Горение 2. Курсовая работа Теория горения и взрыва++. Методические указания к курсовой работе Пермь ипц ПрокростЪ 2023 удк 621 148 ббк 79. 3 Рецензенты

• Название: Методические указания к курсовой работе Пермь ипц ПрокростЪ 2023 удк 621 148 ббк 79. 3 Рецензенты
• Анкор: Горение 2
• Дата: 05.04.2023
• Размер: 0.58 Mb.
• Имя файла: Курсовая работа Теория горения и взрыва++.docx
• Тип: Методические указания; #1038982
• страница: 9 из 22

4.2 Методические указания по расчету концентрационных пределов воспламенения

Цель работы: Изучить теорию дефлаграционного горения. Освоить и научиться применять расчетные формулы для определения верхнего (нижнего) концентрационного предела воспламенения.

Расчетные формулы для решения задач.

Нижний концентрационный предел воспламенения φ_н определяют по предельной теплоте сгорание. Установлено, что 1м³ газо-воздушной смеси на НКПВ выделяет при горении приблизительно постоянно количество тепла-1830кДж, называемое предельной теплотой горения. Следовательно,

, (4.1)

где Q _пr - предельная теплота сгорания 1830 кДж/м³;

Q _н- низшая теплота сгорания горючего вещества, кДж/м³.

Нижний и верхний КПВ могут быть определены по аппроксимационной формуле:

(4.2)

где n – стехиометрический коэффициент при кислороде в уравнении химической реакции;

a, b - эмпирические константы, значение которых приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Концентрационные пределы воспламенения

Концентрационные пределы воспламенения	Значение коэффициентов
	а	в
Нижний предел	8,684	4,679
Верхний предел
	1,550	0,560
	0,765	6,554

Концентрационные пределы воспламенения паров жидких и твердых веществ могут быть рассчитаны, если известны температурные пределы:

, (4.3)

где давление насыщенного пара вещества при температуре, соответствующей нижнему пределу воспламенения, Па (табл.4 приложения);
Ро - давление окружающей среды, Па.

Для расчета концентрационных пределов воспламенения смесей горючих газов используют правило Ле-Шателье:

, (4.4)

где φ ^см_{н (в)}- нижний (верхний) КПВ смеси газов, % об;

φ ^см_{н (в)}- нижний (верхний) предел воспламененияi-го горючего газа;

- мольная доля i-го горючего газа в смеси.

Следует иметь при этом в виду, что =1,т.е. концентрация горючих компонентов газовой смеси принимается за 100%.

Если известны концентрационные пределы воспламенения при температуре Т₁, то при температуре Т₂ они вычисляются по формуле:

(4.5)

(4.6)
где φ_НТ2; φ_НТ1 – нижний концентр. предел воспламенения соответственно при температурах Т1 и Т2;

φ_ВТ2, φ_ВТ1 - верхний концентрационный предел воспламенения соответственно при температуре Т1 и Т2;

Тr -температура горения смеси. Приближенно при определении НКПВ Тr принимают 1550К, при определении НКПВ -1100К.

При разбавлении газо-воздушной смеси инертными газами ( N₂,CO₂, H₂O) область воспламенения сужается: верхний предел уменьшается, а нижний – возрастает. Концентрация инертного газа(флегматизатора), при которой нижний и верхний пределы воспламенения смыкаются, называется минимальной флегматизирующей концентрацией φ_ф. Содержание кислорода в такой системе называют минимальным взрывоопасным содержанием кислорода φ_О2 МВСК. Некоторое содержание кислорода ниже МВСК называют безопасным φ_О2без. Расчет указанных параметров проводят по формулам :

(3.7)

(3.8)

(3.9),

где ∆Н⁰_f- стандартная теплота образования горючего, кДж/моль;

h¹_f; h¹_ф h²_ф-константы, зависящие от элемента в молекуле горючего и вида флегматизатора (Табл. 2 приложение);

m_i- количество i-го элемента (структурной группы) в молекуле горючего

Примеры решения задач

Пример №1

По предельной теплоте сгорания определить нижний концентрационный предел воспламенения бутана в воздухе.

Решение: Для расчета по формуле (3.1.)в табл.3 приложения находим низшую теплоту сгорания вещества -2882,3кДж/моль. Эту величину надо перевести в другую размерность- кДж/м³:



По формуле (3.1) определим НКПВ:



По таблице 4 приложения находим, что экспериментальное значение φ_Н=1,9%. Относительная ошибка расчета, следовательно, составила:



Пример №2

Определить концентрационные пределы воспламенения этилена в воздухе.

Решение: Расчет КПВ проводим по апроксимационной формуле. Определяем значение стехиометрического коэффициента при кислороде:

С₂Н₂+3О₂=2СО₂+2Н₂О

Таким образом, n=3,тогда:

φ_н= 100/8,684∙3+4,679=3,25%;

φ_н=100/1,55∙3+0,56=19,23%.

Определим относительную ошибку расчета. По табл.4 приложения экспериментальные значения пределов равны 3,0+32,0:

∆н=3,25-3,0/3,0≈8%

∆в=19,23-32,0/32≈-40%

Следовательно, при расчете НКПВ этилена результат завышен на 8% , а при расчете ВКПВ - занижен на 40%.

Пример №3

Определить концентрационные пределы воспламенения насыщенных паров метанола в воздухе, если известно, что его температурные пределы равны 280+312К. Атмосферное давление - нормальное.

Решение: Для расчета по формуле (3.3) необходимо определить давление насыщенных паров, соответствующих нижнему (280К) и верхнему (312К) пределам воспламенения.

По табл. 7 приложения находим, что давление насыщенного пара на нижнем температурном пределе воспламенения находится между 53,3 и 79,99 ГПа. Так как ближайшие НТПВ по таблице равны 273 и 285,1 К , линейной интерполяцией находим давление, соответствующее нижнему температурному пределу (280К):



Давление насыщенного пара метанола, соответствующее верхнему пределу, находится между 266,64 и 533,29ГПа:



По формуле(3.3) определим НКПВ:





Экспериментальное значение КПВметанола-6,0+34,7% (табл. Приложения 5). Относительная ошибка расчета:





Следовательно, результаты расчета ВКПВ по известным значениям ТПВ занижены на 3 %. Это связано с ошибкой в определении давления насыщенного пара линейной интерполяцией.

Пример №4

Определить концентрационные пределы воспламенения газовой смеси, состоящей из 40% пропана,50% бутана,10%пропилена.

Решение: Для расчета КПВ смеси газов по правилу Ле-Шателье (3.4) необходимо определить КПВ индивидуальных горючих веществ, методы расчета которых рассмотрены выше:

С3Н8-2,1+9,5%; С3Н6-2,2+10,3%; С4Н10-1,9+9,1%





Пример № 5

Каково минимальное количество диэтилового эфира, кг, способное при испарении в емкости объемом 350 м^{2 .}создать взрывоопасную концентрацию.

Решение: Концентрация будет взрывоопасной, если φ_пr=φ_н;φ_пr-концентрация паров горючего вещества.

Расчетом (см. пример 1+3) или по табл. 5 приложения находим НКПВ диэтилового эфира, необходимой для создания в объеме 350м³ этой концентрации:



Таким образом, для создания НКПВ диэтилового эфира в объеме 350м³необходимо ввести 5,95 ³ его паров. Принимая во внимание, что 1 кмоль(74кг) газа, пара, приведенный к нормальным условиям, занимает объем, равный 22,4 ³, находим количество диэтилового эфира:



Пример №6

Определить возможно ли образование взрывоопасной концентрации в объеме 50м³при испарении 35кг гексана, если температура окружающей среды 300К.

Решение: Очевидно, паровоздушная смесь будет взрывоопасной, если φ_н φ_пr φ_в. При 300К объем паров гексана, образующийся в результате испарения 5 кг вещества, найдем объем, принимая во внимание, что при испарении 1 кмоля (86кг) гексана при 273К объем паровой фазы будет равен 22,4 м³:



Следовательно, концентрация паров гексана в помещении объемом 50м³, будет равна:



Определив концентрационные пределы воспламенения гексана в воздухе (1.2+7,5%), по таблицам или расчетом устанавливаем, что образующаяся смесь является взрывоопасной.

Пример №7

Определить, образуется ли взрывоопасная концентрация насыщенных паров над поверхностью резервуара , содержащего 60% диэтилового эфира и 40% этилового спирта, при температуре 245К?

Решение: концентрация паров будет взрывоопасной, если

φ_н^см_≤ φ_нп^см_≤ φ_в^см.

(φ_в^см-концентрация насыщенных паров смеси жидкостей). Очевидно, что в результате различной летучести веществ состав газовой фазы будет отличаться от конденсированной. Содержание компонентов в газовой фазе по известному составу жидкой определим по закону Рауля для идеальных растворов жидкостей.

1. 
   Определим мольный состав жидкой фазы:
   

где μi-мольная доля -того вещества, весовая доля 𝒾-того вещества, молекулярная масса 𝒾-того вещества (Мдэ=70, Мэс=46)

2. 
   По табл.7 приложения определим давление насыщенного пара при 245К над индивидуальными жидкостями:
   

По закону Рауля, парциальное давление насыщенных паров -той жидкости над смесью равно произведению насыщенного пара над чистой жидкостью на ее мольную долю в жидкой фазе, т.е.

3. 
   Приняв сумму давлений насыщенных паров диэтилового эфира и этилового спирта (26,46+7,56), равной 100%, определим:
   

концентрацию паров в воздухе:



мольный состав газовой фазы(закон Рауля- Дуэртье)

4. 
   Определив расчетом или по справочным данным (табл.5 приложения)КПВ индивидуальных веществ (диэтиловый эфир 1,7+49%,этиловый спирт 3,6+19%),по правилу Ле-Шателье рассчитаем КПВ паровой фазы:
   

Сравнивая полученные в п.4а концентрацию паровоздушной смеси с КПВ, делаем заключение, что при 245К над данной жидкой фазой образуется взрывоопасная концентрация насыщенных паров в воздухе.

Пример №8

Рассчитать безопасную концентрацию кислорода при разбавлении углекислым газом смеси паров ацетона в воздухе.

Решение: По табл.3 приложения находим теплоту образования ацетона 248,1∙10³Дж/моль. Из химической формулы ацетона (С₃Н₆О) следует, что m_с=3, m _n=6, m₀=1.Значение остальных параметров выбираем из табл.2 для двуокиси углерода:







Следовательно, при снижении концентрации кислорода в четырехкомпонентной системе, состоящей из паров ацетона, двуокиси углерода, азота и кислорода, до 8,6% смесь является взрывобезопасной. При содержании же кислорода, равном 10,7% эта смесь будет предельной по взрываемости. Согласно справочным данным (справочник « Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической промышленности».-М,:Химия,1979), МВСК ацетоно- воздушной смеси при разбавлении ее двуокисью углерода составляет14,9%. Определим относительную ошибку расчета:



Таким образом, результаты расчета МВСК занижены на 28%

Контрольные задачи

1. 
   По предельной теплоте сгорания определить, как изменяется нижний концентрационный предел воспламенения в воздухе от положения предельных углеводородов( этан, пропан, бутан, пентан, пропан, гексан) в гомологическом ряду. Построить график зависимости НКПВ от молекулярной массы горючего.
   
2. 
   По аппроксимационной формуле рассчитать, как изменяются концентрационные пределы жирных спиртов (метиловый, этиловый, гексиловый, октиловый) в гомологическом ряду. Построить график зависимости нижнего и верхнего пределов воспламенения от молекулярной массы горючего.
   
3. 
   Определить концентрационные пределы воспламенения сероуглерода при атмосферном давлении, равном 990ГПа, если его температурные пределы составляют 223+299К
   
4. 
   Рассчитать концентрационные пределы воспламенения бензола, если температурные пределы равны 259+283К. Определить ошибку.
   
5. 
   Определить концентрационные пределы воспламенения парогазовой смеси, состоящей из 20% этана, 60% этилена и 20% паров этилового спирта.
   
6. 
   Определить концентрационные пределы воспламенения в воздухе смеси паров, состоящей из 50%бензола,35% толуола и 15% фенола, при увеличении температуры с 298 до 373К.
   
7. 
   Определить , образуется ли взрывоопасная концентрация при испарении в помещении объемом 220м³ 15кг деканола, если температура 310К, давление 1105ГПа?
   
8. 
   Определить возможно ли образование взрывоопасной концентрации при температуре 298 К над поверхностью жидкой фазы, состоящей из 25% уксуснометилового эфира,40% уксусного ангидрида, 35% амилового спирта?
   
9. 
   Определить состав двухкомпонентной газовой смеси, состоящей из паров аммиака и сероводорода, если известно, что ее нижний концентрационный предел воспламенения в воздухе составляет 5,8%.
   
10. 
    Определить безопасную концентрацию кислорода при разбавлении паров уксуснопропилового эфира (∆Н⁰_𝒾=513,7∙10³Дж/моль)в воздухе двуокисью углерода, водяным паром и азотом. Объяснить причину различной флегматизирующей эффективности инертных газов.
    

Домашнее задание

Рассчитать концентрационные пределы воспламенения паров i-го вещества в воздухе. Результаты расчета сравнить с имеющимися справочными данными и определить относительную ошибку (табл. 3.2)

Таблица 3.2

№№ Вари- анта	Горючее вещество	Химическая формула	Условия задачи (расчет КПВ по известным значениям ТПВ производить для атмосферного давления, равного 1013.25ГПа)
	Гептан	С7Н16	По предельной теплоте сгорания
	С8Н18 -40%, С6Н14-60%	----	По формуле Ле-Шателье
	Ацетилен	С2Н2	По аппроксимальной формуле
	Уксусный альдегид	С2Н4О	По предельной теплоте сгорания
	Бензол	С6Н6	По температурным пределам воспламенения
	Ацетон	С3Н6О	По температурным пределам воспламенения
	СН4-40%,СО-50%, С3Н8-10%	-----	По формуле Ле-Шателье
	Амиловый спирт	С5Н12О	По температурным пределам воспламенения
	Этан	С2Н6	По предельной теплоте сгорания
	Толуол	С7Н8	По температурным пределам воспламенения
	СО-70%, СН4-25, С2Н6-5%.	----	По формуле Ле-Шателье
	Уксусная кислота	С2Н4О2	По аппроксимальной формуле
	Уксусно-этиловый эфир	С4Н8О2	По температурным пределам воспламенения
	Глицерин	С3Н8О3	По аппроксимальной формуле
	Ацетон	С3Н6О	По аппроксимальной формуле
	С3Н8-80%, СН4-30%	____	По формуле Ле-Шателье
	Метиловый спирт	СН4О	По температурным пределам воспламенения
	Стирол	С8Н8	По температурным пределам воспламенения
	Фенол	С6Н6О	По предельной теплоте сгорания
	Гексиловый спирт	С6Н14О	По аппроксимальной формуле
	СО-12%, С2Н2-78%, СН4-10%	----	По формуле Ле-Шателье
	Диэтиловый эфир	(С2Н5)2О	По температурным пределам воспламенения
	Гептан	С7Н16	По предельной теплоте сгорания
	С8Н18 -40%, С6Н14-60%	----	По формуле Ле-Шателье
	Ацетилен	С2Н2	По аппроксимальной формуле
	Уксусный альдегид	С2Н4О	По предельной теплоте сгорания
	Бензол	С6Н6	По температурным пределам воспламенения
	Ацетон	С3Н6О	По температурным пределам воспламенения
	СН4-40%,СО-50%, С3Н8-10%	-----	По формуле Ле-Шателье
	Амиловый спирт	С5Н12О	По температурным пределам воспламенения
	Этан	С2Н6	По предельной теплоте сгорания
	Толуол	С7Н8	По температурным пределам воспламенения
	СО-70%, СН4-25, С2Н6-5%.	----	По формуле Ле-Шателье
	Уксусная кислота	С2Н4О2	По аппроксимальной формуле
	Уксусно-этиловый эфир	С4Н8О2	По температурным пределам воспламенения
	Глицерин	С3Н8О3	По аппроксимальной формуле
	Ацетон	С3Н6О	По аппроксимальной формуле
	С3Н8-80%, СН4-30%	____	По формуле Ле-Шателье
	Метиловый спирт	СН4О	По температурным пределам воспламенения
	Стирол	С8Н8	По температурным пределам воспламенения
	Фенол	С6Н6О	По предельной теплоте сгорания
	Гексиловый спирт	С6Н14О	По аппроксимальной формуле
	СО-12%, С2Н2-78%, СН4-10%	----	По формуле Ле-Шателье
	Диэтиловый эфир	(С2Н5)2О	По температурным пределам воспламенения