Теория горения и взрыва

 

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

 

Факультет защиты в чрезвычайных ситуациях

 

Кафедра пожарной безопасности

 

 

 

 

Теория горения и взрыва

Расчетно-графическая работа

Вариант 14

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студентка гр.ПБ-311к

Насибуллина М.М.

Руководитель: к.т.н., доцент

Тангатаров А.Ф.

 

 

Уфа 2014 

Содержание:

 

 

Часть 1. Расчет параметров горения и взрыва

Для вещества втор-изоамиловый спирт (3-метил-2-бутанол) C5H12О рассчитать следующие параметры горения и взрыва:

- адиабатическую температуру горения (Tад);

- температуру взрыва (Tвзр);

- концентрационные пределы распространения пламени (КПР);

- минимальную флегматизирующую концентрацию азота (МФК);

- концентрацию горючего в точке флегматизации;

- зависимость КПР от концентрации флегматизатора;

- минимально взрывоопасное содержание кислорода (МВСК);

- температурные пределы распространения пламени (ТПР);

- температуру самовоспламенения (Tсв);

- максимальное давление взрыва ()',

- тротиловый эквивалент вещества ().

 

1. Адиабатическую температуру горения вещества находят при условии отсутствия теплопотерь () для стехиометрической смеси горючего с воздухом, т.е. при α=1.

Запишем уравнение горения C5H12O в воздухе:

C5H12O + 8,5·O2 + 8,5·3,76·N2=5·CO2 + 6·H2O + 8,5·3,76·N2

Рассчитаем количество воздуха:

 

Рассчитаем объем продуктов горения:

 
 

Рассчитаем избыток воздуха .

Коэффициент избытка воздуха

 или

т.к.

Низкую теплоту сгорания вещества QH рассчитаем по закону Гесса, взяв значения теплоты образования веществ из таблицы II и III приложения:

 

Так как теплопотери отсутствуют, то все выделившееся тепло идет на нагревание продуктов горения. Среднее теплосодержание продуктов горения будет составлять:

Hср=

Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры, можно установить, какой температуре соответствует такое теплосодержание (таблица IV приложения). Так как азота больше всего в продуктах горения → при температуре 2200°С

При Т1=2200ос

 

 

Т.к. < температура горения меньше чем 2200°С

При Т2=2100ос

Q2= 114,7·5+93,4·6+70,4·31,96= 3383,88 кДж/моль

 <

При Т3=2000ос

Q3= 108,6·5+88,1·6+66,8·31,96= 3206,53 кДж/моль

 <

При Т4=1900ос

Q4= 102,6·5+82,8·6+63,1·31,96= 3026,48 кДж/моль

 >

Уточним эту температуру линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениями:

 

 

 

2. Температуру взрыва находят при условии отсутствия потерь ().

Запишем уравнение химического превращения при взрыве (аналогично уравнению горения):

C5H12О + 8,5·O2 + 8,5·3,76·N2= 5·CO2 + 6·H2O + 8,5·3,76·N2

Аналогично 1й задаче:

1. Количество воздуха: ;
2. Объем продуктов взрыва:

 

3. Избыток воздуха: (α=1, смесь стехиометрическая);
4. Низкая теплота сгорания:

Так как процесс взрыва адиабатно-изохорный (теплопотери отсутствуют и нагревание продуктов происходит без расширения газовой смеси), все выделившееся тепло расходуется на увеличение внутренней энергии системы. Среднее значение внутренней энергии продуктов взрыва составит:

Uср=

Воспользовавшись зависимостью внутренней энергии газов от температуры (табл. V приложения), можно установить, какой температуре соответствует такое значение внутренней энергии. Т.к. в продуктах горения больше всего азота при температуре 2800°С → Uср = 73,1 кДж/моль.

 

При Т1=2800ос

 

 

Т.к. < температура взрыва меньше чем 2800°С

При Т2=2600ос

Q2= 123,7·5+97,8·6+67,4·31,96 = 3359,4 кДж/моль

 <

При Т3=2500ос

Q3= 118,3·5+94,3·6+64,3·31,96 = 3212,33 кДж/моль

 <

При Т4=2400ос

Q4= 113·5+89,7·6+61,6·31,96 = 3071,94 кДж/моль

 >

Уточним значение температуры взрыва методом линейной интерполяции(аналогично 1й задаче):

Tвзр=

 

1. Запишем уравнение горения C5H12О:

C5H12О + 8,5·O2 =5·CO2 + 6·H2O

n(O2)=8,5

Значения как нижнего, так и верхнего концентрационных пределов распространения пламени (КПР) можно рассчитать по аппроксимационной формуле:

,

a и b берем из таблицы 2:

• для нижнего КПР пламени - ан= 8,684  bн=4,679
• для верхнего КПР пламени (учитывая, что n>7,5) - ав= 0,768  bв=6,554

 

Рассчитываем нижний концентрационный предел распространения пламени:

 

Аналогично находим верхний концентрационный предел:

 

 

3.   МФК найдем из условия предельной адиабатической температуры горения стехиометрической смеси, где Тг=1500К:

C5H12О + 5·O2 =5·CO + 6·H2O

QН по закону Гесса:

 

Теперь составим уравнение материального баланса процесса горения C5H12О, включив в него и флегматизатор (N2):

C5H12О + 5·O2 + 5·3,76·N2 + nфN2=5·CO + 6·H2O + 5·3,76·N2 + nфN2

где nф – число молей флегматизатора.

Найдем количество флегматизатора в исходной горючей смеси:

Уравнение для данного случая примет вид:

 

Объем продуктов горения:

 

 

По таблице 1 (стр. 17) :

Т0 =273 К, Qн =

 

 

 

Перепишем уравнение материального баланса для сгорания смеси предельного состава:

C5H12О + 5·O2 + 5·3,76·N2 + 12,02∙N2=5·CO + 6·H2O + 5·3,76·N2 + 12,02∙N2

В исходной горючей смеси на 1 моль C5H12О приходится моль кислорода, моль азота и моль флегматизатора.

Минимальная флегматизирующая концентрация азота будет равна:

 

4. Концентрация горючего в точке флегматизации находим по формуле:

 

Из 4й задачи следует, что:

, , ,моль

 

 

5. Чтобы построить зависимость КПР от концентрации флегматизатора найдем КПР пламени для C5H12О.

Аналогично 3й задаче:

 

 

Зависимость КПР втор-изоамилового спирта от концентрации флегматизатора (азот).

 

 

6. Минимальное взрывоопасное содержание кислорода (МВСК) находят по следующей формуле:

 

Из задачи 4 следует, что:

, , , моль

 

 

7. Примем, атмосферное давление равно нормальному → Р0=101,3 КПа

Из задачи 3 нам известно, что: НКПР →

Определим, какому давлению насыщенного пара соответствует значение НКПР:

 

Для нахождения значения нижнего температурного предела распространения пламени (НТПР) по известной величине РН можно, воспользоваться уравнением Антуана, выражающим зависимость давления насыщенного пара от температуры жидкости.

 

Решив данное уравнение относительно t, получим

 

Для втор-изоамилового спирта из таблицы III :

А=6,9421

В=1090,9

С=157,2

 

Аналогично найдем верхний температурный предел распространения пламени (ВТПР) → tв

Из задачи 3: ВКПР →

 

 

 

 

8. Записываем структурную формулу соединения, нумеруем все атомы углерода, группу –ОН обозначим буквой Г (гидроксил):

В молекуле соединения четыре концевых групп: три метильных (-СН3) и одна гидроксильная (-ОН)  т.е. Mp=4.

Определяем число цепей:

 

Найдем эти цепи и установим их длину. Для удобства составим следующую таблицу:

Углеродная цепь mi	1-4	1-5	Г-1	4-5	Г-4	Г-5
Длина цепи li	4	4	3	3	4	4

 

Определим среднее арифметическое значение длины углеродных цепей:

 

По табл. VIII приложения находим температуру самовоспламенения C5H12О по значению средней длины цепи в молекуле соединения:

Tсв=649 К = 376оC

 

9. Запишем уравнение материального баланса процесса горения C5H12О в воздухе:

C5H12О + 8,5·O2 + 8,5·3,76·N2=5·CO2 + 6·H2O + 8,5·3,76·N2

 

По уравнению определим количество молей газовой смеси до взрыва и после взрыва :

 

 

Из задачи № 2 → Твзр= 2710 К

Р0=101,3 КПа; Т0=273 К – так как считается, что исходная смесь газов до взрыва находилась при нормальных условиях.

 

Избыточное давление взрыва:

 

 

10. Для оценки мощности взрыва используется понятие тротилового эквивалента. Известно, что при взрыве 1 кг тротила (тринитротолуола - ТНТ) выделяется энергия, равная QТНТ = 4,19·103 кДж/кг. Исходя из этого, мощность любого взрыва можно условно характеризовать количеством тротила, которое может произвести во взрыве выделение такого же количества энергии.

Из задачи №1 следует, что для C5H12О  -  Qн=3123,5 кДж/моль

Тротиловый эквивалент вещества равен:

 

 

Часть 2.Сравнение полученных расчетных значений со справочными данными

 

Найти в справочной литературе или в Интернете пожаровзроопасные  характеристики метиламилового спирта и сравнить их с полученными расчетными значениями. Сделать выводы.

 

Таблица 1 - Расчетные значения параметров горения и взрыва вещества C5H12О

Параметр горения и взрыыва	Адиабат.тем-ра. горения	Тем-ра взрыва	КПР	МФК(N2)	МВСК	ТПР	Температ. самовоспл.	Макс. давл. взрыва	Тротил эквивалент вещества
Значение параметра	2227 К		φн=1,3% φв=7,6%	32,6%	13,6%	tн=276К tв=296К	649 К		0,75 кг/моль

 

Таблица 2 - Справочные значения показателей пожарной опасности C5H12О [4]

Параметр горения и взрыыва	Температура вспышки	Тем-ра воспламенения	КПР	МФК (N2)	МВСК	ТПР	Температ. самовоспл.	Удельная массовая скорость выгорания
Значение параметра	305 К	311 К	φн=1,46% φв=8,3%	44,1%	11,5%	tн=303К tв=335К	618 К	2,05∙10-2 кг/(м2∙с)

 

Вывод: Из таблицы 1 и 2 видно, что расчетные значения незначительно отличаются от справочных данных из-за небольшой погрешности. Как видно из данных таблиц, максимальное давление взрыва втор-изоамилового спирта весьма высок, а значит в эксплуатации данное вещество является пожаровзрывоопасным.

Температурные пределы распространения пламени низкие, то есть даже при относительно невысоких температурах данное вещество может возгораться и распространить пламеня.

А температура самовоспламенения втор-изоамилового спирта весьма высокая, что делает это вещество менее опасным при эксплуатации.

Без наличия флегматизатора горючее в концентрации 1,3 – 7,6 % способно воспламеняться с распространением горения на всю смесь.

 

Часть 3. Определение параметров взрыва паровоздушной смеси в помещении

Для помещений заданных размеров 9,5 х 5,0 х 4,0 определить:

-   какое количество вещества C5H12О (кг) должно испариться в этом помещении, чтобы в нем создалась наиболее взрывоопасная паровоздушная смесь;

- тротиловый эквивалент взрыва  этой паровоздушной смеси;

-   безопасное расстояние по действию  воздушной ударной волны взрыва;

-  минимальное количество диоксида  углерода (кг), которое потребуется для предотвращения взрыва в этом помещении.

При расчетах принять, что пары вещества равномерно распределены по помещению и помещение относительно герметично. Давление и температуру в помещении считать нормальными.

 

3.1  Запишем уравнение материального баланса процесса горения:

C5H12О + 8,5·O2 + 8,5·3,76·N2=5·CO2 + 6·H2O + 8,5·3,76·N2

Концентрация горючего составляет:

 

м3

м3

M (C5H12О)= 12·5 + 1·12+16∙1 = 88 кг/к моль

m =

 

3.2  Найдем тротиловый эквивалент взрыва:

 

 

 

Qвзр=Qн=3123,5 кДж/моль(из 1 части задачи №1); QТНТ=4,19·103 (т.к. взрыв паровоздушной смеси произошел в помещении)

 

 

3.3 Найдем размер безопасной зоны по действию давления ударной воздушной волны взрыва:

 

 

3.4 Для определения количества диоксида углерода (CО2), необходимого для предотвращения взрыва в помещении, найдем его МФК аналогично задаче №4 из 1й части.

Запишем уравнение горения C5H12О:

C5H12О + 5·O2 =5·CO + 6·H2O

Qн=

Теперь составим уравнение материального баланса процесса горения C5H12О, включив в него и флегматизатор (CO2):

C5H12О + 5·O2 + 5·3,76·N2 + nфCO2=5·CO + 6·H2O + 5·3,76·N2 + nфCO2

Найдем количество флегматизатора в исходной горючей смеси:

 

Объем продуктов горения:

По таблице 1 (стр. 17) :