Глава 1. Материальный и тепловой балансы

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