Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Учебное пособие (практикум)
.pdf
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
22
Ацетилен
23
Водород
24
Метан
25
Ацетилен
26
Метан
27
Окись углерода
28
Этан
29
Водород
30
Пропан
Рекомендуемая литература: [2, 5, 6, 9]
- 81 -
2
1
РР
Ц
ММ
m
Ц
ii
cp
m
Cm
l
ТЕМА 15. ФИЗИЧЕСКИЙ ВЗРЫВ
И УСЛОВИЯ ЕГО ВОЗНИКНОВЕНИЯ
15. Расчет стандартной температуры самовоспламенения
Цель практического занятия: научиться проводить расчеты
по определению стандартной температуры самовоспламенения.
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
Расчет стандартной температуры самовоспламенения
Температура самовоспламенения – минимальная температура
газо-(паро-) воздушной смеси, при которой происходит ее воспламенение без влияния высокоэнергетического источника зажигания.
Расчет температуры самовоспламенения проводят в следующей последовательности.
Определяют количество углеродных цепей
, (15.1)
где mЦ – общее число цепей;
М
– количество функциональных групп в молекуле горючего
Р
вещества -СН3, -ОН, фенил. Фенильная группа может быть как
концевой, так и в середине цепи.
Определяют длину каждой цепи (количество атомов углерода)
и среднюю длину цепи
(15.2)
где С
– количество атомов y углерода в i-й цепи.
i
- 82 -
CP
l
C
l 5116300
CP
l
538300
CP
l
C
l
CP
l
V
S
При определении, Сi надо иметь в виду, что группа -OН удлиняет цепь, а фенильная группа уменьшает её на один атом углерода.
По справочным данным по средней длине цепи определяют
температуру самовоспламенении. Температуру самовоспламенения можно также рассчитать по формулам
при
при
≤5; (15.3,а)
>5; (15.3,б)
На практике достаточно часто встречаются случаи самопроизвольного возникновения горения горючих веществ, когда горение
в горючей системе возникает без внешнего источника зажигания.
Такое возникновение горения в газо- и паровоздушных смесях
называют самовоспламенением. Как правило, самовоспламенение
в горючих газо- и паровоздушных смесях происходит при повышенных температурах, т.е. при условиях, способствующих протеканию химической реакции между горючим и окислителем.
Рассмотрим кратко причины, приводящие к возникновению
горения в такой системе. Представим себе газо- или паровоздушную смесь, находящуюся при повышенной температуре, при которой в ней с заметной скоростью происходит экзотермическая реакция. Тепло, выделяющееся в горючей системе в результате химической реакции, будет приводить к ее саморазогреву. Чем выше
температура горючей смеси, тем выше скорость химической реакции, соответственно выше скорость тепловыделения в системе.
Скорость тепловыделения (q+) пропорциональна скорости химической реакции (W
х.р.
)
q+ = Q W
, (15.4)
х.р.
где Q – тепловой эффект химической реакции.
С повышением температуры (Т) в реагирующей системе увеличивается и скорость оттока тепла (q-) в окружающую среду, которая пропорциональна разнице температур
q- =
где – коэффициент теплоотдачи;
S – площадь поверхности теплообмена;
V – объем горючей системы;
- 83 -
(Т То), (15.5)
Т
– температура окружающей среды (начальная температура
о
горючей системы).
Таким образом, повышение температуры реагирующей системы в результате ее саморазогрева в зависимости от температуры
среды, окружающей систему, приводит к увеличению скорости
одновременно двух процессов: тепловыделения в системе и теплоотвода из нее. Повышение температуры в системе может приводить либо к выравниванию q+ и q- и наступлению теплового равновесия, либо все большему расхождению между величинами q+ и q-,
прогрессирующему саморазогреву и следующему за этим тепловому взрыву. Тепловой взрыв в горючих газо- и паровоздушных
смесях приводит к самовоспламенению. Минимальная температура горючей смеси, при которой прогрессирующий саморазогрев
системы приводит к тепловому взрыву и появлению пламени,
называется температурой самовоспламенения. На практике за
температуру самовоспламенения принимают минимальную температуру стенок сосуда, при которой горючая смесь, помещенная в
этот сосуд, воспламеняется. Температура самовоспламенения является одним из важнейших показателей пожарной опасности.
Температуру самовоспламенения предельных углеводородов,
одноатомных спиртов и ароматических соединений можно приближенно рассчитать по средней длине углеродной цепи молекулы.
Для экспериментального определения температуры самовоспламенения горючих жидкостей используют реакционный сосуд,
представляющий собой коническую колбу из кварцевого стекла,
помещенную в нагревательную печь. В нагретый сосуд с помощью
микропипетки вводят определенное количество испытуемой жидкости. Жидкость в сосуде испаряется и, смешиваясь с воздухом,
образует горючую паровоздушную смесь. В зависимости от температуры стенок сосуда горючая смесь либо самовоспламеняется,
либо нет. Изменяя температуру стенок сосуда, находят минимальную температуру, при которой паровоздушная смесь воспламеняется, и это значение принимают за температуру самовоспламенения. Поскольку температура самовоспламенения зависит от концентрации горючего вещества в паровоздушной смеси, опыты повторяют с другим количеством испытуемой жидкости до тех пор,
пока не будет установлено минимальное значение температуры
самовоспламенения для данного вещества. За температуру само-
- 84 -
Т
св
н
стех
в
г
воспламенения Т
полученное по результатам экспериментального исследования зависимости температуры самовоспламенения от объема вводимой
жидкости (или концентрации горючего вещества). Вид такой зависимости показан на рис. 15.1. Как правило, минимальное значение
температуры самовоспламенения имеют стехиометрические смеси,
или смеси, близкие к стехиометрическим. Поэтому если известна
химическая формула исследуемого вещества, то по уравнению горения предварительно рассчитывают стехиометрическую концентрацию вещества и определяют, какое количество жидкости необходимо ввести, чтобы в сосуде установилась концентрация, близкая к стехиометрической.
вещества принимают ее минимальное значение,
св
Рисунок 15.1. Зависимость температуры самовоспламенения
от концентрации горючего вещества в паровоздушной смеси
Формулу, связывающую концентрацию горючего (
) в паро-
г
воздушной смеси в сосуде объемом Vс, нагретом до температуры
- 85 -
ж
ж
ρ
m
т
пар
V
V
100
φ
г
оатм
сво
ТР
ТР
жocвo
атмocг
ж
ρ100
Mφ
PTV
PTV
V
6
2
144
Ц
m
mi 1-6
7-6
8-6
1-7
1-8
7-8
Ci 6 6 6 3 3
3
Т
с объемом вводимой жидкости Vж, можно получить из следую-
св
щих простых соображений:
где Vж и
Vж =
ж
, mж = М
, V
пар
= V
, Vт
= V
о
с
, (15.6)
– объем и плотность вводимой горючей жидкости;
М – масса одного моля горючего вещества (жидкости);
V
– объем паров горючей жидкости в сосуде;
пар
Vт – объем одного моля газа (пара) при условиях опыта
(Тсв, Р
атм
);
Vо = 22,4 л/моль – объем одного моля газа (пара) при нормаль-
ных условиях (То = 273 К; Ро = 101,3 кПа).
Из этого следует, что
. (15.7)
Формула (15.7) позволяет рассчитывать объем горючей жидкости, который необходимо ввести в сосуд для того, чтобы в нем
образовалась паровоздушная смесь с концентрацией горючего
г
И, наоборот, по известному объему вводимой горючей жидкости
определять концентрацию горючего в паровоздушной смеси, образующейся в реакционном сосуде.
Пример 1. Рассчитать температуру самовоспламенения 2,2диметилгексана.
Решение. Запишем структурную формулу горючего вещества
и определим количество цепей
.
МР = 4, так как в молекуле содержится четыре группы –CH3.
2. Находим длину каждой цели и среднюю длину
- 86 -
5,4
6
3363
CP
l
5,45
m
i
1-3
3-4
1-4
C
i
2+1
2+1
3
3
3
63
CP
l
35
%9,1100
693
693706
%3,6100
693
693737
По справочным данным определяем, что температура самовоспламенения равна 643 К. по формуле (15.3,б)
tС=300+116
Пример 2. Рассчитать температуру самовоспламенения
изопропилового спирта.
Решение. Исходя из структурной формулы вещества, опреде-
лим количество цепей
1 2 3
СН3—СН—ОН
МР = 3, так как в молекуле содержится две группы –CH
на группа –ОН
Находим длину каждой цели и среднюю длину
В цепях 1-3 и 3-4 содержится по два атома углерода и одна
группа –ОН, которая удлиняет цепь на один атом углерода
=328 оС или 655 К
4|
СН3
И од-
3
По приложению находим, что температура самовоспламенения изопропилового спирта равна 706 К; по формуле (15.10)
tС=300+116
=464 оС или 737 К,
согласно справочным данным, температура самовоспламенения
равна 693К.
Относительная ошибка расчета с использованием таблицы составляет
Если расчет вести по формуле (4.10), она возрастает до
- 87 -
m
i
1-4
1-2
2-4
C
i
3-1
1-1
2-1
0,1
3
110121
CP
l
Номер
вари-
анта
Вещество
Предельный
углеводород
Ароматический
углеводород
1
4, 4 – диметилгептан
1, 2 – диметилбензол
2
Изопентан
1, 3 – диметилбензол
3
2, 3 – диметилоктан
1, 4 – диметилбензол
4
3 – метилгексан
1, 2, 3 – триметилбензол
5
2, 3 – диметилпентан
1, 2, 4 – триметилбензол
6
2 – метилбутан
1, 3, 5 – триметилбензол
7
2, 4 – диметилгексан
Толуол
8
2, 2, 4 – триметилбутан
о-Ксилол
9
2, 4 – диметилпентан
м-Ксилол
СН
2
СН3
СН
3
1
Пример 3. Определить температуру самовоспламенения вещества 1-метил-4-этилбензола.
Решение. Структурная формула вещества
МР =3, так как в молекуле две метильные и одна фенильная
группы.
Определим длину цепей
Длина цепи уменьшается па один атом углерода, так как в нее
входит фенильная группа
По справочным данным определяем, что температура самовоспламенения равна 712 К.
Вопросы и задания
Рассчитать стандартную температуру самовоспламенения i-го
вещества. Сравнить расчетное значение с имеющимися справочными данными и определить относительную ошибку расчета.
- 88 -
10
Изобутан
n-Ксилол
11
2, 2 – диметилбутан
1, 2 – диметилбензол
12
2, 2 – диметилпентан
1, 3 – диметилбензол
13
Тетраметилметан
1, 4 – диметилбензол
14
2, 4, 6 – триметилнонан
1, 2, 3 – триметилбензол
15
1, 3, 5, 7 – тетраметилнонан
1, 2, 4 – триметилбензол
16
4, 4 – диметилгептан
1, 3, 5 – триметилбензол
17
Изопентан
Толуол
18
2, 3 – диметилоктан
о-Ксилол
19
3 – метилгексан
м-Ксилол
20
2, 3 – диметилпентан
n-Ксилол
21
2 – метилбутан
1, 2 – диметилбензол
22
2, 4 – диметилгексан
1, 3 – диметилбензол
23
2, 2, 4 – триметилбутан
1, 4 – диметилбензол
24
2, 4 – диметилпентан
1, 2, 3 – триметилбензол
25
Изобутан
1, 2, 4 – триметилбензол
26
2, 2 – диметилбутан
1, 3, 5 – триметилбензол
27
2, 2 – диметилпентан
Толуол
28
Тетраметилметан
о-Ксилол
29
2, 4, 6 – триметилнонан
м-Ксилол
30
1, 3, 5, 7 – тетраметилнонан
n-Ксилол
Рекомендуемая литература: [2, 3, 7, 8]
- 89 -
ТЕМА 16. УДАРНАЯ ВОЛНА И ЕЕ ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
16. Потенциал горючести
Цель практического занятия: изучить классификацию ве-
ществ и материалов по горючести освоить способ расчета потенциала горючести химических веществ; уметь оценивать флегматизирующую и огнетушащую эффективность химически активных
ингибиторов, инертных газов.
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
Потенциал горючести является наиболее комплексным показа-
телем горючести вещества. С его помощью можно сравнить степень
горючести газов и паров, рассчитывать состав смесей с заданной горючестью, оценивать флегматизирующую и огнетушащую эффективность химически активных ингибиторов, инертных газов.
Потенциал горючести представляет собой избыточную (со
знаком минус) или не достаточную (со знаком плюс) энергию, заключенную в горючей системе, по условиям.
Потенциал горючести, отнесенный к некоторым условиям горения, называет приведенным потенциалом горючести.
Из определения следует если:
∆Пг<0 – смесь горючая;
∆Пг>0 – смесь не является горючей;
∆Пг=0 – смесь предельна по горючести.
Для многокомпонентных смесей:
∆Пг, см = (16.1)
- 90 -
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]