Горючее – сложное вещество с известным элементным составом
Лекции.ИНФО


Горючее – сложное вещество с известным элементным составом



 

В этом случае теоретический выход продуктов горения определяется как сумма продуктов горения каждого элемента, входящего в состав вещества.

Рассчитаем, какой теоретический объем продуктов горения образуется при сгорании 1 кг каждого элемента при нормальных условиях.

 

Для углерода:

1 кг х1 м3 х2 м3

С + (О2 + 3,76N2) = СО2 + 3,76N2

12 кг 22,4 м3 3,76×22,4 м3

V(СО2) = х1 = = 1,87 м3

V(N2) = х2 = = 7,0 м3

 

Для водорода:

 

1 кг х1 м3 х2 м3

Н + 0,25(О2 + 3,76N2) = 0,5Н2О + 0,25×3,76N2

1 кг 0,5×22,4 м3 0,25×3,76×22,4 м3

V(Н2О) = х1 = = 11,2 м3

V(N2) = х2 = = 21,0 м3

 

Для серы:

 

1 кг х1 м3 х2 м3

S + (О2 + 3,76N2) = SО2 + 3,76N2

32 кг 22,4 м3 3,76×22,4 м3

V(SО2) = х1 = = 0,7 м3

V(N2) = х2 = = 2,63 м3

 

Для фосфора:

 

1 кг х1 м3 х2 м3

Р + 1,25(О2 + 3,76N2) = 0,5Р2О5 + 1,25×3,76N2

31 кг 0,5×22,4 м3 1,25×3,76×22,4 м3

 

V(Р2О5) = х1 = = 0,36 м3

V(N2) = х2 = = 3,4 м3

 

В состав горючего вещества может входить азот, влага, которые удаляются вместе с продуктами горения.

Объем 1 кг азота при нормальных условиях составит:

 

V(N2) = = 0,8 м3

 

При нормальных условиях 1 кг паров воды займет объем:

 

V(Н2О) = = 1,24 м3

 

Если в состав горючего вещества входит кислород, то при горении он будет расходоваться на окисление горючих компонентов (углерода, водорода, серы, фосфора) и, поэтому из воздуха на горение будет израсходовано кислорода меньше на количество, которое содержалось в горючем веществе. Следовательно, в продуктах горения и азота будет меньше на количество, которое приходилось бы на кислород, если бы он находился не в горючем веществе, а в воздухе.

На 1 кг кислорода в воздухе будет приходиться объем азота, равный

V(N2) = = 2,63 м3

 

Полученные значения выходов продуктов горения элементов приведены в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1.Теоретический объем продуктов горения элементов сложных веществ при нормальных условиях

 

Элемент Объем продуктов горения (м3) на 1 кг вещества
СО2 Н2О SO2 Р2О5 N2
Углерод 1,87       7,0
Водород   11,2     21,0
Сера     0,7   2,63
Фосфор       0,36 3,4
Азот в горючем         0,8
Азот за счет кислорода в горючем         - 2,63
Влага в горючем   1,24      

 

Используя данные таблицы 3.1., можно вычислить объем продуктов горения любого вещества с известным элементным составом.

Пусть w (С), w (Н), w (S), w (О),w (N) – – массовые доли элементов в веществе, %; w (W) – содержание влаги в веществе, %.

Тогда общие формулы для расчета каждого компонента продуктов горения при сгорании заданной массы (m) вещества будут иметь следующий вид:

 

V(СО2) = , м3 (2.9)

 

V(H2O) = , м3 (2.10)

 

V(SО2) = , м3 (2.11)

 

V(N2) = , м3 (2.12)

 

Расчет объема и процентного состава продуктов горения вещества сложного элементного состава Пример 2.10. Определить объем и процентный состав продуктов горения 5 кг каменного угля следующего состава (в %): С – 75,8 %, Н – 3,8 %, О – 2,8 %, S – 2,5 %, N – 1,1 %, W – 3,0 %, зола – 11,0 %. Горение протекает при a = 1,3, условия нормальные.

1. По формулам (2.9) – (2.12) определяем объем каждого компонента продуктов горения 5 кг каменного угля.

 

V(СО2) = 5× = 7 м3

V(H2O) = 5× = 2,31 м3

V(SО2) =5× = 0,085 м3

V(N2) = 5× = 33,14 м3

VПГ = 7 + 2,31 + 0,085 + 33,14 = 42,5 м3

 

2. Горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,3, следовательно, в состав продуктов горения будет входить избыточный воздух.

По формуле (2.8) определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной массы образца угля:

Vвтеор = 5 × = 38,6 м3

Избыток воздуха определим по формуле (2.4):

 

DVв= Vвтеор(a -1) = 38,6×(1,3 – 1) = 11,6 м3

 

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

 

VПГ* = VПГ + DVв = 42,5 + 11,6 = 54,1 м3

 

3. Определим процентный состав продуктов горения:

 

jоб (СО2) = = = 12,9 %

jоб2О) = = = 4,3 %

jоб (SО2) = = = 0,2 %

jоб (N2) = = = 61,2 %

jоб (DVв) = = = 21,4 %

 

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

 

Тепловое воздействие – один из наиболее опасных факторов пожара, который вызывает основные разрушения, уничтожает материальные ценности, вызывает гибель людей, определяет обстановку на пожаре, создает огромные трудности при его ликвидации. Расчет тепловых явлений, сопровождающих горение, позволяет принять правильные и своевременные меры противопожарные защиты.

Практически единственным источником тепловой энергии любого процесса горения, а значит, и любого пожара, является тепловой эффект химических реакций окисления в пламени, т.е. теплота горения, которая относится к важнейшим характеристикам пожарной опасности веществ и материалов.

 

Расчет теплоты горения

 

Энтальпией горения (DНгор, кДж/моль) вещества называется тепловой эффект реакции окисления 1 моль горючего вещества с образованием высших оксидов.

Теплота горения (Qгор) численно равна энтальпии горения, но противоположна по знаку.

Для индивидуальных веществ тепловой эффект реакции может быть рассчитан по

I следствию закона Гесса.

 

Расчет теплового эффекта реакции горения индивидуального вещества Пример 3.1. Рассчитать тепловой эффект реакции горения 1 моль бутана С4Н10.

 

1. Запишем уравнение реакции горения бутана.

С4Н10 + 6,5(О2 +3,76 N2) = 4СО2 + 5Н2О + 6,5×3,76 N2

 

2. Выражение для теплового эффекта этой реакции по I следствию закона Гесса

0р-и = 4DН0(СО2) + 5DН02О) - DН04Н10).

 

3. По таблице 1 приложения находим значения энтальпий образования углекислого газа, воды (газообразной) и бутана.

0(СО2) = -393,5 кДж/моль;02О) = - 241,8 кДж/моль;

04Н10) = - 126, 2 кДж/моль.

Подставляем эти значения в выражение для теплового эффекта реакции

0р-и = 4×(–393,5) + 5×(–241,8) – (- 126,2) = - 1656,8 кДж

0р-и = 0гор = - 1656,8 кДж/моль или Qгор = + 1656,8 кДж/моль.

 

Таким образом, при сгорании 1 моля бутана выделяется 1656,8 кДж тепла.

 

В пожарно-технических расчетах часто пользуются понятием удельной теплоты горения. Удельная теплота горения – это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества. Размерность удельной теплоты горения – кДж/кг или кДж/м3.

В зависимости от агрегатного состояния воды в продуктах горения различают низшую и высшую теплоту горения. Если вода находится в парообразном состоянии, то теплоту горения называют низшей теплотой горения Qн. Если пары воды конденсируются в жидкость, то теплота горения – высшая Qв.

Температура пламени достигает 100 К и выше, а вода кипит при 373 К, поэтому в продуктах горения на пожаре вода всегда находится в парообразном состоянии, и для расчетов в пожарном деле используется низшая теплота горения Qн.

Низшая теплота горения индивидуальных веществ может быть определена переводом значения DНгор, кДж/моль в Qн, кДж/кг или кДж/м3. Для веществ сложного элементного состава низшая теплота горения может быть определена по формуле Д.И. Менделеева. Кроме того, для многих веществ значения низшей теплоты горения приведены в справочной литературе, некоторые данные представлены в приложении 2.

 

Перевод значения энтальпии горения из кДж/моль в кДж/кг Пример 3.2. Энтальпия горения этилацетата СН3СООС2Н5 равна гор = - 2256,3 кДж/моль. Выразить эту величину в кДж/кг.

 

Значение гор = - 2256,3 кДж/моль показывает, что при сгорании 1 моля этилацетата выделяется 2256,3 кДж тепла, т.е. Qгор = + 2256,3 кДж/моль.

1 моль СН3СООС2Н5 имеет массу 88 г. Можно составить пропорцию

 

М (СН3СООС2Н5) = 88 г/моль ¾ Qгор = 2256,3 кДж/моль

1 кг = 1000 г ¾ Qн кДж/кг

 

кДж/кг

 

В общем виде формула для перевода из размерности кДж/моль в кДж/кг выглядит следующим образом:

 

; кДж/кг (3.1)

 

Если необходимо осуществить перевод из размерности кДж/моль в кДж/м3, то можно воспользоваться формулой

, кДж/м3. (3.2)

 

Расчет низшей теплоты сгорания Qн по формуле Д.И. Менделеева Пример 3.3. Вычислить низшую теплоту сгорания сульфадимезина С12Н14О2N4S по формуле Д.И. Менделеева.

 

Значения низшей теплоты сгорания веществ и материалов могут быть рассчитаны по формуле Д.И.Менделеева. Данная формула может быть использована для расчетов Qн веществ сложного элементного состава, а также для любых индивидуальных веществ, если предварительно рассчитать массовую долю каждого элемента в соединении (w).

 

QН = 339,4×w(C) + 1257×w(H) - 108,9 [(w(O) +w(N)) -w(S)] - 25,1[9×w(H) +w(W)], кДж/кг,

(3.3)

где

w (С), w (Н), w (S), w (О),w (N) – – массовые доли элементов в веществе, %; w (W) – содержание влаги в веществе, %.

 

1. Для того, чтобы воспользоваться данной формулой, необходим расчет процентного состава каждого элемента в веществе (массовой доли).

Молярная масса сульфадимезина С12Н14О2N4S составляет 278 г/моль.

 

w(C) = (12×12)/278 = 144/278 = 0,518 ×100 = 51,8 %

w(H) = (1×14)/278 = 14/278 = 0,05 ×100 = 5,0 %

w(O) = (16×2)/278 = 32/278 = 0,115 ×100 = 11,5 %

w(N) = (14×4)/278 = 56/278 = 0,202 ×100 = 20,2 %

w(S) = 100 – (51,8 + 5,0 + 11,5 + 20,2) = 11,5 %

 

2. Подставляем найденные значения в формулу Д.И. Менделеева.

QН = 339,4×51,8+1257×5,0-108,9×(11,5+20,2-11,5)-25,1×9×5,0 = 22741 кДж/кг.

 

Теплота горения смеси газов и паров определяется как сумма произведений теплот горения каждого горючего компонента (Qн) на его объемную долю в смеси (jоб):

 

Qн = , кДж/м3. (3.4)

 

Можно воспользоваться эмпирической формулой для расчета Qн для газовой смеси:

Qн = 126,5×j(СО) + 107,7×j(Н2) + 358,2×j(СН4) + 590,8×j(С2Н4) + 636,9×j(С2Н6) + 913,4×j(С3Н8) + 1185,8×j(С4Н10) + 1462,3×j(С5Н12) + 234,6×j(Н2S), кДж/м3(3.5)

 

Расчет температуры горения

 

Выделяющееся в зоне горения тепло расходуется на нагревание продуктов горения, на нагрев горючего вещества и окружающей среды. Та температура, до которой в процессе горения нагреваются продукты горения, называется температурой горения. В технике и пожарном деле различают теоретическую, калориметрическую, адиабатическую и действительную температуру горения (табл.3.1).

 

Таблица 3.1. Условия определения температуры горения

 

Температура горения Условия определения
Q потерь a Учет диссоциации ПГ
Теоретическая да
Калориметрическая нет
Адиабатическая ¹1 нет
Действительная ¹0 ¹1 нет

 

В общем случае для вычисления температуры горения используется следующая зависимость:

 

QПГ = VПГ × ×ТГ , где (3.6)

QПГ – теплота (теплосодержание) продуктов горения, кДж/кг;

VПГ – объем продуктов горения, м3/кг;

– средняя объемная теплоемкость смеси продуктов горения в интервале температур от

Т0 до Тг, кДж/м3×К;

ТГ – температура горения, К.

 

При расчете калориметрической температуры горения исходят из того, что теплопотери в окружающую среду отсутствуют, и в этом случае низшая теплота сгорания горючего вещества (Qн) равна теплосодержанию продуктов горения (QПГ), т.е. энергии, необходимой для нагревания продуктов горения от 00С до теоретической температуры горения.

В реальных условиях температура горения зависит не только от состава горючего материала, но и от условий горения: разбавления продуктов горения избыточным воздухом (что учитывается коэффициентом избытка воздуха a), начальной температуры воздуха, полноты сгорания исходного горючего материала и наличия теплопотерь (коэффицент теплопотерь h).

 

Qпотерь = Qизлучения + Qнедожог + Qдиссоциации ПГ (3.7)

 

В зависимости от рода учитываемых потерь теплоты из зоны горения вычисляется та или иная температура горения.

Расчет температуры горения проводят по уравнению энергетического баланса:

 

Qн × (1 – h) = VПГпр × Ср × (ТГ – Т0) , где (3.8)

Qн – тепло, выделяемое в реакции горения, кДж;

h – коэффициент теплопотерь; Qн × (1 – h)= QПГ;

VПГпр – объем продуктов полного горения с учетом избытка воздуха, м3;

Ср – средняя объемная теплоемкость продуктов горения при постоянном давлении,

кДж/м3×К;

ТГ – температура горения, К;

Т0 – начальная температура, К.

 

Из уравнения (3.8) следует, что для расчета температуры горения необходимо знать теплоту горения, объем и теплоемкость продуктов горения.

В первом приближении температуру горения можно рассчитать непосредственно из уравнения (3.6), имея в виду, что средняя теплоемкость газообразных продуктов горения в интервале температур 1500 – 2500 К может быть принята равной

= 1,75 кДж/м3×К. Однако, теплоемкость зависит от температуры, и поэтому для более точных расчетов значения теплоемкостей берут из таблиц (приложение 3 и 4), а подсчет производят методом последовательных приближений (методом итераций), каждый раз определяя теплосодержание продуктов горения при выбранной температуре.

 









Читайте также:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-17; Просмотров: 145;


lektsia.info 2017 год. Все права принадлежат их авторам! Главная