Контрольная работа: Теория горения и взрыва

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего образования

«Государственный аграрный университет Северного Зауралья»

Кафедра техносферной безопасности

Контрольная работа

Теория горения и взрыва

Выполнил: студент____ курса

Иванов И.И.

Тюмень, 2022

ВАРИАНТ 46

Задача 1.

Рассчитать объем воздуха и продуктов горения (в об. %), образующихся при сгорании 10 кг вещества (табл. 2), если горение происходит при заданных условиях (табл. 2) и коэффициенте избытка воздуха a (табл. 3). Объем продуктов горения привести к заданным условиям.

Таблица 3

Решение

Сгорает индивидуальное горючее вещество, находящееся в газообразном состоянии.

1. Запишем уравнение реакции горения глицерина в воздухе:

C₃H₅(OH)₃ + в(O₂ + 3,76N₂) = 3CO₂ + 4H₂O + 3,76вN₂

n_CO2 = 3

n_H2O = 0,5*8 = 4

в = 3 + 8/4 - 3/2 = 3,5

C₃H₅(OH)₃ + 3,5(O₂ + 3,76N₂) = 3CO₂ + 4H₂O + 3,76*3,5N₂

2. Рассчитаем, какой объем занимает 1 кмоль воздуха (как и любого другого газообразного вещества) при данных температуре и давлении:

V_t = (V₀*P₀*T)/(T₀*P) = (22,4*101,3*308)/(273*110) = 23,27 м³/кмоль

3. Теоретический объем воздуха, пошедшего на сгорание 1 кг глицерина:

V_в^теор = (n_O2 + n_N2)V_t/n_гв*M_гв = 3,5(1 + 3,76)*23,27/1*92 = 4,21 м³/кг

4. По условию задачи коэффициент избытка воздуха б = 1,6

С учетом этого определим практический объем воздуха, необходимый для горения:

V_в^действ = бV_в^теор = 1,6*4,21 =19,27 м³/кг

5. Избыток воздуха составит:

ДV_в = V_в^действ - V_в^теор = 19,27 - 4,21 = 15,06 м³/кг

6. Теоретический объем продуктов горения рассчитываем по формуле:

V_пг^теор = V_tУn_пг/n_гв*M_гв = 23,27(3 + 4 + 3,5*3,76)/1*92 = 5,1 м³/кг

7. Действительный объем продуктов горения составит:

V_пг^действ = V_пг^теор + ДV_в = 5,1 + 15,06 = 20,07 м³/кг

8. Объем воздуха практически необходимого для сгорания 10 кг глицерина составит 192,7 м³, при этом выделится 200,7 м³ продуктов сгорания.

8. Рассчитаем состав продуктов горения:

%CO₂ = (n_CO2 *100%)/Уn_пг = (3*100%)/20,16 = 14,9%

%H₂O = (n_H2O *100%)/Уn_пг = (4*100%)/20,16 = 19,8%

%N₂ = 100% - %CO₂ - %H₂O = 100% - 14,9% - 19,8% = 65,3%

Ответ: на сгорание 10 кг глицерина необходимо 192,7 м³ воздуха, при этом образуется 200,7 м³ продуктов горения, из которых СО₂ - 14,9%, Н₂О - 19,8%, N₂ - 65,3%.

Задача 2.

Определить, какое количество вещества (табл. 6) может выгореть в закрытом помещении объемом V_п, если известно, что горение прекращается при содержании кислорода в помещении, равном ц_O2. Для расчета коэффициента избытка воздуха рекомендуется воспользоваться формулой (11).

Таблица 6

Решение

1. Запишем уравнение реакции горения гексана в воздухе:

C₆H₁₄ + в(O₂ + 3,76N₂) = 6CO₂ + 7H₂O + 3,76вN₂

n_CO2 = 6

n_H2O = 0,5*14 = 7

в = 6 + 14/4 = 9,5

C₆H₁₄ + 9,5(O₂ + 3,76N₂) = 6CO₂ + 7H₂O + 3,76*9,5N₂

2. Теоретический объем воздуха, пошедшего на сгорание 1 кг гексана:

V_в^теор = (n_O2 + n_N2)V_t/n_гв*M_гв = 9,5(1 + 3,76)*22,4/1*86 = 11,78 м³/кг

3. Теоретический объем продуктов горения рассчитываем по формуле:

V_пг^теор = V_tУn_пг/n_гв*M_гв = 22,4(6 + 7 + 9,5*3,76)/1*86 = 12,69 м³/кг

б = 1 + (ц_O2* V_пг^теор)/[V_в^теор*(21 - ц_O2)] = 1 + (16*12,69)/[11,78*(21 - 16)] = 4,45

3. Практический объем воздуха, необходимый для горения:

V_в^действ = бV_в^теор = 4,45*11,78 =52,42 м³/кг

4. Количество гексана, выгоревшего в помещении объемом 600 м³:

m = V_п/V_в^действ = 600/52,42 = 11,45 кг

Ответ: 11,45 кг гексана может выгореть в закрытом помещении объемом 600 м³.

Задача 3.

Методом последовательных приближений рассчитать адиабатическую температуру горения для стехиометрической смеси горючего вещества с воздухом (табл. 7)

Таблица 7

Решение

1. Для определения состава и объема продуктов горения запишем уравнение химической реакции горения диэтилового эфира:

C₄H₁₀O + в(O₂ + 3,76N₂) = 4CO₂ + 5H₂O + 3,76вN₂

n_CO2 = 4

n_H2O = 0,5*10 = 5

в = 4 + 10/4 - 1/2 = 6

C₄H₁₀O + 6(O₂ + 3,76N₂) = 4CO₂ + 5H₂O + 3,76*6N₂

2. Объем продуктов горения составляет:

V_CO2 = 4 моль/моль

V_H2O = 5 моль/моль

V_N2 = 22,56 моль/моль

УV_пг = 31,56 моль/моль

3. Рассчитаем низшую теплоту сгорания диэтилового эфира по следствию из закона Гесса:

Q_н = -(ДH_CO2*n_CO2 + ДH_H2O*n_H2O - ДH_C4H10O*n_C4H10O) = -[(-396,9*4) + (-242,2*5) - (-252,20*1)] = 2546,4 кДж/моль

4. Так как теплопотери отсутствуют, то все выделившееся тепло идет на нагрев продуктов горения. Среднее теплосодержание 1 моля продуктов горения будет составлять:

H_ср = Q_н/УV_пг = 2546,4/31,56 = 80,68 кДж/моль

5. Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры (табл. 9 приложения), можно установить какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать, ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения. Из табл. 9 видно, что при температуре 2300?С теплосодержание азота 77,8 кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры. При Т₁ = 2300?С

Q_н1 = H_CO2*V_CO2 + H_H2O*V_H2O + H_N2*V_N2 = 126,9*4 + 104,2*5 + 77,8*22,56 = 2783,77 кДж/моль

Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения, поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2300?С. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов горения до 2200?С.

Q_н2 = H_CO2*V_CO2 + H_H2O*V_H2O + H_N2*V_N2 = 120,8*4 + 98,8*5 + 74,1*22,56 = 2648,9 кДж/моль

Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения, поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2200?С. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов горения до 2100?С.

Q_н3 = H_CO2*V_CO2 + H_H2O*V_H2O + H_N2*V_N2 = 114,7*4 + 93,4*5 + 70,4*22,56 = 2514,02 кДж/моль

Q_н3 уже меньше, чем Q_н, из этого можно сделать вывод, что температура горения этанола имеет значение между 2100 и 2200?С. Уточним эту температуру линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениями:

T_г = T₃ + (Q_H - Q₃)*[(T₂ - T₃)/(Q₂ - Q₃)] = 2100 + (2546,4 - 2514,02)*[(2100 - 2000)/(2648,9 - 2514,02)] = 2124 К

Ответ: адиабатическая температура горения диэтилового эфира составила 2124 К

Задача 4.

Рассчитать, какое минимальное количество горючей жидкости (табл. 9) должно испариться в закрытом помещении объемом V_п при нормальных условиях, чтобы создалась взрывоопасная концентрация горючих паров. Условно принять, что пары горючей жидкости равномерно распределены в объеме помещения. Нижний концентрационный предел распространения пламени рассчитать по предельной теплоте сгорания.

Таблица 9

Решение

1. Составляем уравнение реакции горения бензола в воздухе:

C₆H₆ + в(O₂ + 3,76N₂) = 6CO₂ + 3H₂O + 3,76вN₂

n_CO2 = 6

n_H2O = 0,5*6 = 3

в = 6 + 6/4 = 7,5

C₆H₆ + 7,5(O₂ + 3,76N₂) = 6CO₂ + 3H₂O + 3,76*7,5N₂

2. Рассчитываем низшую теплоту сгорания бензола по закону Гесса (теплоты образования веществ взяты из справочной литературы):

Q_н = -(ДH_CO2*n_CO2 + ДH_H2O*n_H2O - ДH_C6H6*n_C6H6) = -[(-396,9*6) + (-242,2*3) - 82,90*1] = 3190,9 кДж/моль

Поскольку предельная теплота сгорания выражена в кДж/м³, то и низшую теплоту сгорания выражаем в кДж/м³, учитывая, что объем одного моля бензола при нормальных условиях составляет 0,0224 м³:

Q_н = 3190,9/0,0224 = 142451 кДж/м³

3. Рассчитываем НКПРП бензола, учитывая, что предельная теплота сгорания для большинства горючих веществ одинакова и равна 1830 кДж/м³:

ц_н = (Q_пр/Q_н)*100% = (1830/142451)*100% = 1,28%

4. Рассчитываем обьем паров бензола, необходимого для создания НКПРП в помещении объемом 700 м³:

V_гв = ц_н *V_п/100 = 1,28*700/100 = 8,96 м³

5. Рассчитываем количество бензола, при испарении которого в помещении объемом 700 м³ создается минимальная взрывоопасная концентрация (т.е. НКПРП), учитывая, что 1 моль бензола (М = 78 г/моль) при нормальных условиях занимает объем 0,0224 м³:

m = M*V_гв/0,0224 = 78*8,96/0,0224 = 31200 г = 31,2 кг

Ответ: для образования в помещении объемом 700 м³ минимальной взрывоопасной концентрации бензола в ней должно испариться 31,2 кг вещества.

Задача 5.

Рассчитать минимальную флегматизирующую концентрацию инертного разбавителя, об. %, исходя из минимальной адиабатической температуры горения паровоздушной смеси вещества А при разбавлении ее флегматизатором Ф (табл. 11), а также минимальное взрывоопасное содержание кислорода и безопасную концентрацию кислорода.

Таблица 11

Решение

1.Согласно уравнению материального баланса:

CH₄O + в(O₂ + 3,76N₂) = CO₂ + 2H₂O + 3,76вN₂

n_CO2 = 1

n_H2O = 0,5*4 = 2

в = 1 + 4/4 - 1/2 = 1,5

CH₄O + 1,5(O₂ + 3,76N₂) = CO₂ + 2H₂O + 3,76*1,5N₂

2. Объем продуктов горения составляет:

V_CO2 = 1 моль/моль

V_H2O = 2 моль/моль

V_N2 = 5,64 моль/моль

Рассчитываем низшую теплоту сгорания метилового спирта по закону Гесса (теплоты образования веществ взяты из справочной литературы):

Q_н = -(ДH_CO2*n_CO2 + ДH_H2O*n_H2O - ДH_CH4O*n_CH4O) = -[(-396,9*1) + (-242,2*2) - 239*1] = 1120,3 кДж/моль

3. Объем флегматизатора в предельной по горючести стехиометрической смеси составит:

V_ф = [Q_н - (T_г - T₀)Уc_р V_пг]/[(T_г - T₀)c_пф] = [1120,3 - (1500 - 273)(1*5,08*10^-2 + 2*3,99*10^-2 + 5,64*3,18*10^-2)]/[(1500 - 273)*5,08*10^-2] = 11,91 моль/моль

4. Минимальная флегматизирующая концентрация диоксида углерода составит:

ц_ф = V_ф*100%/(V_г +V_O2 +V_N2 + V_ф) = 11,91*100%/(1 + 1,5 + 1,5*3,76 + 11,91) = 59,4 %

5. МВСК рассчитывается по формуле:

ц_O2ф = (100 - ц_ф)/4,844 = (100 - 59,4)/4,844 = 8,4%

6. Значение безопасной концентрации кислорода для пропановоздушной смеси с водяным паром составит:

j_O2без = 1,2ц_O2ф - 4,2 = 1,2*8,4 - 4,2 = 5,9%

Ответ: минимальная флегматизирующая концентрация инертного разбавителя составляет 59,4%, минимальное взрывоопасное содержание кислорода и безопасная концентрация кислорода соответственно равны 8,4% и 5,9%.

Задача 6.

Рассчитать температуру вспышки или температуру воспламенения горючей жидкости (табл. 13) по формуле В.И. Блинова. Сравнить найденное значение с экспериментальным, взятым из справочника.

Таблица 13