Лабораторная работа №4 Исследование состава продуктов горения веществ

Цель работы: теоретически и экспериментально определить состав продуктов и установить предельную по горючести концентрацию кислорода.

Теоретические основы работы

Состав продуктов горения является важной характеристикой пожарной опасности веществ и материалов, так как в условиях пожара от него зависит токсичность среды, а это, в свою очередь, влияет на безопасность и здоровье людей, оказавшихся в зоне задымления.

В основе процесса горения лежит химическое взаимодействие горючего и окислителя. При горении веществ в воздухе окислителем является кислород. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в химическом превращении. Так как воздух содержит ~21% кислорода и ~79% азота, то на каждый моль кислорода приходится 3,76 моля азота. В этом случае уравнение происходящего превращения веществ при горении в воздухе, например, этана, будет выглядеть так:

C2H6 + 3,5O2 + 3,5*3,76N2 = 2CO2 + 3H2O + 3,5*3,76N2

В действительности в пламени происходит сложный радикально-цепной процесс, протекающий через ряд промежуточных стадий с участием атомов и радикалов. Записанное уравнение является следствием закона сохранения массы. Это брутто-уравнение, содержащее только исходные и конечные продукты, не отражает механизма происходящего процесса.

Нетрудно видеть, что состав продуктов горения в первую очередь зависит от природы горючего вещества, т. е. его элементного состава. Например, для веществ, содержащих углерод, водород, хлор, продуктами полного окисления являются двуокись углерода, вода, хлористый водород. Кроме этого, на состав продуктов горения будут оказывать влияние условия, при которых происходит горение. В случае недостатка кислорода наряду с вышеперечисленными продуктами образуются продукты неполного окисления: окись углерода (СО) и углерод (С) в виде сажи.

Для полного сгорания некоторого количества горючего вещества необходимо определенное количество воздуха, которое можно рассчитать из уравнения реакции. Например, для сгорания 1 моля этана (см. уравнение реакции) потребуется (3,5 + 3,5*3,76) моля воздуха. Это количество называют теоретическим объемом воздуха. В общем виде уравнение для определения теоретического количества воздуха (в молях), необходимого для сгорания одного моля горючего вещества, будет выглядеть так:

кмоль/кмоль

где - стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Расчет может быть выполнен в м³ на кг горючего:

м³/кг

где V₀ - объем одного кмоля газа (при нормальных условиях V₀ =22,4 м³);

М_г - масса одного кмоля горючего вещества.

Рассчитанное таким образом значение V⁰_в представляет собой теоретическое количество воздуха (приведенное к нормальным условиям), необходимое для сгорания 1 кг горючего. Если используемый для горения воздух находится в условиях, отличных от нормальных, то при необходимости вводят поправку на температуру и давление.

Отношение фактического количества воздуха, содержащегося в рассматриваемом объеме, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха .

Таким образом, при горении газовой смеси горючего и окислителя (кинетическое горение) с α≥1 происходит полное окисление горючего вещества. Причем, если α >1, то в продуктах горения содержится избыток воздуха ΔV=Vв-V˚в а, следовательно, и кислород. Если α<1,то в продуктах горения содержатся продукты полного и неполного окисления.

В случае диффузионного режима горения, которое чаще всего имеет место на пожаре, даже при избытке воздуха могут образовываться продукты неполного горения, так как реакция в пламени лимитируется процессом диффузии кислорода воздуха в зону горения. В закрытых помещениях горение прекращается при содержании в воздухе 14-17% кислорода. При снижении в помещении концентрации кислорода уменьшается скорость его «доставки» к зоне горения, а это приводит к уменьшению скорости химической реакции, снижению температуры горения и, при определенных условиях, прекращению горения.