Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Учебное пособие (практикум)
.pdf
banBH
100
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
0
100
р
ен
р
BH
tС
В
АР
lg
i
ВН
i
СМ
ВН
1
Нижний и верхний КПР пламени могут быть определены по
аппроксимационной формуле
(6.3)
где n – стехиометрический коэффициент при кислороде в уравнении химической реакции; а и b эмпирические константы, значение
которых приведены в табл. 6.1
Таблица 6.1
Эмпирические константы
Концентрационные пределы распространения пламени паров
жидких и твердых веществ могут быть рассчитаны, если известны
температурные пределы
(6.4)
где р
– давление насыщенного пара вещества при температуре,
н(е)
соответствующей нижнему (верхнему) пределу распространения
пламени, Па;
pо – давление окружающей среды, Па.
Давление насыщенного пара может быть определено по уравнению Антуана:
где А, В, С – константы Антуана;
t – температура, 0С , (температурные пределы)
Для расчета концентрационных пределов распространения
пламени смесей горючих газов используют правило Ле-Шателье:
(6.5)
(6.6)
- 41 -
СМ
ВН
i
ВН
i
1
12
1
12
ТТ
ТТ
Г
НН
ТТ
1
12
1
12
Т
Г
Т
ТТ
Т
В
Т
В
1
Т
Н
2
Т
Н
1
Т
В
2
Т
В
безО
2
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 иметь при этом в виду, что ∑μi = 1, т. е. концентрация
горючих компонентов газовой смеси принимается за 100 %.
Если известны концентрационные пределы распространения
пламени при температуре Т1, то при температуре Т2. они вычисляются по формулам
, (6.7)
, (6.8)
где
,
– нижний концентрационный предел распростра-
нения пламени соответственно при температурах Т2. и Т1;
и
– верхний концентрационный предел распростра-
нения пламени соответственно при температурах Т1 и Т2;
Т
– температура горения смеси.
Г
Приближенно при определении НКПР пламени Тг принимают
1550 К, при определении ВКПР пламени –1100К.
При разбавлении газовоздушной смеси инертными газами (N2,
СО
О пары и т. п.) область воспламенения сужается: верхний
2 Н2
предел снижается, а нижний – возрастает. Концентрация инертного газа (флегматизатора), при которой нижний и верхний пределы
распространения пламени смыкаются, называется минимальной
флегматизирующей концентрацией φф. Содержание кислорода такой системе называют минимальным взрывоопасным содержанием кислорода МВСК. Некоторое содержание кислорода ниже
МВСК называют безопасным
.
- 42 -
100
''
1
''
''0'
imi
h
Ф
h
imi
h
Ф
h
f
H
f
h
Ф
844,4
100
2
Ф
O
2,4
2
2,1
2
OБЕЗO
0
f
H
'
f
h
''
i
h
''
Ф
h
i
m
Расчет указанных параметров проводят по формулам
(6.10)
(6.11)
(6.9)
где
– стандартная теплота образования горючего, Дж/моль;
,
,
–константы, зависящие от вида химического
элемента в молекуле горючего и вида флегматизатора;
– количество атомов i-го элемента (структурной группы)
в молекуле горючего.
Некоторые примеси оказывают существенное влияние на пределы горючести. Различают две группы таких примесей: ингибиторы и разбавители. Ингибиторы – галогенуглеводороды. Уже при
небольшом содержании они делают негорючими смеси оксида,
водорода или углеводородов с воз- духом. Основную роль здесь
играет влияние ингибитора на уменьшение скорости реакции и,
следовательно, к увеличению теплопотерь. Добавление инертных
газов – разбавителей сужает пределы области воспламенения и
при определенных соотношениях делает смесь негорючей. Это
влияние в общем пропорционально теплоемкости добавки. Так,
углекислый газ СО2, имеющий большую величину теплоемкости
по отношению к азоту N2, снижает горючесть сильнее. Для смесей,
содержащих несколько горючих газов, предел горючести (НКПВ,
ВКПВ) можно определить по формуле Ле-Шателье, основанной на
предположении аддитивности горючести газов.
Вопросы и задания
1. Рассчитать концентрационные пределы распространения
пламени паров i-ro вещества в воздухе. Результаты расчета сравнить с имеющимися справочными данными и определить относительную ошибку.
- 43 -
Вариант
Вещество жидкость
1
Амилбензол
2
Н-Амиловый спирт
3
Анизол
4
Анилин
5
Бутилацетат
6
Бутиловый спирт
7
Бензол
8
Диэтиловый эфир
9
Ксилол
10
Уайт-спирит
11
Этиленгликоль
12
Трет-Амиловый спирт
13
Гексан
14
Метиловый спирт
15
Толуол
16
Стирол
17
Пентан
18
Этанол
19
Амилметилкетон
20
Бутилбензол
21
Бутилвиниловый эфир
Таблица 6.2
Исходные данные
2. Домашнее задание
Задача 1. Рассчитать концентрационные пределы
распространения пламени смеси, состоящей из 30 об. % пропана и
70 об. % этана.
Задача 2. Рассчитать концентрационные пределы
распространения пламени метана в г/м3 при температуре 134 0С.
Задача 3. Рассчитать концентрационные пределы
распространения пламени метана в г/м3 при температуре 136 0С.
Рекомендуемая литература: [1, 2, 4, 6, 8]
- 44 -
ТЕМА 7. РАЗВИТИЕ ГОРЕНИЯ
7. Расчет нижних концентрационных пределов
воспламенения
Цель практического занятия: научиться проводить расчеты
нижних концентрационных пределов воспламенения.
Знания и умения, приобретаемые студентом в результате
освоения темы занятия, формируемые компетенции или их части: способность работать самостоятельно (ОК-8); способность ис-
пользовать законы и методы математики, естественных, гуманитарных и экономических наук при решении профессиональных задач
(ОК-11); способность применять на практике навыки проведения и
описания исследований, в том числе экспериментальных (ОК-16).
Актуальность темы практического занятия: овладение ме-
тодами расчета параметров пожарной опасности веществ необходимо для практической деятельности студентов.
Теоретическая часть
Из теории горения следует, что по мере понижения содержания недостающего компонента горючей смеси, а с ним и температуры горения, уменьшается нормальная скорость пламени. Теория
не накладывает каких-либо ограничений на возможность уменьшения скорости пламени при обеднении горючей смеси. Нормальная скорость пламени ин может, казалось бы, уменьшаться до нуля,
а температура горения – до температуры исходных газов.
В реальных условиях существуют тепловые потери, которые
нарушают адиабатичность сгорания.
Скорость неадиабатического пламени уменьшается при охлаждении зоны горения. Однако эта зона отдает непосредственно в
окружающее пространство небольшое количество тепла. Более
интенсивны тепловые потери, связанные с охлаждением слоев газа, прилегающих к пламени. При этом температура остывающих
продуктов сгорания оказывается меньше температуры зоны реакции и возникает температурный градиент, направленный в сторону
сгоревшего газа. В результате зона реакции охлаждается путем
теплопроводности. В тепловых потерях участвует также и нагретая, но несгоревшая смесь, передающая в конечном счете тепло
зоны реакции в окружающее пространство.
- 45 -
Относительная роль теплопотерь за счет теплопроводности к
стенкам сосуда и излучения возрастает с уменьшением скорости
горения, так как при этом продолжительность процесса теплоотдачи от нагретого газа больше. При определенном критическом
значении тепловых потерь зона реакции прогрессивно охлаждается, реакция тормозится, и пламя затухает. Этот режим соответствует пределу распространения пламени.
При изучении механизма теплового самовоспламенения было
показано, что превышение теплоприхода над теплоотводом, приводящее к саморазогреву и воспламенению горючей смеси, начинается
при температуре стенок сосуда То=Ткр. При этом мы рассматривали
определенный состав смеси, то есть соотношение горючего и окислителя, изменяя температуру стенок реакционного сосуда.
Теперь рассмотрим случай, когда температура стенок
Т
=const, а изменяется концентрация компонентов смеси.
о
Величина тепловыделения, скорость пламени и температура
горения достигают максимального значения для стехиометрических смесей (q
1
max
).
При удалении состава смеси от стехиометрического возрастают потери тепла из зоны пламени на нагрев избытка компонента.
Это приводит к снижению теплового эффекта реакции, прогрессивному охлаждению зоны горения и уменьшению скорости распространения пламени до Uпр (кривая q
кр
). При снижении количе-
1
ства горючего (бедные смеси) или окислителя (богатые смеси)
больше критического пламя гаснет либо, с другой стороны, невозможно поджечь такую смесь внешним импульсом тепла (q1).
Таким образом, скорость пламени не может быть меньше
определенного критического значения. Распространение пламени
в смесях горючего и окислителя возможно лишь в определенном
интервале концентраций. При поджигании смесей, состав которых
выходит за эти пределы, стационарное пламя не образуется, и реакция, вызванная поджигающим импульсом, затухает на некотором расстоянии от места ее инициирования. При выходе составов
за эти пределы стационарное пламя затухает.
Для смесей горючего и окислителя принято различать верх-
нюю π
и нижнюю π
max
предельные концентрации горючего,
min
которыми ограничена область взрывоопасных составов. Эти пределы являются важнейшей характеристикой взрывоопасное
- 46 -
горючих газов и паров. Они зависят в основном от содержания
инертных компонентов в смеси и в меньшей степени – от давления
и температуры. С повышением начальной температуры смеси π
снижается, а π
повышается, поскольку в смесь вносится внеш-
max
min
нее физическое тепло.
Изменение начального давления смеси влияет на пределы поразному. Так, для смеси водорода с воздухом они почти не изменяются, в то время как для окиси углерода резко сужаются и при
20 атм смеси становятся невзрывоопасными.
Значения π
min
и π
определяют границы составов смесей, со-
max
держащих горючее и окислитель, образование которых не связано с
опасностью взрыва. Исходя из этих величин, определяют возможно-
сти выбора безопасных составов в технологических процессах.
Значения концентрационных пределов несколько зависят от
формы и направления распространения пламени в сосуде, в котором
изучается горение. При поджигании у верхнего конца вертикальной
трубы распространение пламени возможно в более узком интервале
концентраций, чем при поджигании у нижнего конца. Эта особенность обусловлена возникновением конвективных потоков, поднимающих вверх нагретые продукты сгорания и тем самым облегчающих распространение пламени вверх у предельных составов.
Ниже приведены значения концентрационных пределов распространения пламени вверх для воздушных и кислородных смесей различных горючих при атмосферном давлении и комнатной
температуре.
Таким образом, по мере удаления состава смеси от стехиометрического или увеличения содержания инертного компонента
температура горения, а с нею и нормальная скорость пламени
настолько понижаются, что потери излучением приводят к заметной неадиабатичности горения. При дальнейшем понижении концентрации недостающего компонента достигается критическое
значение ин, и горение становится невозможным. Так, потери излучением, не зависящие от аппаратурных условий, становятся
важнейшим фактором, определяющим границы стационарного
горения в бесконечном пространстве. Их значение устанавливают
концентрационные пределы распространения пламени.
Для расчетов используется методика, приведенная в практическом занятии 6.
- 47 -
n
1i
н(в)i
i
смн(в),
100
i
н(в)i
3
107,128
4,22
10003,2882
%42,1
1037,128
1001830
Н
Н
%25100
9,1
42,19,1
Н
Методика расчета концентрационных пределов
распространения пламени смеси газов
1. Находим нижний и верхний концентрационные пределы
распространения пламени веществ, входящих в состав смеси, при
стандартных условиях.
2. Расчет нижнего и верхнего концентрационных пределов
распространения пламени смеси нескольких паров или газов ведут
по формуле Ле-Шателье, которая выражает правило смешения.
В основу формулы положено предположение, что несколько газов,
находящихся на Н(В)КПР, при смешении образуют смесь, также
находящуюся на нижнем (верхнем) пределе воспламенения. Формула Ле-Шателье справедлива для пода вляющего большинства
смесей веществ, не вступающих в химическую реакцию.
, % (об.)
где
– концентрации горючих компонентов в смеси, об. %;
– НКПР или ВКПР каждого компонента в смеси, об. %.
Пример. По предельной теплоте сгорания определись нижний концентрационный предел воспламенения бутана в воздухе.
Решение. Для расчета по формуле (6.1) находим низшую теплоту сгорания вещества 2882,3 кДж/моль. Эту величину надо перевести в другую размерность – кДж/м3:
кДж/м3
По формуле (6.1) определим нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР)
Находим, что экспериментальное значение
– 1,9%. Отно-
сительная ошибка расчета, следовательно, составила
.
- 48 -
Вариант
Вещество газ
1
Ацетилен
2
Метан
3
Окись углерода
4
Этан
5
Водород
6
Пропан
7
Сероводород
8
Бутан
9
Ацетилен
10
Метан
11
Окись углерода
12
Этан
13
Водород
14
Пропан
15
Сероводород
16
Бутан
17
Метан
18
Этан
19
Пропан
20
Бутан
21
Окись углерода
Вопросы и задания
1. Рассчитать концентрационные пределы распространения
пламени паров i-ro вещества в воздухе. Результаты расчета сравнить с имеющимися справочными данными и определить относительную ошибку.
Таблица 7.1
Исходные данные
нения пламени метана в г/м3 при температуре 138 0С.
нения пламени метана в г/м3 при температуре 140 0С.
2. Домашнее задание
Задача 1. Рассчитать концентрационные пределы распростра-
Задача 2. Рассчитать концентрационные пределы распростра-
- 49 -
Задача 3. Рассчитать концентрационные пределы распростра-
нения пламени метана в г/м3 при температуре 142 0С.
Задача 4. Рассчитать концентрационные пределы распростра-
нения пламени метана в г/м3 при температуре 145 0С.
Рекомендуемая литература: [2, 3, 7, 8]
- 50 -
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]