Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства...
Эмиссия газов от очистных сооружений канализации: В последние годы внимание мирового сообщества сосредоточено на экологических проблемах...
Топ:
История развития методов оптимизации: теорема Куна-Таккера, метод Лагранжа, роль выпуклости в оптимизации...
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов...
Марксистская теория происхождения государства: По мнению Маркса и Энгельса, в основе развития общества, происходящих в нем изменений лежит...
Интересное:
Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов: Изучение оползневых явлений, оценка устойчивости склонов и проектирование противооползневых сооружений — актуальнейшие задачи, стоящие перед отечественными...
Как мы говорим и как мы слушаем: общение можно сравнить с огромным зонтиком, под которым скрыто все...
Что нужно делать при лейкемии: Прежде всего, необходимо выяснить, не страдаете ли вы каким-либо душевным недугом...
Дисциплины:
2019-11-11 | 372 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
«Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»
У Т В Е Р Ж Д А Ю
Ректор
_____________ В.П.Грахов
_______________________2017 г.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
По дисциплине: «Теория горения и взрыва»
для направления 20.03.01 "Техносферная безопасность"
профили: "Безопасность технологических процессов и производств",
"Защита в чрезвычайных ситуациях",
"Инженерная защита окружающей среды"
Форма обучения: очная
Общая трудоемкость дисциплины составляет: 3 зачётных единицы
Кафедра «Техносферная безопасность»
Составитель: Шадрин Роберт Олегович, к.т.н., доцент
Методические указания составлены на основании федерального государственного образовательного стандарта высшего образования и утверждена на заседании кафедры
Протокол от 15 мая 2018 г. №____________________
Заведующийкафедрой __________________ Б.В.Севастьянов
_______________________________2018 г.
СОГЛАСОВАНО
Председатель учебно-методического совета по направлению 20.03.01 "Техносферная безопасность"
профили: "Безопасность технологических процессов и производств",
"Защита в чрезвычайных ситуациях",
"Инженерная защита окружающей среды"
__________________ Б.В.Севастьянов
_______________________________2018 г.
Начальник учебно-инженерного отдела ____________ Н.В.Гайдай
_________________________________2017 г.
Содержание
Глава 1. Материальный и тепловой баланс процессов горения | 4 |
1.1.Расчет количества воздуха, необходимого для горения вещества | 4 |
1.2.Расчет объема и состава продуктов горения | 14 |
1.3.Расчет теплоты сгорания веществ | 24 |
1.4.Расчет температуры горения и взрыва | 28 |
Глава 2. Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения) | 35 |
Глава 3. Температурные показатели пожарной опасности | 46 |
3.1. Расчет температурных пределов распространения пламени (воспламенения) | 46 |
3.2. Расчет температур вспышки и воспламенения | 48 |
3.3. Расчет стандартной температуры самовоспламенения | 53 |
Глава 4. Параметры взрыва парогазовых смесей | 62 |
Глава 5. Организация самостоятельной работы студента | 68 |
Список литературы | 82 |
Приложения | 84 |
Глава 1. Материальный и тепловой балансы
|
Процессов горения
Теоретической базой для расчетов материального и теплового балансов являются фундаментальные законы сохранения вещества и энергии.
Расчет количества воздуха, необходимого для горения вещества
Расчетные формулы
Для практических расчетов принимают, что воздух состоит из 21% кислорода и 79% азота. Таким образом, объемное соотношение азота и кислорода в воздухе составит:
, | (1.1) |
где , – соответственно объемное (% об.) содержание азота и кислорода в окислительной среде.
Следовательно, на (кмоль) кислорода в воздухе приходится (кмоля) азота.
Массовое соотношение азота и кислорода в воздухе составляет 23,3% и 76,6% . Его можно определить, исходя из выражения:
, | (1.2) |
где , – молекулярные массы соответственно кислорода и азота.
Для удобства расчетов горючие вещества разделяют на три типа (табл. 1.1): индивидуальные химические соединения (метан, уксусная кислота и т.п.), вещества сложного состава (древесина, торф, сланцы, нефть и т.п.), смесь газов (генераторный газ и т.д.).
Т а б л и ц а 1.1
Тип горючего вещества | Расчетные формулы | Размерность | |
Индивидуальное вещество | (1.3, а) (1.3, б) | ; | |
Вещество сложного состава | (1.4) | ||
Смесь газов | (1.5) | ; |
Здесь – теоретическое количество воздуха: , , – количество горючего, кислорода и азота, получаемого из уравнения химической реакции горения, кмоль; – молекулярная масса горючего; – объем 1 кмоля газа при нормальных условиях (); C, H, S, O – массовое содержание соответствующих элементов в составе горючего, %; – концентрация кислорода в составе горючего газа, % об.; – количество кислорода, необходимое для окисления одного кмоля i -го горючего компонента, кмоль.
|
Для определения объема воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются уравнением состояния идеальных газов
, | (1.6) |
где – нормальное давление, Па; – нормальная температура, К; – объем воздуха при нормальных условиях; , , – соответственно давление, объем и температура воздуха, характеризующиеся заданные условия горения.
Практическое количество воздуха – объем воздуха, фактивчески поступивший в зону горения. Отношение практического объема воздуха к теоретическому называется коэффициентом избытка воздуха :
. | (1.7) |
Разность между практическим и теоретическим объемами воздуха называется избытком воздуха :
. | (1.8) |
Из уравнений (1.7) и (1.8) следует, что
. | (1.9) |
Если известно содержание кислорода в продуктах горения, то коэффициент избытка воздуха определяется по формуле
, | (1.10) |
где – концентрация кислорода в продуктах горения, % об.; – теоретический объем продуктов горения.
Для веществ, у которых обьем продуктов горения равен обьему израсходованного воздуха (например, углерод), формула (1.10) упрощается:
. | (1.11) |
В случае образования продуктов неполного сгорания (CO, , и др.) формула (1.11) приобретает вид
, | (1.11, а) |
где , , , – содержание соответствующих веществ в продуктах горения, % об.
Если содержание кислорода в окислительной среде отличается от содержания его в воздухе, то формулу (1.10) можно записать в виде:
, | (1.12) |
и соответственно формулу (1.11)
, | (1.13) |
где – исходное содержание кислорода в окислительной среде, % об.; – теоретический обьем окислительной среды.
Часто в пожарно-технических расчетах требуется определить массу воздуха, пошедшего на горение,
, | (1.14) |
где – плотность воздуха, кг/ .
|
Очевидно, что
. | (1.15) |
После подстановки постоянных значений в формулу (1.15) получим
, | (1.16) |
где Р – атмосферное давление, Па; Т – температура воздуха, К.
П р и м е р 1. Определить теоретическую массу и объем воздуха, необходимого для горения 1 метана при нормальных условиях.
Р е ш е н и е. Горючее вещество является индивидуальным химическим соединением, поэтому для расчета объема воздуха надо пользоваться формулой (1.3, а). запишем уравнение химической реакции горения в воздухе
.
Из уравнения находим ; ; , тогда / или кмоль/кмоль.
По формуле (1.14) с учетом уравнения (1.15) рассчитываем массу воздуха
кг/ .
П р и м е р 2. Определить теоретический объем воздуха, необходимого для горения 1 кг бензола.
Р е ш е н и е. Горючее – индивидуальное химическое соединение, поэтому для расчета по формуле (1.3, б) запишем уравнение химической реакции горения
,
найдем n = 1; ; .
Молекулярная масса бензола .
Объем 1 кмоля газа при нормальных условиях составляет 22,4
.
П р и м е р 3. Определить объем и массу воздуха, необходимого для горения 1 кг органической массы состава С – 60%, Н – 5%, О – 25%, N – 5%, W – 5% (влажность), если коэффициент избытка воздуха ; температура воздуха 305 К, давление 99500 Па.
Р е ш е н и е. Так как горючее вещество сложного состава, то теоретическое количество воздуха при нормальных условиях определим по формуле (1.4)
.
Из формулы (1.7) рассчитаем практическое количество воздуха при нормальных условиях
.
Находим количество воздуха, пошедшего на горение вещества при заданных условиях горения. Используя формулу (1.6), получим
,
.
П р и м е р 4. Определить объем воздуха, необходимого для горения 5 смеси газов, состоящих из 20% ; 40% ; 10% СО; 5% и 25% , если коэффициент избытка воздуха равен 1,8.
Р е ш е н и е. Горючее – смесь газов, поэтому для расчета объема воздуха, пошедшего на горение, воспользуемся формулой (1.5). Для определения стехиометрических коэффициентов при кислороде запишем уравнение реакций горения горючих компонентов в кислороде
,
,
,
тогда .
Для горения 5 газовой смеси необходимый теоретический объем воздуха составит . Практическое количество воздуха: .
|
П р и м е р 5. Определить коэффициент избытка воздуха при горении уксусной кислоты, если на горение 1 кг поступило 3 воздуха.
Р е ш е н и е. Для определения коэффициента избытка воздуха по формуле (1.7) необходимо рассчитать его теоретическое количество. Молекулярная масса уксусной кислоты 60.
;
.
Тогда коэффициент избытка воздуха по формуле (1.7) равен
.
Горение протекало при недостатке воздуха.
П р и м е р 6. Определить объем воздуха, пошедшего на окисление 1 аммиака, если в продуктах горения содержание кислорода составило 18%.
Р е ш е н и е. Определяем теоретическое количество воздуха, необходимого для горения 1 аммиака:
,
тогда
.
Для определения коэффициента избытка воздухе по формуле (1.10) необходимо рассчитать теоретическое количество продуктов горения 1 аммиака (§ 1.2, формула 1.14)
.
Коэффициент избытка воздуха
.
Объем воздуха, участвующего в процессе горения 1 аммиака, определим из формулы (1.7)
.
П р и м е р 7. Определить объем окислительной среды, состоящей из 60% и 40% , необходимый для горения 1 кг изопропилового спирта, если ее температура равна 295 К, давление 62,0 кПа.
Р е ш е н и е. Так как окислительная среда отличается по составу от воздуха, определим по формуле (1.1) объемное соотношение кислорода и азота 40:60=0,67.
Уравнение реакции горения изопропилового спирта
.
Теоретический объем окислительной среды при нормальных условиях рассчитаем по формуле (1.3, б). Молекулярная масса горючего равна 60:
.
Объем окислительной среды при заданных условиях горения определим из формула (1.6)
.
П р и м е р 8. Определить массу динитротолуола, , сгоревшего в герметичном обьеме 100 , если содержание кислорода в продуктах горения составило 12%.
Р е ш е н и е. Так как в продуктах горения содержится кислород, то горение протекало в избытке воздуха. Коэффициент избытка определим по формуле (1.10).
.
Молекулярная масса горючего 182. Теоретический объем воздуха
.
Теоретический объем продуктов горения (формула 1.14)
,
.
Практический объем воздуха, пошедший на горение
.
Тогда массу сгоревшего динитротолуола определим из соотношения
.
Контрольные задачи
1. Определить массу и объем (теоретический) воздуха, необходимого для горения 1 кг метилового, этилового, пропилового и амилового спиртов построить график зависимости объема воздуха от молекулярной массы спирта.
2. Определить теоретический объем воздуха, необходимого для горения 1 метана, этана, пропана, бутана и пентана. Построить график зависимости объема воздуха от положения вещества в гомологическом ряду (содержания углерода в молекуле вещества).
3. Определить теоретическую массу воздуха, пошедшего на горение 1 кг метана, метилового спирта, муравьиного альдегида, муравьиной кислоты. Объяснить причину влияния состава вещества на объем воздуха, требуемого для их горения.
|
4. Определить объем и массу воздуха, пошедшего на горения 1 кг древесины состава: С – 47%, Н – 8%, О – 40%, W – 5%, если коэффициент избытка воздуха равен 2,8; давление 900 ГПа, температура 285 К.
5. Сколько воздуха, кг, поступило на горение 1 кг углерода, если в продуктах горения содержание кислорода составило 17%?
6. Сколько воздуха, кг, требуется подать на сжигание 200 генераторного газа состава: СО – 29%, – 14%, С – 3%, – 6,5%, – 45%, – 2,5%, если коэффициент избытка воздуха равен 2,5?
7. Определить количество сгоревшего толуола, кг, в помещении объемом 400 если после пожара при отсутствии газообмена установлено, что содержание кислорода снизилось до 17%.
8. Сколько хлора, , поступило на горение 300 водорода, если в продуктах горения избыток окислителя составил 80 ?
9. Определить избыток воздуха в продуктах горения газовой смеси состава: СО – 15%, – 45%, – 30%, – 10%, если коэффициент избытка равен 1,2; температура 265 К, давления 850 ГПа.
10. Сколько окислительной среды, , состоящей из 50% кислорода и 50% азота, необходимо для горения 8 кг этилацетата, если коэффициент избытка равен 1,2; температура 265 К, давление 850 ГПа.
11. Определить коэффициент избытка окислительной среды, состоящей из 70% кислорода и 30% азота, если при горении серы содержание кислорода снизилось до 55%. Определить количество сгоревшей серы (кг), если объем помещения равен 180 .
12. Сколько антрацита (принять, что содержание углерода равно 100%) сгорело в помещении объемом 150 , если прекращение горения наступило при снижении кислорода до 13%. Газообмен не учитывать.
13. Рассчитать массовый и объемный расход воздуха, необходимый для горения фонтана дебитом 30 млн. /сут., состоящего из – 80%, – 10%, – 5%, – 5% при температуре воздуха 27 и давлении 105 КПа.
Домашнее задание
Рассчитать обьем и массу окислительной среды, необходимые для горения i -го горючего вещества (табл. 1.2).
Т а б л и ц а 1.2
Номер варианта | Горючее вещество | Химическая формула | Кол-во горючего | Состав окислительной среды | Условия горения |
1 | Метиловой спирт | 2 кг | Воздух | Т = 300 К Р = 101325 Па = 3 | |
2 | Анилин | 5 кг | – 70% – 30% | Т = 290 К Р = 90000 Па = 2,5 | |
3 | Смесь газов | СО – 45% – 15% – 10% – 30% | 3 | Воздух | Нормальные = 1,8 |
4 | Нитробензол | 30 кг | Воздух | Т = 280 К Р = 98000 Па = 2,5 | |
5 | Сложное вещество | С – 65% О – 20% Н – 5% S – 10% | 200 г | Воздух | Нормальные = 1,4 |
6 | Этилен | 5 | – 25% – 75% | Нормальные = 2,5 | |
7 | Сера | S | 2 кг | – 60% – 40% | Т = 350 К Р = 120000 Па = 1,8 |
8 | Сложное вещество | С – 90% Н – 3% N – 5% О – 2% | 1 кг | Воздух | Т = 300 К Р = 95000 Па = 1,5 |
П р о д о л ж е н и е т а б л и ц ы 1.2
Номер вариант | Горючее вещество | Химическая формула | Кол-во горючего | Состав окислительной среды | Условия горения |
9 | Смесь газов | – 15% – 70% – 10% – 5% | 5 | Воздух | Нормальные = 1,9 |
10 | Алюминий | Al | 15 кг | – 42% – 58% | Нормальный = 2,8 |
11 | Сплав | Mg – 20% Al – 80% | 8 кг | Воздух | Т = 265 К Р = 92000 Па = 1,5 |
12 | Муравьиная кислота | 5 кг | Воздух | Нормальные = 1,2 | |
13 | Диметиловый эфир | 10 кг | Воздух | Т = 300 К Р = 95000 Па = 1,5 | |
14 | Смесь газов | – 25% – 15% – 15% – 30% – 15% | 15 | Воздух | Нормальные = 1,4 |
15 | Сложное вещество | С – 82% Н – 8% W – 10% | 0,7 кг | Воздух | Т = 260 К Р = 110000 Па = 1,4 |
16 | Глицерин | 1 кг | Воздух | Т = 305 К Р = 101300 Па = 1,9 | |
17 | Ацетилен | 150 л | – 18% – 82% | Нормальные = 1,8 | |
18 | Смесь газов | – 30% – 8% – 15% – 47% | 3 | Воздух | Нормальные = 1,4 |
19 | Этиловый эфир уксусной кислоты | 5 кг | Воздух | Т = 270 К Р = 85000 Па = 1,5 | |
20 | Метилэтил кетон | 5 кг | Воздух | Нормальные = 2,5 | |
21 | Хлорбензол | 7 кг | Воздух | Т = 305 К Р = 1000 Па = 2,8 | |
22 | Нитротолуол | 1 кг | – 25% – 75% | Т = 280 К Р = 98000 Па = 1,4 |
О к о н ч а н и е т а б л и ц ы 1.2
Номер варианта | Горючее вещество | Химическая формула | Кол-во горючего | Состав окислительной среды | Условия горения |
23 | Смесь газов | – 25 % – 25 % – 15 % – 30 % – 5 % | 200 л | Воздух | Нормальные = 1,8 |
24 | Бутиловый спирт | 4 кг | Воздух | Т = 265 К Р = 120000 Па = 1,8 | |
25 | Дибром-гексан | 3 кг | – 65 % – 35 % | Т = 280 К Р = 98000 Па = 1,7 | |
26 | Сложное вещество | С – 70 % S – 5 % Н – 5% О – 20 % | 15 кг | Воздух | Т = 285 К Р = 100000 Па = 2,8 |
27 | Смесь газов | – 10 % СО – 79 % – 5 % – 5 % – 10 % | 10 | Воздух | Нормальные = 3,5 |
Примеры
П р и м е р 1. Какое количество продуктов горения выделится при сгорании 1 ацетилена в воздухе, если температура горения составила 1450 К.
Р е ш е н и е. Горючее – индивидуальное химическое соединение (формула 1.17). Запишем уравнение химической реакции горения
Объем продуктов горения при нормальных условиях
.
Объем продуктов горения при 1450 К
.
П р и м е р 2. Определить объем продуктов горения при сгорании 1 кг фенола, если температура горения 1200 К, давление 95 00 Па, коэффициент избытка воздуха 1,5.
Р е ш е н и е. Горючее – индивидуальное химическое соединение (формула 1.18). Запишем уравнение химической реакции горения
.
Молекулярная масса горючего 98.
Теоретический объем продуктов горения при нормальных условиях
.
Практический объем воздуха при нормальных условиях (1.25)
.
Объем продуктов горения при заданных условиях
.
Пример 3. Определить объем продуктов горения при сгорании 1 кг органической массы состава: С – 55%, О – 13%, Н – 5%, S – 7%, N – 3%, W – 17%, если температура горения 1170 К, коэффициент избытка воздуха – 1,3.
Р е ш е н и е. горючее вещество сложного состава (формула 1.19 – 1.22). Теоретический состав продуктов горения при нормальных условиях
;
;
;
.
Полный теоретический объем продукт горения при нормальных условиях
.
Практический объем продуктов горения при нормальных условиях
.
Практически объем продуктов горения при температуре горения
.
П р и м е р 4. Рассчитать объем продуктов горения при сгорании 1 газовой смеси, состоящей из – 70%, – 10%, – 5%, – 15%, если температура горения 1300 К, коэффициент избытка воздуха 2,8. Температура окружающей среды 298 К.
Р е ш е н и е. Горючее – смесь газов (формула 1.23)
,
.
объем продуктов горения определим по формуле (1.23)
;
.
Так как газовая смесь содержит в составе кислород, он будет окислять часть горючих компонентов, следовательно, понизится расход воздуха (формула 1.5).
В этом случае теоретический объем азота удобнее определять по формуле (1.29)
.
Теоретический объем продуктов горения
.
Практический объем продуктов горения (формулы 1.24, 1.25)
.
Объем продуктов горения при температуре 1300 К
.
П р и м е р 5. Определить состав продуктов горения метилэтилкетона.
Р е ш е н и е. При такой постановке задачи рациональнее определять непосредственно из уравнения горения объем продуктов в кмолях, выделившихся при сгорании 1 кмоля горючего
,
кмоля; кмоля; кмоля; кмоля.
По формуле (1.26) находим состав продуктов горения
, .
П р и м е р 6. Определить объем и состав (% об.) продуктов горения 1 кг минерального масла состава: С – 85%, Н – 15%, если температура горения 1450 К, коэффициент избытка воздуха 1,9.
Р е ш е н и е. По формулам (1.19 – 1.22) определим объем продуктов горения
;
;
.
Теоретический объем продуктов горения при нормальных условиях
.
Практический объем продуктов горения при нормальных условиях (формула 1.25)
.
объем продуктов горения при температуре 1450 К
.
Очевидно, что состав продуктов горения не зависит от температуры горения, поэтому целесообразно определять его при нормальных условиях. По формулам (1.26, 1.28)
; ;
; .
П р и м е р 7. Определить количество сгоревшего ацетона, кг, если объем выделившейся двуокиси углерода, приведенный к нормальным условиям, составил 50 .
Р е ш е н и е. Запишем уравнение реакции горения ацетона в воздухе
.
Из уравнения следует, что при горении из 58 кг (молекулярная масса ацетона) выделяется двуокиси углерода. Тогда для образования 50 двуокиси углерода должно вступить в реакцию горючего
.
П р и м е р 8. Определить количество сгоревшей органической массы состава: С – 58%, О – 22%, Н – 8%, N – 2%, W – 10% в помещении объемом 350 , если содержание двуокиси составило 5%.
Р е ш е н и е. Определим объем выделившейся двуокиси углерода
.
По формуле (1.19) для вещества сложного состава определим объем , выделяющийся при горении 1 кг горючего,
.
Определим количество
|
|
Наброски и зарисовки растений, плодов, цветов: Освоить конструктивное построение структуры дерева через зарисовки отдельных деревьев, группы деревьев...
Семя – орган полового размножения и расселения растений: наружи у семян имеется плотный покров – кожура...
Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...
Археология об основании Рима: Новые раскопки проясняют и такой острый дискуссионный вопрос, как дата самого возникновения Рима...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!