Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы теории горения. В 3 частях. Ч.2. Учебное пособие.pdf
31
2. Рассчитывается нижний концентрационный предел углеводородной
смеси в рассматриваемом объеме:
н(см)
н
φ
70% 30%
φ 1,6248%.
70% 30%
φ
1,7708% 1,3627%
φ
l
i
i
l
i
i
i
3. Определяем коэффициент для каждого компонента:
4 10 2 2 2 2 2
C H +6,5O +6,5×3,76N ®4CO +5H O+6,5×3,76N
,
4 10
β С H 6,5
.
или по формуле
4 10 C S H X O P
β С H 0,25 0,5 2,5 4 0,25 10 6,5n n n n n n
.
Для циклогексана коэффициент
6 12 2 2 2 2 2
C H 9O 9 3,76N 6CO 6H O 9 3,76N
,
4 10
β С H 9
или по формуле
6 12 C S H X O P
β С H 0,25 0,5 2,5 6 0,25 12 9n n n n n n
.
4. Рассчитывается верхний предел распространения пламени в рассмат-
риваемом объеме для каждого компонента газовой смеси. Так как у бутана
< 8, а у циклогексана > 8, то расчет будет проходить по разным формулам:
в 4 10
100 100
φ С H 7,34%;
9
3 0.84 10 1,39
4
ak
s i i
si
q bn
в 6 12
100 100
φ C H 7,43%.
6,554 0,768β 6,554 0,768 9
5. Рассчитывается верхний концентрационный предел распространения
пламени в рассматриваемом объеме для всей смеси:
в(см)
в
φ
70% 30%
φ 7,37%.
70% 30%
φ
7,34% 7,43%
φ
l
i
i
l
i
i
i
32
6. Рассчитывается концентрация углеводородной смеси в рассматривае-
мом объеме:
2
г
т
2
св
25 м
φ 0,03125.
800 м
V
V
7. Проводится анализ на взрывопожароопасность заданного состава
горючей смеси:
1,3625 3,125 7,37.
Как видим из приведенного условия заданная смесь газов не удовлетворяет условию взрывопожаробезопасности
н т в
φ φ φ
. Таким образом, смесь
является взрывопожароопасной.
6.5. Варианты заданий для практической работы № 6
№
варианта
Первый компонент
Доля 1-го
компонента
Второй
компонент
Доля 2-го
компонента
Vг, м
2
Vсв, м
2
1
Пентан
53
Метиламин
47
21
511
2
Пропилбензол
1
Пропанол-1
99
42
796
3
2,2-Диметилпропан
41
Циклобутан
59
41
561
4
Этилбензол
87
2,3,3-Триметилгексан
13
47
554
5
Диэтиловый эфир
76
Метилацетат
24
28
508
6
Метилэтиловый
эфир
64
Бутаналь
36
21
880
7
Трет-бутилбензол
58
Этилциклобутан
42
46
458
8
Пентадиен-1,3
98
Бутадиен-1,3
(дивинил)
2
31
374
9
Пара-метилстирол
1
Метанол
99
14
372
10
Стирол
(винилбензол)
28
Бутиламин
72
25
510
11
Этиламин
97
Гептан
3
21
412
12
Амилацетат
64
Гептанол-1
36
26
798
13
Бутилвиниловый
эфир
63
Ацетальдегид
37
17
708
14
2-Метилбутан
45
Цис-бутен-2
55
20
849
15
Гексан
28
Цис-пентен-2
72
35
739
16
Гептен-1
9
Метан
91
37
939
17
Триметиламин
2
Изопропилацетат
98
46
601
18
Дипропиловый эфир
51
Децен-1
49
24
583
33
Продолжение табл. 6.5
№
варианта
Первый компонент
Доля 1-го
компонента
Второй
компонент
Доля 2-го
компонента
Vг, м
2
Vсв, м
2
19
Бутандион-2, 3
5
Бутадиен-1,2
95
49
342
20
Гексен-1
36
Дипропиловый
эфир
64
16
632
21
Бутан
62
n-Пропиламин
38
47
758
22
Дифениловый эфир
39
2-Метилпропен
61
41
621
23
Пропаналь
59
1,2,3-Триметилбензол
41
18
351
24
2-Метилпропан
33
3-Метилбутанон-2
67
10
675
Контрольные вопросы
1. Нижний концентрационный предел воспламенения.
2. Верхний концентрационный предел воспламенения.
3. Условия взрывопожароопасности среды.
4. Причины возникновения верхнего и нижнего концентрационных
пределов воспламенения среды.
5. Влияние температуры на нижний и верхний концентрационные
пределы воспламенения.
6. Влияние давления на нижний и верхний концентрационные пределы
воспламенения.
7. Назначение расчетов нижнего и верхнего концентрационных пределов
воспламенения различных сред.
8. Область воспламенения.
9. Влияние концентрации смеси на температуру вспышки.
34
7. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ
Химическую реакцию окисления можно представить в виде общей формулы
А + O2 Продукты реакции,
где А – углеводородное вещество.
Для инициации процесса реакции для молекул A и O2 необходимо преодолеть только один энергетический барьер. Соответственно все молекулы А и
O2, у которых общая кинетическая энергия больше энергетического барьера Е,
вступят в реакцию с образованием конечных продуктов. Количество молекул,
вступивших в реакцию, пропорционально произведению концентраций сА и сO.
Так как процесс окисления углеводородного вещества имеет многостадийный характер, то скорость w реакции будет определяться самой медленной
стадией реакции окисления по следующему соотношению:
A
AO
1
n
w w kc c
b
, (7.1)
где k – константа скорости;
A
n
w
– скорость образования вещества на самой
медленной стадии окисления углеводородного топлива; (–b) – стехиометрический коэффициент исходных веществ.
С другой стороны, скорость химической реакции для элементарных реакций первого порядка равна
A
A
1
n
n
dc
w kc
b dt
, (7.2)
где t – время.
Полученное дифференциальное уравнение можно решить методом разделения переменных
.
dc
kdtc
(7.3)
35
Тогда интегрируя от 0 до t и от с0 до с, определяем концентрацию:
0
kt
c c e
, (7.4)
где с0 – начальная концентрация исходного компонента.
Основной характеристикой скорости реакции является время полураспада
12
t
. Это время, за которое концентрация уменьшается в 2 раза. Соответствую-
щее соотношение имеет вид
12
0,693
.tk
(7.5)
Из формулы видно, что
12
t
не зависит от концентрации исходного компо-
нента, сильно зависит от константы скорости k.
Для реакции горения, по правилу Ванг-Гоффа протекающей при температуре от 1000 до 2000 К, увеличение температуры на 10 К вызывает увеличение
скорости в 2 – 4 раза.
Для большинства реакций горения константа скорости k определяется по
уравнению Аррениуса:
E
RT
k Ae
, (7.6)
где А – коэффициент; E – энергия активации.
Коэффициент А для элементарных реакций определяется теоретически
на базе молекулярно-кинетической теории, по которой этот коэффициент мало
зависит от температуры.
Проведем вычисление энергии активации и коэффициента A перед экспонентой. Для этого проведем логарифмирование уравнения Аррениуса:
1
ln ln
E
kA
RT
. (7.7)
Если рассматривать уравнение Аррениуса в значениях координаты
1
ln ,kT
то функциональная зависимость будет иметь линейную зависимость
с наклоном под углом к оси абсцисс, а также угловым коэффициентом, соответствующим отношению E/R, и тогда:
36
tgER
; (7.8)
ln ln
E
Ak
RT
. (7.9)
Определение скорости реакции можно осуществить при нескольких температурах, а если известен кинетический закон реакции, то достаточно значение для одной температуры. Для определения константы скорости необходимо
вычисление проводить при разных температурах:
3
12
123
n
nn
w
k
c c c
. (7.10)
Расчет энергии активации проводится по константам скорости при двух
уровнях температур и далее вносится в уравнение:
21
2
2 1 1
ln
R T T
k
E
T T k
. (7.11)
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 7
Цель работы: определить влияние температуры пламени на скорость горения топлива. Установить взаимосвязь между температурой пламени и величиной константы скорости химической реакции окисления.
Порядок выполнения
1. В соответствии с вариантом задания (табл. 7.1) сформировать исход-
ные данные для выполнения задания.
ln k
1/T
37
7.1. Варианты заданий для практической работы № 7
№
п/п
Реакция
График
Температура, К
T1 T
2
1
CH4 + 2O2CO2 + 2H2O
Рис. 7.1
500
510
2
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Рис. 7.2
490
510
3
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Рис. 7.3
480
500
4
CH4 + 2O2CO2 + 2H2O
Рис. 7.4
480
490
5
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Рис. 7.5
480
490
6
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Рис. 7.6
470
480
7
C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O
Рис. 7.7
600
620
8
C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O
Рис. 7.8
580
640
9
C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O
Рис. 7.9
590
630
10
C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O
Рис. 7.10
610
650
11
C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O
Рис. 7.11
620
660
12
C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O
Рис. 7.12
630
680
13
2CO + O2 2CO2
Рис. 7.13
950
1000
14
2CO + O2 2CO2
Рис. 7.14
970
1050
15
2CO + O2 2CO2
Рис. 7.15
980
1040
16
2CO + O2 2CO2
Рис. 7.16
990
1060
17
2CO + O2 2CO2
Рис. 7.17
1000
1050
18
2CO + O2 2CO2
Рис. 7.18
1010
1040
19
2H2 + O2 2H2O
Рис. 7.19
530
550
20
2H2 + O2 2H2O
Рис. 7.20
540
560
21
2H2 + O2 2H2O
Рис. 7.21
550
570
22
2H2 + O2 2H2O
Рис. 7.22
560
580
23
2H2 + O2 2H2O
Рис. 7.23
570
590
24
2H2 + O2 2H2O
Рис. 7.24
580
600
0,01
0,02
0,03
0,04
0
t, c
0,001
0,002
0,003
0,004
0
c,
моль
л
T
1
T
2
Рис. 7.2
Рис. 7.1
0,01
0,02
0,03
0,04
0
t, c
0,001
0,002
0,003
0,004
0
c,
моль
л
T
1
T
2
38
0,01
0,02
0,03
0,04
0
t, c
0,001
0,002
0,003
0,004
0
c,
моль
л
T
1
T
2
Рис. 7.3
Рис. 7.4
T
2
t, c
c,
моль
л
T
1
0
0,001
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,002
0,003
0,004
T
2
t, c
c,
моль
л
T
1
0
0,001
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,002
0,003
0,004
Рис. 7.5
T2 T
1
Рис. 7.6
t, c
0
0,001
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,002
0,003
0,004
c,
моль
л
T
1
T
2
1
2
3
0
t, 10–7 c
0,001
0,002
0
c,
моль
л
Рис. 7.7
T
1
T
2
1
2
3
0
t, 10–7 c
0,001
0,002
0
c,
моль
л
Рис. 7.8
39
Т2
Т1
0
1 2 3
t, 10–7 c
0
1
2
c, 10
–3
моль/л
Рис. 7.10
Рис. 7.9
0
1 2 3
t, 10–7 c
0
1
2
c, 10
–3
моль/л
Т2
Т1
Т2
Рис. 7.11
Т1
0 1 2
3
t, 10–7 c
0
1
2
c, 10
–3
моль/л
Т2
Т1
0 1 2
3
t, 10–7 c
0
1
2
c, 10
–3
моль/л
Рис. 7.12
T2 T
1
t, 10–2 c
0
1 0 1
2
3
4
2
3
4
c, 10
–3
моль
/л
Рис. 7.13
T2 T
1
t, 10–2 c
0
1
0
1
2
3
4
2
3
4
c, 10
–3
моль
/л
Рис. 7.14
40
t, 10–2 c
0 1 0
1
2
3
4
2 3 4
c, 10
–3
моль
/л
Рис. 7.15
T1 T
2
t, 10–2 c
0 1 0
1
2
3
4
2 3 4
c, 10
–3
моль
/л
Рис. 7.16
T
1
T
2
T
1
t, 10–2 c
0 1 0
1
2
3
4
2 3 4
c, 10
–3
моль
/л
Рис. 7.17
T2 T
1
t, 10–2 c
0 1 0
1
2
3
4
2 3 4
c, 10
–3
моль
/л
Рис. 7.18
T
2
T
1
t, 10–3 c
0
0
1
2
3
4
1
2
c, 10
–3
моль
/л
Рис. 7.19
T2 T
1
t, 10–3 c
0
0
1
2
3
4
1
2
c, 10
–3
моль
/л
Рис. 7.20
T
2