Курсовая работа (п): Расчет взрывопожароопасности метана, нефти, торфа

  Количество углеродных цепей: ????_С7Н16=1, длина углеродной цепи ????_С7Н16=1

 Бесцветная прозрачная жидкость без взвесей, получаемая в результате пере-   гонки нефти ~ при 100,5⁰С.   Содержание (по массе): С–84%; Н–16%.

 Молярная масса: ????_С7Н16 = 100,21кг/кмоль. t⁰плавл.= –91,61⁰С, t⁰кип.= 98,49⁰С

 Уравнение материального баланса процесса горения п- гептана с воздухом:

              С₇Н₁₆+11(O₂ + 3,76N₂) = 7CO₂ + 8H₂O + 11*3,76N₂   

  Теплота образования гептана  ∆Н⁰_????С7Н16 = – 206,1кДж/моль

2.3. Твёрдое вещество:фрезерный торф

Торф (нем. Torf), горючее полезное ископаемое, образующееся в процессе естественного отмирания и неполного распада болотных растений в условиях избыточного увлажнения и затруднённого доступа воздуха.

Фрезерный торф - сыпучая смесь мелких частиц, различных по своим размерам. Фрезерный способ получил свое название от начальной исходной операции - фрезерования. Вращаясь вокруг собственной оси и заглубляясь в залежь, фрезы снимают небольшой по толщине слой, превращая его в крошку.

Объемный вес абсолютно сухого фрезерного торфа равняется примерно 290 кг/м³, теплотворная  способность 2650—3120 ккал/кг (при 40% влажности).

     Температура самовоспламенения торфа от 250 до 400⁰С в зависимости от состава выделяющихся летучих веществ.

3. Теоретические материалы

3.1. Некоторые сведения из молекулярной физики

В  молекулярной физике количество вещества удобно выражать в молях или киломолях. 1 моль вещества – количество вещества в граммах, масса которого численно равна молекулярной массе. Например, масса 1 моля водорода H2 равна 2 г/моль, а масса 1 моля метана CH4 – 16 г/моль.

      В связи с тем, что масса 1 моля вещества численно равна его молекулярной массе, то в 1 моле любого вещества содержится одинаковое количество молекул. Оно составляет N_А = 6,02*10²³ молекул/моль (число Авогадро). Поэтому в газообразном состоянии 1 моль любого вещества при нормальных условиях занимает один и тот же объем, равный 22,4 л. Таким образом, объем 1 моля любого газа при Т⁰ = 273 К и Р⁰ = 1,013*10⁵ Па составляет 22,4 л/моль.

     Объем 1 моля  газа можно определить из уравнения состояния (Клапейрона-–Менделеева)                                  ,  

где m – масса вещества, М – масса одного моля вещества, M/m – число молей вещества,     R – универсальная газовая постоянная (R = 8,31Дж/(моль×К).

Для 1 моля вещества (m/М = 1) объем газа при нормальных условиях составит       ,

где Дж=Н*м,  Па = Н/м². Если условия отличаются от нормальных, необходимо ввести поправки на температуру и давление. Для этого можно использовать объединенный газовый закон             

3.2. Уравнение материального баланса

       При горении веществ в воздухе происходит быстрая химическая реакция между горючим веществом и кислородом воздуха с интенсивным тепловыделением. В результате этой реакции образуются в основном окислы элементов, входящих в состав горючего вещества. При сгорании углеводородов, состоящих из атомов С и Н, образуется СО₂ (двуокись углерода) и Н₂О (вода). При неполном сгорании наряду с ними образуются СО (окись углерода) и С (твердый углерод) в виде сажи.  При написании уравнения горения и составлении материального баланса, как правило, записывают только продукты полного окисления СО₂ и Н₂О. Если в составе горючего вещества есть сера (S), то при сгорании образуется SО₂. Азот (N), входящий в состав горючего вещества, при горении в воздухе не окисляется, а выделяется в виде свободного азота (N₂). Объясняется это тем, что при горении в воздухе температура горения относительно невысокая (1500-2000 К) и при такой температуре окислы азота не образуются.                        Примеры реакций горения:   

горение метана            СН₄+ 2О₂ → СО₂ + 2Н₂О

горение п-гептана  С₇Н₁₆ + 11О₂→7СО₂+8Н₂О

     Здесь согласно закону сохранения массы количество атомов каждого элемента в левой и правой части химического уравнения должно быть одинаковым. Эти записанные уравнения химических реакций горения показывают только начальное и конечное состояние системы, т.е. какие исходные вещества вступают в реакцию и какие продукты при этом образуются. Они не отражают механизма химического взаимодействия при горении, который протекает через ряд промежуточных стадий с участием атомов и радикалов.

      Уравнение материального баланса процесса горения отличается от уравнения химической реакции тем, что в него для удобства расчетов включают азот, содержащийся в воздухе и не участвующий в химическом превращении. Поскольку воздух состоит из 21 % (об.) кислорода и 79 % (об.) азота, т.е. в нем на 1 моль кислорода приходится 79/21 = 3,76 молей азота и в уравнении материального баланса перед азотом ставят коэффициент 3,76. Уравнение  материального баланса для горения метана будет:

                      CH₄ + 2O₂ + 2*3,76N₂ = CO₂ + 2H₂O + 2*3,76N₂

а уравнение материального баланса для горения п- гептана будет:

                     С₇Н₁₆+11(O₂ + 3,76N₂) = 7CO₂ + 8H₂O + 11*3,76N₂   

                                  3.3. Теплота сгорания вещества

     Горючее, имеющее в своем составе водород,  при  сгорании образует воду в газообразном состоянии, которая, охлаждаясь, будет конденсироваться. Так как в процессе конденсации паров тепло выделяется, то общее количество теплоты, полученное при сгорании вещества, будет больше на эту величину, при этом количество теплоты, выделяющееся при конденсации паров, равно количеству теплоты, затраченному на парообразование. Тогда Qв = Qн+r, где – Qв высшая теплота сгорания вещества,  r – удельная теплота парообразования воды, а Qн – низшая теплота сгорания это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы количества горючего вещества (моль, кг или м3).

  Qн  может быть рассчитана по закону Гесса, который говорит о том, что тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплоты образования продуктов реакции и теплоты образования исходных веществ, при этом надо учитывать, что теплота образования простого вещества (вещества, молекулы которого состоят из атомов одного элемента, например, N₂, O₂, H₂, S, C...) принимается равной нулю.   

3.4.  Пожаровзрывоопасность веществ и материалов

        Пожаровзрывоопасность веществ и материалов определяется показателями, выбор которых зависит от агрегатного состояния вещества (материала) и условий его применения.   При определении пожаровзрывоопасности веществ и материалов различают:

·  газы - вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25 °С превышает 101,3 кПа;

·   жидкости - вещества, давление насыщенных паров которых при температуре 25 °С меньше 101,3 кПа. К жидкостям относят также твердые плавящиеся вещества, температура плавления или каплепадения которых меньше 50 °С;

·    твердые вещества и материалы - индивидуальные вещества и иx смесевые композиции с температурой плавления или каплепадения больше 50°С, а также вещества, не имеющие температуру плавления (например, древесина, ткани и т. п.);

·   пыли - диспергированные твердые вещества и материалы с размером частиц менее 850 мкм.

        По горючести вещества и материалы подразделяют на:

негорючие (несгораемые) - вещества и материалы, не способные к горению в воздухе. Негорючие вещества могут быть пожаровзрывоопасными (например, окислители или вещества, выделяющие горючие продукты при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом);

трудногорючие (трудносгораемые) - вещества и материалы, способные гореть в воздухе при воздействии источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления;

легковоспламеняющиеся – это горючие жидкости с температурой вспышки не более 61°С в закрытом тигле или не более 66 °С в открытом тигле;

 особо опасными называют легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28 °С.    Номенклатура показателей и их применяемость для характеристики пожаровзрывоопасности веществ и материалов приведены в табл.1       

                                                           Табл.1

4. Расчет характеристик пожаровзрывоопасности заданных веществ

 и материалов.

                             4.1. Расчет температуры вспышки п-гептана   

Температура вспышки - наименьшая температура конденсированного вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания, устойчивое горение при этом не возникает.

Температуру вспышки жидкостей (t_всп) в °С, имеющих ниже перечисленные виды связей (табл. 2), вычисляют по формуле:

Где:   α_o - размерный коэффициент, равный минус 73,14 °С;

          α₁ - безразмерный коэффициент, равный 0,659;

          t_кип - температура кипения п-гептана, равная 98,42 °С;

          α_j - эмпирические коэффициенты, приведенные в табл.2;

          l_j - количество связей вида j в молекуле  п-гептана.

                                                                            Табл. 2

По справочным данным    t_всп = – 4⁰С

                   4.2. Расчет температуры воспламенения п-гептана 

Воспламенение - пламенное горение вещества, инициированное источником зажигания и продолжающееся после его удаления.

Температуру воспламенения жидкостей (t_восп) в °С, имеющих ниже перечисленные виды связей (табл. 3), вычисляют по формуле:

Где:    α_o - размерный коэффициент, равный минус 47,78 °С;

           α₁ - безразмерный коэффициент, равный 0,882;

            t_кип - температура кипения п-гептана, равная 98,42 °С;

            α_j - эмпирические коэффициенты, приведенные в табл.3;

            l_j - количество связей вида j в молекуле  п-гептана.    Табл.3                                                                       

   По справочным данным    t_восп =– 4⁰С.

       4.3  Расчет температур самовоспламенения метана, п-гептана и

                                       фрезерного торфа                                                                                     

Самовоспламенение - резкое увеличение скорости экзотермических объемных реакций, сопровождающееся пламенным горением и/или взрывом.

Температура самовоспламенения - наименьшая температура окружающей среды, при которой в условиях специальных испытаний наблюдается самовоспламенение вещества.

Рассчитать температуру самовоспламенения  можно по средней длине углеродной цепи (метод В. Т. Монахова) по формулам:

  при   l_ср  ≤ 5  ;                                

    при   l_ср  ≥ 5  ,                                   

где l_ср - условная средняя длина молекулы соединения.

  Для метана:      l_ср=1,  тогда     .

По справочным данным    t_свс= 530⁰С.

 Для п-гептана:     l_ср=7  и   

По справочным данным t_свс= 234⁰С.

      Для фрезерного торфа:                                                                                      

  Где   А_р = 1,781,  п_р = 0,264  – эмпирические константы,

      S = 172,2 1/м – удельная поверхность образца (размер ребра куба–0,035м)

        t_свс = 213,8⁰С      

        4.4. Расчет концентрационных пределов распространения

                                  пламени  метана и п-гептана

Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени – это соответственно минимальное (максимальное) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Метод расчета концентрационных пределов распространения пламени индивидуальных веществ приводится для начальной температуры 25 °С

Нижний предел (φ_н) в % об. вычисляем по формуле