Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
материального и теплового баланса процессов горения, поскольку часть
Элементы, входящие в состав
горючего вещества
Продукты горения
Углерод С
Углекислый газ СО2
Водород Н
Вода Н2О
Сера S
Оксид серы (IV) SO2
Азот N
Молекулярный азот N2
Фосфор Р
Оксид фосфора (V) Р2О5
Галогены F, Cl, Br, I
Галогеноводороды HCl, HF, HBr, HI
теплоты расходуется на его нагревание.
При составлении материального баланса процессов горения различных
горючих веществ и материалов записываются уравнения реакций окисления
либо для элементов, входящих в состав горючего, либо для конкретных
химических соединений.
Методика расчета материального баланса процессов горения
определяется составом и агрегатным состоянием вещества. Свои особенности
имеет расчет для индивидуальных химических соединений, для смеси газов и
для веществ сложного элементного состава.
При решении практически всех задач важно правильно составлять
уравнений реакции горения. При составлении уравнений необходимо
придерживаться следующих правил:
1. В левой части уравнения записываем горючее вещество и окислитель.
Следует помнить, что в пожарно-технических расчетах принято все величины
относить к 1 молю горючего вещества. Это, в частности, означает, что в
уравнении реакции горения перед горючим веществом коэффициент всегда
равен 1.
2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения
согласно таблице № 2.1
Таблица № 2.1 – Состав продуктов горения в зависимости от состава
исходного горючего вещества
При температуре горения ниже 2000оС азот не вступает в реакцию
горения. Следовательно, в условиях реального пожара, при температуре
31
обычно не превышающей значения 1500 – 1600оС, принимают, что азот
выделяется в свободном виде (N2). Следовательно, 3,76 молей N2 из воздуха
переходят в неизменном виде в продукты горения.
3. Атомы кислорода, входящие в состав молекул горючего вещества,
участвуют в реакции горения в качестве окислителя, как кислород воздуха.
4. Уравниваем правую и левую часть уравнения брутто до момента
получения равенства исходных веществах (левая часть уравнения) и
получившихся из них продуктах горения (правая часть уравнения)
5. Перед формулой углекислого газа ставится коэффициент равный
количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества. Далее
уравниваются атомы водорода. И в последнюю очередь уравниваются атомы
кислорода. Атомы кислорода рассчитываются в правой части уравнения и
учитываются атомы кислорода, содержащиеся в молекуле горючего вещества.
Количество атомов каждого вещества в левой и правой частях уравнений
должно быть равным.
Балансы элементарных реакций позволяют рассчитать массовые
расходы кислорода и количество продуктов реакции, приходящиеся на
единицу массы рассматриваемого элемента или вещества.
Рассмотрим основные методы расчета.
Горючее вещество – индивидуальное химическое соединение.
Если горючее вещество представляет собой определенный химический
элемент или соединение, то для него можно записать уравнение химической
реакции горения. В этом случае независимо от агрегатного состояния
вещества (твердое, жидкое или газообразное) необходимое для полного
сгорания количество воздуха определяется непосредственно по уравнению
реакции горения.
Для проведения расчетов необходимо знать относительные
молекулярные массы основных веществ, участвующих в горении.
Отметим, что азот воздуха не участвует в горении и является инертным
веществом, так же, как и входящие в состав воздуха инертные газы.
32
Горючее вещество – смесь газов.
К этой группе веществ относятся технические горючие газы –
природный, светильный, водяной, генераторный, и другие. Все они могут
содержать окись углерода СО, метан СН4, водород Н2, сероводород Н2S и
другие компоненты. Кроме того, они могут содержать азот N2 и кислород О2.
Азот, как было отмечено ранее, является инертным веществом и не участвует
в реакции горения. Содержащийся в газах кислород является окислителем, и
при составлении уравнений баланса массы вычитается.
Исходными данными для расчета являются процентный состав газа
(объем. %), температура Т и давление воздуха Р.
Горючее вещество – смесь сложных химических соединений
Многие горючие вещества являются сложными химическими
соединениями или смесями, которые трудно или невозможно описать
определенной химической формулой (например, древесина, торф, уголь,
нефтепродукты и т.д.)
Элементарный состав таких соединений записывается в виде
эквивалентной формулы или суммы содержания в них элементарных веществ
(масс. %) – углерода, водорода, кислорода, серы, азота. Определение
элементарного состава вещества производится лабораторным анализом. Если
в состав топлива входят влага W (вода) и зола А (негорючие вещества), то
элементарный состав записывается с учетом этих компонентов.
Тепловой баланс горения
Расчет теплового баланса процесса горения газообразных, жидких и
твердых горючих веществ и материалов сводится к решению следующих
задач:
– определению теплоты горения (теплотворной способности) горючих
веществ;
– определению температуры горения.
Химические реакции сопровождаются выделением или поглощением
теплоты. При выделении теплоты реакция называется экзотермической, а при
33
поглощении – эндотермической. Выделяемая (или поглощаемая) при
протекании химической реакции теплота называется теплотой реакции.
В экзотермических реакциях она положительна, в эндотермических –
отрицательна.
Теплота горения Qг (Дж/моль) – количество теплоты, которое
выделяется при полном сгорании одного моля или 1 кг или 1 м3 вещества и
превращении горючего вещества в продукты полного горения.
Один моль – это такое количество вещества, в котором находится
столько же частиц (атомов, молекул и т.д.), сколько содержится атомов в 12 г
изотопа углерода – 12. Масса количества вещества, равного 1 моль
(молекулярная или молярная масса), численно совпадает с относительной
молекулярной массой данного вещества.
Теплотой сгорания называется тепловой эффект химической реакции
взаимодействия горючего вещества с кислородом с образованием продуктов
полного окисления.
Различают низшую и высшую теплоту сгорания.
Низшая теплота сгорания – количество тепла, выделившееся при полном
сгорании 1 кг, 1 м3, 1 кмоль вещества при условии, что водород, содержащийся
в горючем веществе, сгорает с образованием воды, которая выделяется из зоны
реакции в парообразном состоянии.
Высшая теплота сгорания – количество тепла, выделившееся при
полном сгорании 1 кг, 1 м3, 1 кмоль вещества при условии, что водород,
содержащийся в горючем веществе, сгорает с образованием воды, которая
выделяется в жидком состоянии.
По сути, это удельная теплота сгорания, но термин «Удельная»
постепенно выходит из употребления.
Знание теплоты горения и удельной теплоты горения необходимо для
расчета температуры горения или взрыва, давления при взрыве, скорости
распространения пламени и других характеристик.
34
Теплотворная способность горючего определяется либо
экспериментальным, либо расчетным способами.
2.3.1. Лабораторная работа № 3 «Исследование продуктов горения
органических веществ»
Цель работы: экспериментальным путем определить наличие
газообразных продуктов полного и неполного сгорания активированного угля.
Материалы и оборудование, используемые в работе:
1. Муфельная печь LOIPLF-9/11-G1 c модулем управления TS87B4
(рисунок 2.5).
Рисунок 2.5 — Муфельная печь
Печь объемом 11 л, предназначена для выполнения нагрева, закалки,
обжига различных материалов в воздушной среде при температурах от +100оС
до +1100оС.
35
2. Анализатор дымовых газов Testo 330-1 LL (рисунок 2.6).
Память
500.000 изм. Блоков
Рабочая температура
-5 … +45 °C
Размеры
2709065 мм
Измерение температуры
Диапазон измерений
-40 … +1200 °C
Погрешность (относительная)
±0,5 °C (0.0 … +100.0 °C)
±0,5 % от изм. знач. (в ост. диапазоне)
Рисунок 2.6 — Газоанализатор Testo 330LL
(ссылка на рисунок https://clck.ru/363T7L)
Газоанализатор - прибор для определения качественного и
количественного состава смесей газов. Автоматические газоанализаторы
непрерывно измеряют какую-либо физическую или физико-химическую
характеристику газовой смеси или её отдельных компонентов.
Газоанализатор Testo 330-1 LL имеет возможность измерения
процентного содержания угарного и углекислого газов, кислорода, окиси
азота, а также измеряет температуру и дифференциальное давление.
Технические характеристики газоанализатора представлены в таблице 2.4.
В данных экспериментах проводятся замеры концентрации угарного и
углекислого газа, как продуктов полного и неполного сгорания.
Таблица 2.4 – Технические данные газоанализатора
36
Продолжение таблицы 2.4
Определение уровня концентрации CO
2
Диапазон измерений
0 …Х CO2 max
Погрешность
±0.2 Об. %
Разрешение
0.1 Об. %
Быстродействие
< 40 сек
Измерение тяги
Диапазон измерений
-9.99 … +40 гПа
Погрешность
±0.02 гПаИли ±5% от изм. Знач. (-0.50
… +0.60 гПа)
±0.03 гПа (+0.61 … +3.00 гПа)
±1.5% от изм. Знач. (+3.01…+40.00гПа)
Разрешение
0.01 гПа
Изменение СО
2
Диапазон измерений
0 … 1 Об. %
0 … 10.000 ппм
Погрешность
±(50 ппм ±2% от изм.Знач.) (0 … 5000
ппм)
Быстродействие
Приблизительно 35 сек
Изменение СО
Диапазон измерений
0 … 4000 ппм
Погрешность
±20 ппм (0 … 400 ппм)
±5% от изм. Знач. (401 … 1000 ппм)
±10% от изм. Знач. (1001 … 4000 ппм)
Разрешение
1 ппм
Измерение O
2
Диапазон измерений
0 … 21 Об. %
Погрешность
±0.2 Об. %
Разрешение
0.1 Об. %
3. Весы аналитические (рисунок 2.7).
Рисунок 2.7 — Аналитические весы
37
4. Керамические чашки, ступка для измельчения угля (рисунок 2.8).
Рисунок 2.8 – Керамическая ступка с пестиком для активированного угля
5. Активированный уголь в гранулах (рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 – Проба активированного угля
1. Включить муфельную печь, установить температуру нагрева
600С.
2. Взвесить на весах 1 г активированного угля и поместить его в
керамическую ступку.
Порядок проведения работы:
38
3. Подготовить к работе газоанализатор Testo 330. Прибор
Температура,
С
Концентрация О2,
%
Концентрация СО2,
%
Концентрация СО,
%
разместить на стенке вытяжного шкафа рядом с муфельной печью. Когда печь
наберет температуру, поместить навеску в керамической чашке в муфельную
печь.
4. Поместить термопару газоанализатора в муфельную печь через
отверстие в дверце печи. Включить прибор с помощью кнопки. Выбрать в
меню прибора объект измерения «дымовые газы», выбрать единицы
измерения - %, подтвердить выбор нажатием кнопки ОК. Начать снимать
показания прибора через каждые 1 - 2 минуты.
5. Результаты показаний газоанализатора записывать в отчет по
лабораторной работе в виде таблицы № 2.5
Таблица 2.5 – Результаты измерений термоокислительного разложения угля
Оформление отчета:
1. Сделать выводы о составе газообразных продуктов
термоокислительного разложения активированного угля.
2. Построить график зависимости содержания газообразных
продуктов от времени.
3. Ответить на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы:
1. Перечислить продукты полного и неполного сгорания, условия их
образования.
2. В чем заключается опасность угарного и углекислого газов?
3. Какие продукты термического разложения могут присутствовать
при разложении ПВХ и фенолформальдегида? В чем их опасность для
человека?
4. Что представляет собой дым как дисперсная система?
39
5. Определить объем и процентный состав продуктов горения,
образовавшихся при полном сгорании 5 кг нитроцеллюлозы следующего
состава: 28% углерода, 50% кислорода, 3% водорода, 14% азота при
температуре 25оС и давлении 110 кПа, α = 1,4.
6. При каких условиях коэффициент избытка воздуха может быть
равным 1?
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]