Химия процессов горения 2-Метилбутан С5Н12

 

V_в^пр = V_в^теор + DV_в

 

Обычно в расчетах избыток воздуха  при горении учитывается с  помощью коэффициента избытка воздуха (a). Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз в зону горения поступило воздуха больше, чем это теоретически необходимо для полного сгорания вещества:

 

 

Для горючих смесей стехиометрического состава (т.е. состава, соответствующего уравнению реакции горения) коэффициент избытка воздуха a = 1, при этом реальный расход воздуха равен теоретическому. В этом случае обеспечивается оптимальный режим горения.

При a > 1 горючую смесь называют бедной по горючему компоненту, а при a < 1 – богатой по горючему компоненту.

 

DV_в= V_в^теор(a -1)

 

В закрытом объеме диффузионное горение  большинства горючих материалов возможно только до определенной пороговой  концентрации кислорода, так называемой остаточной концентрации кислорода  в продуктах горения  j (О₂)^ПГ. Для большинства органических веществ она составляет 12 – 16 % О₂. 

Зная содержание кислорода в  продуктах горения, можно определить коэффициент избытка воздуха (коэффициент  участия воздуха в горении) на реальном пожаре:

 

 

Теоретический объем воздуха, необходимый для горения рассчитывается по уравнению реакции горения.

 

1. Записываем уравнение реакции горения

 

  1 кг      х м³

С₅Н₁₂ + 8(О₂ + 3,76N₂) =5СО₂ + 6Н₂О +8×3,76N₂  

М = 72 кг        8×4,76 × V_м = 8×4,76×22,4 м³ 

 

2. Записываем в уравнении известные  и неизвестные величины с указанием размерности.

3. Молярная масса 2-метилбутана 72 кг/кмоль. Записываем эту величину под формулой 2-метилбутана.

4. При нормальных условиях молярный  объем (V_м) любого газообразного вещества составляет 22, 4 л/моль или 22,4 м³/кмоль.

Записываем данную величину под формулой воздуха, умножив ее на стехиометрический коэффициент (8×4,76).

5. По уравнению реакции найдем  теоретический объем воздуха,  необходимый для полного сгорания  циклогексана:

 

V_в^теор = 11,85м³

 

6.Практический объем воздуха,  необходимый для горения рассчитывается  с помощью коэффициента избытка  воздуха. 

Для горючих смесей стехиометрического состава (т.е. состава, соответствующего уравнению реакции горения) коэффициент избытка воздуха a = 1, при этом реальный расход воздуха равен теоретическому. В этом случае обеспечивается оптимальный режим горения.

3.5. Расчет объема и процентного состава продуктов горения (теоретический)

Состав продуктов горения зависит  от химической природы горючего материала и условий его горения. Практически всегда органические вещества горят с образованием продуктов полного и неполного горения.

К продуктам полного сгорания относятся: углекислый газ, образующийся при горении углерода, разложении карбонатов; водяной пар, образующийся при горении водорода и испарении влаги в исходном веществе; оксид серы (IV) SO₂ и азот – продукты горения соединений, содержащих серу и азот.

Продукты неполного  сгорания – это оксид углерода (II) – угарный газ СО, сажа С, продукты термоокислительного разложения – смолы.

Неорганические вещества сгорают, как правило, до соответствующих оксидов.

Выход продуктов горения количественно  установить невозможно из-за чрезвычайной сложности их состава, поэтому материальный баланс процесса горения рассчитывается из предположения, что вещество сгорает полностью до конечных продуктов. При этом в состав продуктов горения включают также азот воздуха, израсходованного на горение, и избыток воздуха при a > 1.

Как и в случае расчета объема воздуха, необходимого для горения,  свои особенности имеет расчет продуктов горения для индивидуальных веществ, смеси газов и веществ с известным элементным составом. 

В случае индивидуального химического  соединения объем и состав продуктов  горения рассчитывается по уравнению реакции горения.

 

1. Записываем уравнение реакции  горения

 

      1 кг                      х₁ м³                            х₂ м³               х₃ м³             х₄ м³

    С₅Н₁₂    +   8(О₂   +  3,76N₂)  =   5СО₂   + 6Н₂О   + 8×3,76N₂

М = 72 кг          8×4,76 × V_м =               5×V_м =        6×V_м =        8×3,76×V_м =

                         8×4,76×22,4 м³ =       5×22,4 м³ =   6×22,4 м³ =   8×3,76×22,4м =

                              853 м³                    112 м³          134,4 м³         637,8 м³

 

2. Объем занимаемый 1 кмолем газообразных веществ при нормальных условиях 22,4 м³/кмоль

 

3. Теоретический объем продуктов  горения  (V_ПГ) определяем по уравнению реакции.

V_ПГ  =  12,78 м³

4. Теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания   2-метилбутана:

V_в^теор = 11,85м³

5. Объем отдельных компонентов продуктов горения и их процентный состав.

В этом случае по уравнению реакции  определяем объем СО₂, Н₂О и N₂.

 

V(СО₂) = х₂ = = 1,56м³

V(Н₂О) = х₃ = = 1,87 м³

V(N₂) = х₄ = = 9,36 м³

 

Объемная концентрация каждого  компонента смеси рассчитывается следующим образом:

 

j^об (СО₂) = =   = 12,21 %

j^об (Н₂О) = =   = 14,64 %

j^об (N₂) = = = 73,24 %

Более половины объема всех продуктов горения – это азот воздуха, израсходованного на горение. Если же горение протекает с коэффициентом избытка воздуха a > 1, то избыточный воздух также составляет значительную часть продуктов горения.

3.6. Стехиометрическая концентрация в паровоздушной смеси

Стехиометрической концентрацией называется такая концентрация, когда реагирующие вещества взяты в эквивалентных отношениях, при этом коэффициент избытка воздуха a = 1.

Расчет стехиометрической концентрации производится по уравнению реакции  горения индивидуального вещества. Общие формулы для вычисления объемной и массовой стехиометрической концентрации следующие:

j_стех^объем = , %

j_стех^масс = , г/м³.

3.6.1. Объемная концентрация (%)

j_стех^объем = = 2,56 %

3.6.2. Массовая концентрация (кг/м³, г/м³).

j_стех^масс = = 85,25 г/м³.= 0,085кг/м³

 

3.7. Концентрационные пределы распространения пламени

Концентрационные пределы распространения  пламени (область воспламенения) для  газо- и паровоздушных смесей могут быть рассчитаны по следующей формуле:

, %,

где

j _Н(В)  - нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени ( НКПР и ВКПР ), %;

b - число молекул кислорода ( коэффициент перед кислородом в уравнении реакции горения вещества );

a и b - константы, имеющие значения, приведенные в таблице

 

Таблица  Значения коэффициентов  “а” и “b” для расчета концентрационных пределов распространения пламени

 

КПР	а	b
НКПР	8,684	4,679
ВКПР
b£  7,5	1,550	0,560
b>  7,5	0,768	6,554

 

 

1. Составляем уравнение реакции  горения 2-метилбутана.

С₅Н₁₂ + 8(О₂ + 3,76 N₂ ) =5СО₂ + 6Н₂О + 8· 3,76 N₂

b = 8

2. j_н = НКПР = 1.35 %

j_в = ВКПР = 7,88%

 

Это означает, что в 100 м³ 2-метилбутан-воздушной смеси

на НКПР содержится 1,35 м³ 2-метилбутана и 98,65 м³ воздуха;

на ВКПР содержится 7,88 м³ 2-метилбутана и 92,12 м³ воздуха.

 

Для НКПР рассчитаем теоретический  объем воздуха, необходимый для сгорания 1,35 м³ 2-метилбутана.

 

   1,35 м³             х м³

С₅Н₁₂ +8( О₂ + 3,76 N₂ ) = 5СО₂ +6Н₂О + 8· 3,76 N₂

  V_м м³        8×4,76×V_м м³

 

х = V_в^теор = 1,35 × 8 × 4,76 = 51,41 м³

 

Коэффициент избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе распространения  пламени составит

a = = 1,9

 

Аналогично рассчитаем для ВКПР V_в^теор и соответствующее значение a:

   7,88 м³             х м³

С₅Н₁₂ +8( О₂ + 3,76 N₂ ) = 5СО₂ +6Н₂О + 8· 3,76 N₂

  V_м м³        8×4,76×V_м м³

 

х = V_в^теор = 7,88 × 8 × 4,76 = 300 м³

 

a = = 0,3

3.8. Расчет давления насыщенного пара по уравнению Антуана (для температуры 25⁰С)

;   , где

Рs - давление насыщенного пара, кПа;

tР - рабочая (заданная) температура, 0С;

tР = 25 ^oС;

Константы уравнения Антуана для 2-метилбутана

А = 5,91799 ; В = 1022,511; С = 233,493.

 

;

 

;

 

 

Р_S = 10^1,96232 = 91,2 кПа. 

 

Зная давление насыщенного пара, можно рассчитать его концентрацию в паровоздушной смеси и установить пожарную опасность смеси насыщенного пара с воздухом.

 

Список использованной литературы

 

1. Артамонов В.С. / Теория горения и взрыва. Учебник для вузов МЧС России по специальности 280104.65 – пожарная безопасность / В.Р.Малинин, В.И. Климкин, С.В. Аникеев, Е.Г.Коробейникова, Н.Г.Винокурова, Н.Ю.Кожевникова, А.А.Мельник, В.А.Родионов. /. СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2007. – 293 с.

2. Демидов П.Г., Шандыба В.А., Щеглов П.П.. Горение и свойства горючих веществ.  - Москва, Химия, 1981.

3. Демидов П.Г., Саушев B.C. Горение и свойства горючих веществ:

Учебное пособие. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1984.

4. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения 
(Справочное издание в двух книгах) / Баратов А.Н., Корольченко А.Я., 
Кравчук Г.Н. и др. - М.: Химия, 1990.

5. ГОСТ 12.1.044. -89 Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. 
Номенклатура показателей и методы их определения.