим соединениям относятся такие вещества, которые имеют постоянное химическое строение и постоянную химическую формулу, например бензол (С6Н6), пропанол (С3Н7ОН), уксусная кислота (СН3СООН) и др. Смеси сложных химических соединений – вещества, не имеющие определённого химического строения, и их состав одной химической формулой выразить нельзя. К этой группе веществ относятся уголь, нефть, древесина, жиры и др. Состав этих веществ выражается в процентном содержании отдельных элементов или газов (C, S, H, и др. или СО,

Множитель α называется коэффициентом избытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз объём воздуха, поступивший на горение, больше теоретического объёма воздуха, необходимого для полного сгорания единицы количества вещества в стехиометрической смеси.

Разность между действительным и теоретически необходимым количеством воздуха называется избытком воздуха ( Vв).

Объём продуктов горения, образовавшихся при сжигании единицы горючего (1 кг, 1 м3 , 1 кмоль) в теоретическом количестве воздуха, равен сумме объёмов углекислого газа, паров воды и азота:

Полный, действительный объём продуктов горения находится с учётом избытка воздуха:

Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на 4 группы (табл. 1): индивидуальные химические соединения (в газообразном и конденсированном состоянии); вещества сложного состава (древесина, торф, нефть и т. п.); смесь газов (генераторный, попутный газы и т. п.).

8

Таблица 1 Расчётные формулы для определения теоретического количества воздуха,

необходимого для сгорания веществ

реакции горения, кмоль/кмоль;

Мгв – молекулярная масса горючего вещества;

Vt – молярный объём газа при заданных условиях, м3/кмоль;

C, H, S, O – весовое содержание соответствующих элементов в составе горючего вещества, % масс.;

∑βi ϕi – сумма произведений стехиометрического коэффициента реакций

горения каждого компонента горючей смеси (βi) на процентное содержание этого компонента (ϕi) в смеси;

ϕО2 – процентное содержание кислорода в сложном горючем газе.

Для газообразных горючих веществ расчёт объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м3/м3 . Так как 1 кмоль любого газа в одинаковых условиях занимает один и тот же объём (при нормальных условиях 22, 4 м3), то объём, рассчитанный в м3/м3, численно будет таким же, как и в кмоль/кмоль.

Если горючее вещество находится в конденсированном состоянии (жидком или твёрдом), то, как правило, расчёты объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м3/кг.

Для определения объёма воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются уравнением идеальных газов:

P1, T1, V1 – соответственно давление, объём и температура воздуха, характеризующие заданные условия горения.

Иногда на практике приходится решать обратную задачу – по известному процентному содержанию кислорода в продуктах горения находить коэффициент избытка воздуха:

Для веществ, у которых объём продуктов горения равен объёму израсходованного воздуха (например, горение углерода, серы), эта формула упрощается:

Процентный состав продуктов горения рассчитывается исходя из количества молей продуктов горения. Например, процентное содержание паров воды в продуктах горения составит:

10