Химия процессов горения. Учебное пособие

21

Практических занятий – 4 часов.

Самостоятельной работы – 10 часов.

Всего по теме: 16 часов.

Рекомендуемая литература:

Основная: [2,3,4,5,6]

Дополнительная:[1- 4].

Тема 3. Пожароопасные свойства углеводородов

Вопросы, рассматриваемые на теме 3.

Физико-химические и пожароопасные свойства алканов, алкенов, алкинов,

алкадиенов, аренов.

Сравнительная характеристика пожарной опасности углеводородов, связь строения веществ и показателей пожарной опасности.

Галогенпроизводные углеводородов. Изомерия, номенклатура, основные способы получения, физические и химические свойства. Хладоны как огнетушащие вещества.

Карбоциклические соединения. Строение, физические и химические свойства.

Применение. Экологические аспекты сбора и утилизации углеводородов при Ч.С.

По теме 3 необходимо изучить:

1.Алифатичские углеводороды, их физико-химические и пожароопасные свойства.

2.Галогенпроизводные углеводородов, их свойства и применение в профессии.

3.Карбоцикцические углеводороды, их физико-химические и пожароопасные свойства.

4.Расчет пожарно-технических характеристик углеводородов.

22

Теоретическая часть

Углеводороды – органические вещества, состоящие из углерода и водорода.

Основные классы углеводородов: предельные (парафиновые, насыщенные) –

алканы – общая формула СnH2n+2. - непредельные – алкены – общая формула СnH2n,

алкины – общая формула СnH2n-2, алкадиены – общая формула СnH2n-2.

Циклические углеводороды: предельные – циклоалканы – общая формула СnH2n

и непредельные – арены – общая формула СnН2n-6.

Алканы – предельные углеводороды, алифатические, не образуют замкнутые цепи углеродных атомов.

Предельные углеводороды с числом атомов от 1 до 4 при обычных условиях представляют собой газы; углеводороды с числом атомов от 5 до 15 – жидкости;

углеводороды с числом атомов более 16 представляют собой твердые вещества.

Температура плавления и кипения углеводородов повышается с укрупнением молекул, с увеличением молярной массы.

Предельные углеводороды очень плохо растворяются в воде, в большинстве органических растворителей они растворяются.

Первые представители ряда предельных углеводородов – метан и этан – не обладают запахом. Легко летучие низшие углеводороды обладают запахом бензина,

являются легковоспламеняющимися жидкостями. Высшие представители алканов,

входящие в состав нефтяных масел и парафина, также не имеют запаха, обладая очень малой летучестью.

Применяются алифатические углеводороды как топливо и для органического синтеза, а также галогенпроизводные метана и этана для получения огнетушащих веществ – хладонов.

Непредельными или ненасыщенными углеводородами называются углеводороды, содержащие меньшее число атомов водорода, чем предельные углеводороды с тем же числом атомов углерода, и резко отличающиеся от предельных своей способностью легко вступать в различные реакции присоединения. Между

23

атомами углерода в непредельных углеводородах имеются двойные, тройные связи или их комбинации.

Галогенпроизводными углеводородов называются соединения, в которых один или несколько атомов водорода замещены атомами галогенов (фтора, хлора, брома,

йода).

Галогенпроизводные делят на две подгруппы в зависимости от того, производят их от насыщенных или ненасыщенных углеводородов

В пределах каждой подгруппы в зависимости от наличия одного, двух, трех и т.д. атомов галогена различают моногалогенпроизводные, дигалогенпроизводные,

тригалогенпроизводные и т.д.

Галогензамещенные метана и этана (в которых все атомы водорода замещены на галогены) носят название хладоны (фреоны, галоны).

Эти соединения в 5 – 9 раз тяжелее воздуха и в 1,5 – 2 раза тяжелее воды. Это бесцветные или желтоватые жидкости, малорастворимые в воде и хорошо растворимые в органических растворителях. Легколетучи – температура кипения этих соединений от – 580С до 500С; имеют низкие температуры замерзания до – 1150С;

обладают высокой смачивающей способностью и низкой коррозионной активностью;

диэлектрики. Применяются как ингибиторы при горении большинства горючих веществ.

Многие галогенпроизводные используются в качестве промежуточных продуктов при синтезах других веществ (например, хлоропрен при синтезе каучука).

Галогенпроизводные метана и этана – хладоны – используются как эффективные огнетушащие вещества. Они используются для тушения всех классов пожаров, кроме

D (горения металлов). Нормативная огнетушащая концентрация минимальна среди всех огнетушащих веществ до 0,37 кг/м3.

24

Задания, рассматриваемые на теме 3.

1.Физико-химические и пожароопасные свойства углеводородов.

2.Особенности горения углеводородов. Расчет пожарно-технических характеристик.

3.Генетическая связь между классами углеводородов.

4.Применение пожарно-технических расчетов в профессии.

Пример решения задач по теме 3.

Задача 1. Известно, что природный газ содержит в объемных долях 0,9 метана, 0,05 этана, 0,03 пропана и 0,02 азота. Сколько по объему воздуха необходимо для сжигания 1 м3 этого газа при нормальных условиях. Коэффициент избытка воздуха

равен 2,0.

Решение

1.Определяем стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции горения для каждого горючего компонента газовой смеси, составив эти уравнения для горючих газов. В данной задаче горючими газами являются – метан, этан и пропан.

2.По формуле определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения газовой смеси:

Vв.т. = [β1·Ψ1 + β2·Ψ2 + β3·Ψ3 + …-Ψ(О2)] * Vг. / 21

Vв.т. = [ 2 · 0,9 + 3,5 · 0,05 + 5 · 0,03] * 1 / 21 = 3,45 м3.

25

Учитывая коэффициент избытка воздуха: Vв.пр. = 3,45 * 2 = 6,9 м3.

Ответ: Объем практического воздуха равен 6,9 м3.

Задача 2. Определить объем и состав в % продуктов горения, образовавшихся при сгорании 3 кг бензола, температура 20 0С и давление 770 мм.рт.ст. = 1,4

Решение

Составляем уравнение реакции горения бензола в воздухе:

C6H6+7,5(O+3,76N2)=6CO2+3H2O+7,5*3,76N2

Mr(С6Н6) =78а.е.м.

м3/кг

м3

м3

Определим избыток воздуха:

V= 32,5*(1,4-1)= 13м3

Определим практический объем продуктов горения:

м3

Определим объем продуктов горения:

м3

26

м3

м3

м3

Далее определяем процентное содержание продуктов горения:

Задача 3.Рассчитать плотность паров бутана C4H10 при нормальных условиях.

Нормальные условия: t = 0 oC P = 760 мм.рт.ст. Vм = 22,4 м3/кмоль Молярная масса C4H10 =4*12+1*10 = 58 а.е.м.

Задача№ 4. Рассчитать стехиометрическую концентрацию пропана C3H8 t= 27оС

P = 95 кПа.

Решение:

Расчет ведется по формулам:

Уравнение горения пропана в кислороде:

27

C3H8 + 5 O2 3CO2+4H2O

β = 5;

Подставляем все расчетные данные в формулы:

Mr (C3H8 ) = 3*12+1*8 = 44к г/кмоль

кг/кмоль

Задача 5. Какой объем продуктов сгорания в м3 образуется при сгорании 3м3

С2H6 при T= 1350 К.

Решение

Уравнение реакции горения этана:

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

Формула для расчета продуктов сгорания:

,

где n – коэффициенты, стоящие перед CO2 и H2O

далее вычисляем:

Ответ: объем продуктов сгорания равен 269,4 м3.

Задача 6. Составить уравнения реакции горения в кислороде и в воздухе для:

циклопентана, циклогексана и для этилбензола.

Решение

28

Для циклопентана реакции горения:

В кислороде:

С5Н10 + 7,5 О2 = 5СО2 + 5Н2О

В воздухе:

С5Н10 + 7,5 (О2 + 3,76 N2) = 5CO2 + 5H2O + 75 * 3,76 N2

Для циклогексана реакции горения:

- в кислороде:

С6Н12 + 9 О2 = 6СО2 + 6Н2О

- в воздухе:

С6Н12 + 9 (О2 + 3,76 N2) = 6CO2 + 6H2O + 9 * 3,76 N2

Для этилбензола реакции горения:

- в кислороде:

С8Н10 + 10,5 О2 = 8СО2 + 5Н2О

- в воздухе:

С8Н10 + 10,5 (О2 + 3,76 N2) = 8CO2 + 5H2O + 10,5 * 3,76 N2

Применение пожарно-технических расчетов в профессии.

Расчет категорий помещений.

Помещения категории В1 - В4 относятся в соответствии с СП 13130.2009. К

«пожароопасным».

1. Определение пожароопасной категории помещения (СП 13130.2009).

29

Определение пожароопасной категории помещения осуществляется путем сравнения максимального значения удельной временной пожарной нагрузки на любом из участков с величиной удельной пожарной нагрузки, приведенной в таблице.

Удельную временную пожарную нагрузку (далее удельную пожарную нагрузку)

определяем из следующего соотношения: g = Q / SП.Н. , МДж/м2 , где

g - удельная временная пожарная нагрузка, МДж/м2;

Q - пожарная нагрузка, МДж;

SП.Н. - площадь размещения пожарной нагрузки, м2. При расчете площадь размещения пожарной нагрузки не может приниматься менее 10 м2.

Определение категории В по удельной пожарной нагрузке представлено в таблице.

Таблица

Определение величины пожарной нагрузки.

Пожарная нагрузка Q определяется из соотношения Q = G QН , МДж, где

G - количество материала пожарной нагрузки, кг;

QН - низшая теплота сгорания материала пожарной нагрузки, МДж/кг.

30

Если пожарная нагрузка включает в себя различные сочетания (смесь) горючих,

трудногорючих жидкостей, твердых горючих и трудногорючих веществ и материалов в пределах пожароопасного участка, то пожарная нагрузка определяется по формуле:

Q = G1 QH 1 + G2 QH 2 + G3 QH 3 + ... + Gn QH n , МДж,

где G1, G2, G3, ... Gn - количество 1-го, 2-го, 3-го, ... n-го материала пожарной нагрузки, кг;

QH 1, QH 2, QH 3, ... QH n - низшая теплота сгорания 1-го, 2-го, 3-го, ... n-го материалов пожарной нагрузки, МДж/кг.

Расчет удельной пожарной нагрузки и определение категории помещения.

Удельную пожарную нагрузку на каждом из участков размещения пожарной нагрузки определяем из соотношения

g = Q / SП.Н. , МДж/м2 .

Далее по таблице определяем категорию помещения, ориентируясь на величину максимального значения g, рассчитанной для любого из участков.

Вопросы для самоконтроля

1.Приведите 3 возможных соединения, образующихся при реакции изомеризации гексана, назвать их. Записать их пожарную опасность.

2.Какая масса толуола сгорела, если в помещении объемом 150 м3 образовалась взрывоопасная концентрация горючего газа СО? Температура t = -40С, давление Р = 1,1 атм.

образовалась концентрация СО2, равная 8 %. Вычислить массу сгоревшего вещества. t = 220C, p = 107 кПа.

4.Ароматизацией какого алкана можно получить 1,2-диметилбензол? Дать характеристику этому веществу.

5.Назовите природные источники углеводородов и методы их переработки. В чем пожарная опасность этих методов?