Практическая работа Основы пожаро- и взрывобезопасности. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА-1. 1. Материальный баланс процессов горения
 Скачать 144.95 Kb.
|
|
1. Материальный баланс процессов горения Теоретической базой для расчётов материального и теплового балансов являются фундаментальные законы сохранения веществ и энергии. 1.1. Расчёт количества воздуха, необходимого для горения веществ Для практических расчётов принимают, что состав воздуха состоит из 21%кислорода и 79% азота. Таким образом, объёмное соотношение азота и кислорода в воздухе составит:  (1.1.1)где  - соответственно объёмное (% об.) содержание азота и кислорода в окислительной среде. Следовательно, на 1 м3 (кмоль) кислорода в воздухе приходится 3,76 м3 (кмоль) азота. Весовое соотношение азота и кислорода в воздухе составляет 23,3% О2 и 76,7% N2. Его можно определить, исходя из:  (1.1.2)где  -молекулярные массы соотношение азота и кислорода.Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на три типа (табл.1.1.1): 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.п.). Таблица 1.1.1
Здесь  -теоретическое количество воздуха;  ,  ,  -количество горючего, кислорода и азота, получаемого из уравнения химической реакции горения, кмоль; М – молекулярная масса горючего; V0 – объем 1 кмоля газа при нормальных условиях (22,4 м3); C, H, S, O - весовое содержание соответствующих элементов в составе горючего, %  - концентрация I - го горючего компонента, % об.;  -концентрация кислорода в составе горючего газа, % об.;  - количество кислорода, необходимое для окисления одного кмоля i- го горючего компонента, кмоль.Для определения объёма воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются уравнением состояния идеальных газов  , (1.1.6)где  - нормальное давление, Па; Т0 - нормальная температура, К; V0- объём воздуха при нормальных условиях, м3;  - заданное давление, Па; - заданная температура, К; - заданный объём газа, м3.Практический объём воздуха Vв, поступивший в зону горения. Отношение практического объёма воздуха к теоретическому называется коэффициентом избытка воздуха  : (1.1.7)Разность между практическим и теоретическим объёмами воздуха называется избытком воздуха  : (1.1.8)Из уравнений (1.1.7) и (1.1.8) следует, что  (1.1.9)Если известно содержание кислорода в продуктах горения, то коэффициент избытка воздуха определяется по формуле:  (1.1.10)где - содержание кислорода в продуктах горения, % об.; - теоретический объём продуктов горения.Для веществ у которых объём продуктов горения равен объёму исходного воздуха (например, углерод), формула (1.1.10) упрощается:  . (1.1.11)В случае образования продуктов неполного сгорания (CO, H2, CH4, и др.) формула (1.1.11) приобретает вид:  (1.1.12)где  - содержание соответствующих веществ в продуктах горения, % об. Если содержание кислорода в окислительной среде отличается от содержания его в воздухе, то формулу (1.1.12) можно записать в виде:  (1.1.13)и соответственно формулу (1.1.13)  (1.1.14)где  - исходное содержание кислорода в окислительной среде, % об.Часто в пожарно-технических расчётах требуется определить массу воздуха, пошедшего на горение,  (1.1.15)где  - плотность воздуха, кг/м3.Очевидно, что  (1.1.16)После подстановки постоянных значений в формулу (1.1.16) получим  (1.1.17)где Р – атмосферное давление, Па; Т – температура воздуха, К. Примеры Пример 1. определить теоретическую массу и объём воздуха, необходимого для сгорания 1 м3 метана при нормальных условиях. Решение. Горючее вещество является индивидуальным химическим соединением, поэтому для расчёта его объёма надо пользоваться формулой (1.1.3,а), запишем уравнение химической реакции горения СН4 в воздухе   .Из уравнения находим  тогда  м3/м3 или кмоль/кмольПо формуле (1.1.15) с учётом уравнения (1.1.16) рассчитаем массу воздуха  кг/м3.Пример 2. Определить теоретический объём воздуха, необходимого для горения 1 кг бензола. Решение. Горючее – индивидуальное химическое соединение, поэтому для расчёта по формуле (1.1.3,б) запишем уравнение химической реакции горения  найдём  .Молекулярная масса бензола  .Объём 1 кмоля газа при нормальных условиях составляет 22,4 м3  м3/кг.Пример 3. Определить объём 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.Решение. Так как горючее вещество сложного состава, то теоретическое количество воздуха при нормальных условиях определим по формуле (1.1.4)  м3/кг.Из формулы (1.1.7) рассчитаем практическое количество воздуха при нормальных условиях  м3/кг.Находи количество воздуха, пошедшего на горение веществ при заданных условиях горения. Используя формулу (1.1.6), получим  м3/кг, кг/кг.Пример 4. Определить объём воздуха, необходимого для горения 5 м смеси газов, состоящих из 20% - СН4; 40% - С2Н2; 10% - СО; 5% - N2 и 25% - O2, если коэффициент избытка воздуха 1,8. Решение. Горючее-смесь газов, поэтому для расчёта объёма воздуха, пошедшего на горение, воспользуемся формулой (1.1.5). Для определения стехиометрических коэффициентов при кислороде запишем уравнение реакций горения горючих компонентов в кислороде тогда  м3/м3.Для горения 5 м3 газовой смеси необходимый теоретический объём воздуха составит  м3. Практическое количество воздуха: м3.Пример 5. Определить коэффициент избытка воздуха при горении уксусной кислоты, если на горение 1 кг поступило 3 м3 воздуха. Решение. Для определения коэффициента избытка воздуха по формуле (1.1.7) необходимо рассчитать его теоретическое количество. Молекулярная масса уксусной кислоты 60.   м3/кг.Тогда коэффициент избытка воздуха по формуле (1.1.7) равен  Горение протекало при недостатке воздуха. Пример 6. Определить объём воздуха, пошедшего на окисление 1 м3 аммиака, если в продуктах горения содержание кислорода составило 18%. Решение. Определяем теоретическое количество воздуха, необходимого для горения 1 м3 аммиака:  тогда  м3/м3.Для определения коэффициента избытка воздуха необходимо рассчитать теоретическое количество продуктов горения 1 м3 аммиака  м3/м3.Коэффициент избытка воздуха  Объём воздуха, участвующего в процессе горения 1 м3 аммиака, определим из формулы (1.1.7)  м3/м3.Пример 7. Определить объём окислительной среды, состоящей из 60% О2 и 40% N2, необходимый для горения 1 кг изоприлового спирта, если её температура равна 295 К, давление 62,0 кПа. Решение. Так как окислительная среда отличается по составу от воздуха, определим по формуле (1.1.1) объёмное соотношение кислорода и азота 40:60=0,67. Уравнение реакции горения изоприлового спирта  Теоретический объём окислительной среды при нормальных условиях рассчитаем по формуле (1.1.3,б). Молекулярная масса горючего равна 60,  м3/кг.Объём окислительной среды при заданных условиях горения определим из формулы (1.1.6)  м3/кг.Пример 8. Определить массу динитротолуола, сгоревшего в герметичном объёме 100м3, если содержание кислорода в продуктах горения составило 12%. Решение. Так как в продуктах горения содержится кислород, то горение протекало в избытке воздуха, коэффициент избытка определим по формуле(1.1.10).  .Молекулярная масса горючего равна 183. Теоретический объём воздуха  м3/кг.Теоретический объём продуктов горения (формула 1.1.15)  м3/кг, .Практический объём воздуха, пошедший на горение  м3/кг.Тогда массу сгоревшего динитротолуола Мг определим из соотношения  м3- полный объём помещения кг.Задание на самостоятельную работу Задача: Рассчитать теоретически необходимое количество воздуха для сгорания m кг вещества при Т= ... и Р= ... . (жидкость)
Задача: Рассчитать теоретически необходимое количество воздуха для сгорания V м3 горючего газа
|
(1.1.3,а)
(1.1.3,б)
(1.1.4)
(1.1.5)