ршр 1. теория горения №5. Задание 1 Номер

• Название: Задание 1 Номер
• Анкор: ршр 1
• Дата: 16.11.2021
• Размер: 343.5 Kb.
• Имя файла: теория горения №5.doc
• Тип: Решение; #273921

Задание № 1 Номер варианта 5

Рассчитать объем и массу окислительной среды, необходимые для горения i – го горючего вещества.

Дано:

Номер варианта	Горючее вещество	Химическая формула	Количество горючего	Состав окислитель-ной среды	Условия горения
1	2	3	4	5	6
5	Динитротолуол	C7H6(NO2)2	4 кг	Воздух	T = 290 К P = 90000 Па α = 1,4

Решение.

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 , – объемное (% об.) содержание азота и кислорода в окисли -тельной среде соответственно. Следовательно, на 1 м³ (кмоль) кислорода в воздухе приходится 3;76 м³ (кмоля) азота.

Весовое соотношение азота и кислорода в воздухе можно определить, исходя из соотношения

, (1.2)

где , – молекулярные массы соответственно кислорода и азота.

Для удобства расчетов горючие вещества разделяют на три типа (таблица 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.).

Таблица 1.1 – Формулы расчета теоретического количества воздуха

Тип горючих веществ	Расчетные формулы	Размерность
Индивидуальное вещество	(1.3а)	;
	(1.3б)
Вещества сложного состава	(1.4)
Смесь газов	(1.5)	;
Примечание. – теоретическое количество воздуха; – количество горючего, кислорода и азота из уравнения химической реакции горения, кмоль; М – молекулярная масса горючего; VО – объем 1 кмоля газа при нормальных условиях (22, 4 м3); С, Н, S, О – весовое содержание соответствующих элементов в составе горючего, %; – концентрация i - го горючего компонента. % об.; – концентрация кислорода в составе горючего газа, % об.; – количество кислорода, необходимого для окисления одного i-го кмоля компонента, кмоль.

Для определения объема воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются следствием из уравнения состояния идеальных газов:

, (1.6)

где р₀ – нормальное давление, Па;

где Т₀ – нормальная температура, К;

где V₀ – объем воздуха при нормальных условиях;

где р₁, V₁, T₁ – соответственно, давление, объем и температура воздуха, характеризующие заданные условия горения.

Практический объем воздуха, поступившего в зону горения, обозначают V_B. Отношение практического объема воздуха к теоретическому называется коэффициентом избытка воздуха :

. (1.7)

Решение

В данном случае горючее – индивидуальное химическое соединение, а окислителем является воздух

. Для расчета запишем уравнение химической реакции горения:



и найдем:

n_Г = 1; = 8,5; = 33,09. n =2

Молекулярная масса динитротолуола М = 712 + 61 + 214 + 416 = 170;

Объем 1 кмоля газа при нормальных условиях составляет 22,4 м³

Рассчитаем количество окислительной среды на 1 кг динитротолуола

; = 5,48 .

Из формулы (1.7) рассчитаем практическое количество окислительной смеси при нормальных условиях:

= 7,672 .

Находим количество окислительной смеси, пошедшей на горение вещества при заданных условиях горения, используя формулу (1.6):

=33,8

Масса окислительной среды



Задание № 2

Рассчитать объем образующихся продуктов (м³) при горении i – го горючего вещества.

Номер варианта	Горючее вещество	Химическая формула горючего вещества	Количество горючего	Состав окислитель-ной среды	Условия горения
1	2	3	4	5	6
5	Дибутилов. эфир	H9C4 – O – С4H9	0,5 кг	O2 – 30% N2 – 70%	Tг = 1420 К P = 101325 Па α = 1,4

С целью упрощения, расчета все горючие вещества разделены на три типа: индивидуальные, сложные и смеси горючих газов (таблица 1.2).

Таблица 1.2 – Формулы расчета объема и состава горения

Тип горючих веществ	Расчетные формулы	Размерность
Индивидуальное вещество	(1.14)	;
	(1.15)
Вещества сложного состава	(1.16)
	(1.17)
	(1.18)
	(1.19)
Смесь газов	(1.20) (1.20)	;
Примечание. – теоретическое количество продуктов горения; – количество i-ro продукта горения в уравнении реакций, кмоль; nГ – количество горючего, кмоль; V0 – объем 1 кмоля газа; М – молекулярная масса горючего; – объем i-го продукта реакции; С, Н, S, О, N – содержание соответствующих элементов (углерода, водорода, серы, кислорода и азота) в горючем веществе, % вес.; – содержание j-го горючего компонента в газовой смеси, % об.; – содержание i-го негорючего компонента в составе газовой смеси, % об.

Практический (полный) объем продуктов горения состоит из теоретического объема продуктов горения и избытка воздуха:

(1.21)

или

. (1.22)

Состав продуктов горения, т.е. содержание i-го компонента, определяется по формуле

, (1.23)

где – содержание i-го компонента в продуктах горения, % об.;

где – объем i-го компонента, м³; кмоль;

где – полный объем продуктов горения, м³; кмоль.

При горении в избытке воздуха в продуктах горения содержатся кислород и азот:

; (1.24)

, (1.25)

где – теоретический объем азота в продуктах горения, м³; кмоль.

. (1.26)

Решение

Горючее – индивидуальное химическое соединение.

Запишем уравнение химической реакции горения:



Окислитель содержит 30% кислорода и 70 % азота. Определяем содержание азота в продуктах сгорания



С учетом этого и α = 1,4, реакция горения выглядит так:

Объем продуктов горения при сгорании 1 кг дибутилового эфира



Объем продуктов горения при заданных условиях (1420 К, Р = 101325Па и

α = 1,4):


Задание №3

Задачи по расчету теплот сгорания веществ

Номер варианта	Задача
1	2
5	Рассчитать теплоту сгорания смеси газов CH4 : NH3=70:30

Расчет теплоты сгорания веществ

При расчетах теплового баланса на пожаре, как правило, определяют низшую теплоту сгорания (таблица 2.1):

, (2.1)

где Q_В – высшая теплота сгорания;

где Q_H – низшая теплота сгорания;

где Q_ИС – теплота испарения воды, выделяющейся при сгорании вещества,

Таблица 2.1 – Формулы расчета теплоты сгорания

Тип горючих веществ	Расчетные формулы	Размерность
Индивидуальное вещество	(2.2)	кДж/моль
Вещества сложного состава (формула Д.И. Менделеева)	(2.3)	кДж/моль
Смесь газов	(2.4)	кДж/моль кДж/м3
Примечание. – теплоты образования одного кмоля i-го конечного продукта горения и j-го исходного вещества, соответственно (таблица А.1); ni, nj – количество кмолей i-го продукта горения и j-го исходного вещества в уравнении реакции горения, соответственно; С, Н, S, W – содержание, % вес., углерода, водорода, серы и влаги в составе вещества, соответственно; О – сумма кислорода и азота, % вес.; – низшая теплота сгорания i-го горючего компонента газовой смеси, кДж/моль; кДж/м3; – содержание i-го горючего компонента в газовой смеси, % об.

Решение

Расчет теплоты сгорания газовоздушных смесей проводят по формуле

(2.5)

где – теплота сгорания газовоздушной смеси, кДж/моль, кДж/м³;

где Q_H – низшая теплота сгорания горючего вещества, кДж/моль, кДж/м³;

где φ_г – концентрация горючего в смеси, % об.

=

Задание №4

Рассчитать температуру горения i-го вещества

Номер варианта	Горючее вещество	Химическая формула	Состав окислительной среды	Условия горения
1	2	3	4	5
5	Этан	С2Н6	О2 – 30% N2 – 70%	α = 1,9 η = 0,25

Температура горения определяется из уравнения теплового баланса:

. (2.8)

При этом адиабатическая температура горения:

, (2.9)

а действительная температура горения:

, (2.10)

где и Т_Г – соответственно адиабатическая и действительная температура горения;

где Т₀ – начальная температура;

где С_РВ, – соответственно теплоемкости воздуха и i-го продукта горения;

где – объем i-го продукта горения;

где V_B – избыток воздуха;

где Q_H – низшая теплота горения вещества;

где Q_ПГ – теплота, пошедшая на нагрев продуктов горения.

При этом Q_ПГ = Q_H (1 – η), (2.11)

где η – доля теплопотерь в результате излучения энергии, химического и механического недожога.

Расчет температуры горения по формулам (2.9) или (2.10) может быть проведен только методом последовательных приближений, т.к. теплоемкость газов зависит от температуры, т.е. температуры горения (таблица 2.3).

Таблица 2.3 – Последовательность расчета температуры горения

Определяемые параметры	Примечание
1. Объем и состав продуктов горения	кмоль; м3 (см. раздел 1.2)
2. Низшая теплота горения или количество тепла, пошедшего на нагрев продуктов горения (при наличии теплопотерь)	QH или QПР (см. раздел 2.1) кДж/моль, кДж/кг
3. Среднее значение энтальпии продуктов горения	(2.12)
4. По средней энтальпии с помощью таблицы 1 а (если ΔНСР выражена в кДж/моль) или таблицы 1б (если ΔНСР выражена в кДж/м3), ориентируясь на азот (наибольшее содержание в продуктах горения), определяем приближенно температуру горения T1
5. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения с температурой, равной T1 (таблицы 1а и 1б)	, (2.13)
6. Сравниваем QПГ с QH(ПГ) если QПГ < QH(ПГ), тo задаемся T2 > T1; если QПГ > QH(ПГ), тo задаемся T2 < T1	ΔНi – энтальпия i-го продукта горения; Vi – объем i-го продукта горения
7. Рассчитываем QПГ по формуле (2.13)
8. Расчет проводим до получения неравенства вида Q`ПГ H(ПГ) ПГ
9. Интерполяцией определяем температуру горения	(2.14)

Действительная температура горения на пожаре для большинства газообразных, жидких и твердых веществ изменяется в достаточно узких пределах (1300 – 1800 К).

В связи с этим расчет действительной температуры горения может быть значительно упрощен, если теплоемкость продуктов горения выбирать при температуре 1500 К:

,

где – теплоемкость i-го продукта горения при 1500 К (таблица 2.4).

Таблица 2.4 – Теплоемкости продуктов горения при 1500 К

Вещество	Теплоемкость
	кДж/(м3·К)	кДж/(моль·К)
Двуокись углерода	2,27	50,85·10-3
Двуокись серы	2,28	51,07·10-3
Вода (пар)	1,78	39,87·10-3
Азот	1,42	31,81·10-3
Воздух	1,44	32,26·10-3

Решение. Расчет проводим по схеме, приведенной в таблице 2.3.

1. Так как горючее – индивидуальное вещество, для определения объема и состава продуктов горения запишем уравнение химической реакции горения:

С₂Н₆ + 3,5О₂ + 3,5·3,76 N₂ = 2СО₂ + ЗН₂О + 3,5·3,76 N₂.

Следовательно, состав продуктов горения в молях:

= 2 моля, = 3 моля, = 13,16 моля.

V_ПГ = 2 + 3 + 13,16 = 18,16 моля.

2. Низшую теплоту сгорания определяем по формуле (2.2).

Из таблицы 3 находим теплоту образования этана – 88,4 кДж/моль:

Q_H = 2·396,6 + 3·242,2 – 88,4 = 1431,46 кДж/моль.

3. Средняя энтальпия продуктов горения:

ΔН_СР = = 78,82 кДж/моль.

4. Так как ΔН_СР выражена в кДж/моль, то по таблице 1б, ориентируясь на азот, выбираем первую приближенную температуру горения T₁ = 2300°C.

5. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 2300°С по формуле (2.13):

Q_ПГ =126,9·2 +104,2·3 + 77,8·11,28 = 1444,0 кДж/моль.

6. Сравниваем Q_H и Q_ПГ, так как Q_ПГ > Q_H, выбираем температуру горения, равной 2200 °С.

7. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при 2200 °С:

= 120,8·2 + 98,8·3 + 74,1·13,16 = 1512,3 кДж/моль.

Так как > Q_H, принимаем температуру, равной 2000 °С.

= 108,6·2 + 88,1·3 + 66,8·13,16 = 1360,6 кДж/моль.

8. Так как < Q_H < , определяем температуру горения:

= 2110 °С.