КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Теория горения и взрыва»

Тема: Расчет и анализ параметров горения диметилацеталя

ФГБОУ ВПО ВОРОНЕЖСКИЙ ИНСТИТУТ

 ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ

Кафедра химии и процессов горения

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине «Теория горения и взрыва»

Курсанту__________________________________________

(специальное звание, фамилия, имя, отчество)

Руководитель________________________________

(должность, ученая степень, специальное звание, фамилия, имя, отчество)

Тема: Расчет и анализ параметров горения вещества (соответствующего порядковому номеру по списку в учебном журнале)

Теоретический вопрос № ____

Для выполнения расчетной части необходимо выписать характеристику, физические и химические параметры вещества из справочника.

Параметры для расчета: масса вещества ____ кг, температура среды ___℃, давление Р = _____кПа, коэффициент избытка воздуха α = ___

Рассчитать:

1. Стехиометрический коэффициент β, с написанием уравнения реакции горения.

2. Объем воздуха, необходимого для горения V_в.

3. Объем продуктов горения V_пг.

4. Высшую Q_в и низшую Q_н теплоты сгорания, по формуле Д.И. Менделеева.

5. Нижний φн и верхний φ_в концентрационные пределы распространения пламени.

6. В зависимости от агрегатного состояния вещества рассчитать:

а) температуру вспышки, t_всп;

б) нижний t_н и верхний t_в температурные пределы распространения пламени;

в) предельно допустимую взрывобезопасную концентрацию, ПДВК;

г) коэффициент горючести, К;

д) плотность паров по воздуху, Д_в;

е) стехиометрическую концентрацию, φ_смк;

ж) пересчитать НКПРП в г/м³.

з) вероятность образования минимальной взрывоопасной концентрации τобр.в.о.конц паров жидкости в производственном помещение объемом 200 м³, площадью испарения ГЖ 5 м²;скорость испарения W_исп =_______

Дата выдачи задания «____»_________________201__г.

Руководитель ______________________________________________________

        Дата,          подпись,           инициалы,              фамилия

Курсант ___________________________________________________________

                     Дата,          подпись,            инициалы,             фамилия

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ……………………………………………………………………….3

Теоретическая часть  ……………………………………………………….....4

Методика решений   .…………………………………………………………..6

Решение ……………………………………………………………………....14

Заключение   …………………………………………………………………..17

Список использованной литературы  ……………………………………...18

ВВЕДЕНИЕ

С появлением и развитием промышленности число взрывов и пожаров стало увеличиваться и поэтому изучение опасных веществ стало одной из важнейших задач. Стали проводиться опыты на различных веществах, начали изучать их поведение при определенных условиях, а так же определяли степень опасности, которую может вызвать то или иное вещество. Затем начали создаваться своды правил и норм безопасности при работе в взрывопожароопасными веществами, требующие строгого выполнения.

В наше время изучение свойств веществ необходимо для обеспечения безопасности людей, зданий, сооружений, технологических процессов.

За последние годы в этом направлении удалось далеко продвинуться и тем самым в разы уменьшить количество взрывов и пожаром. Так, например, количество взрывов в шахтах удалось снизить благодаря приборам, которые замеряют концентрацию взрывоопасных веществ в воздухе и предупреждают рабочих, если она приближается к опасной отметке. Помимо этого, исследования помогли  разработать новые средства тушения пожаров: пены, порошки, газовые составы, твердотопливные аэрозолеобразующие составы. Так же в пожаротушении были внесены ограничения по поводу использования воды как огнетушащего средства. С появлением новых веществ вода стала менее эффективна в борьбе с пожарами класса B2 и выше, а в некоторых случаях даже опасна. Например, при тушении нефти ее нельзя использовать так как может произойти разбрызгивание продуктов горения.

         В данной курсовой работе я покажу как рассчитывать различные параметры горения на примере вещества диметилацеталь (C₄H₁₀O₂). 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Вопрос №18 Низшая рабочая теплота сгорания

Теплота сгорания – это количество выделевшейся теплоты при полном сгорании массовой (для твердых и жидких веществ) или объемной (для газообразных) единицы вещества. Измеряется в джоулях или калориях.

Для ее измерения пользуются методами калориметрии. Теплота сгорания определяется химическим составом горючего вещества. Содержащиеся в горючем веществе химические элементы обозначаются принятыми символами C, H, O, N, S, а зола и вода A и W соответственно.

Теплота сгорания отнесена к рабочей массе горючего вещества Q^P, то есть к горючему веществу в том виде, в котором оно поступает к потребителю; к сухой массе вещества Q^С; к горючей массе вещества Q^Г , то есть к горючему веществу, не содержащему золы и влаги.

Различают высшую (Q_B) и низшую (Q_H) теплоту сгорания.

Под высшей теплотой сгорания понимают то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании вещества, включая теплоту конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.

Низшая теплота сгорания соответствует тому количеству теплоты, которое  выделяется при полном сгорании, без учета теплоты конденсации водяного пара. Теплоту конденсации водяных паров также называют скрытой теплотой сгорания.

Низшая и высшая теплота сгорания связаны соотношением:

Q_B=Q_H+k(W+9H)

где:  k – коэффициент, равный 25кДж/кг (6 ккал/кг); W – количество воды в горючем веществе, % (по массе); Н – количество водорода в горючем веществе, % (по массе).

Таким образом, высшая теплота сгорания – это количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы или объема (для газа) горючего вещества и охлаждении продуктов сгорания до температуры точки росы. В теплотехнических расчетах высшая теплота сгорания принимается как 100%. Скрытая теплота сгорания газа – это теплота, которая выделяется при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Теоретически она может достигать 11%.

На практике, не удается охладить продукты сгорания до полной конденсации и потому введено понятие низшей теплоты сгорания (QH_p), которую получают, вычитая из высшей теплоты сгорания теплоту парообразования водяных паров как содержащихся в веществе, так и образовавшихся при его сжигании. На парообразование 1 кг водяных паров расходуется 2514 кДж/кг (600 ккал/кг).

Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

1. Для твердого вещества

2. Для жидкого вещества

где:  2514 – теплота парообразования при температуре 0℃  и атмосферном давлении; H^P  и W^P – содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе; 9 – коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Теплота сгорания является наиболее важной характеристикой топлива, так как определяет количество тепла, получаемого при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного  топлива в кДж/кг (ккал/кг). 1 ккал = 4,1868 или 4,19 кДж.

Низшая теплота сгорания определяется экспериментально для каждого вещества и является справочной величиной. Также ее можно определить для твердых и жидких материалов, при известном элементарном составе, расчетным способом в соответствии с формулой Д. И. Менделеева, кДж/кг или ккал/кг:

Где  – содержание в рабочей массе топлива углерода, водорода, кислорода, летучей серы и влаги в % (по массе).

В России тепловые расчеты (например, расчет тепловой нагрузки для определения категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности) обычно ведут по низшей теплоте сгорания, в Великобритании, США, Франции – по высшей.

Пожарная опасность вещества диметилацеталь

Физико-химические свойства: Молярная масса 90,1; плотн. 850 кг/м³ при 20℃; плотность пара по воздуху 1,4; т. плавл. – 113℃; т. кип. 65℃.

Пожароопасные свойства: Легковоспламеняющаяся жидкость. Т всп. -20℃; т. самовоспл. 380℃; конц. пределы распр. пл. 2-22% об.; нижн. темп. предел распр. пл. -21℃.

Средства тушения: Распыленная вода, возд.-мех. пена, порошки. 

МЕТОДИКА РЕШЕНИЙ

1. Порядок составления уравнения реакции горения

Уравнение реакции горения составляется при многих пожарно-технических расчетах (для расчета объема воздуха, объема продуктов горения и т.д.).

Во-первых, необходимо знать основные продукты полного сгорания веществ (таблица соответствия продуктов горения химическому элементу, входящему в состав вещества):

С - СО₂       Н₂ - Н₂О      S - SО₂       Cl - HCl

Р - Р₂О₅      Аl - Аl₂О₃    Na - Na₂О    F - HF

Са - СаО     Si - SiO₂      Br – HBr      I - НI

N₂ - N₂            O₂- в свободном виде не выделяется

Для составления уравнения реакции горения допускают, что воздух состоит из 79% азота и 21% кислорода. Тогда на 1 объемную часть кислорода в воздухе приходится: 79/21=3,76 объемных частей азота.

В левую часть записывают Горючее Вещество (ГВ) + воздух.Для уравнивания вспомним сущность материального баланса: суммарная масса веществ, вступающих в реакцию равна массе веществ, получившихся в ходе реакции. Число атомов химического элемента должно быть одинаково, независимо от того, в состав какого вещества этот элемент входит.

 Порядок уравнивания: начинаем с Н₂, затем продолжаем с другими химическими элементами. Кислород уравнивается в последнюю очередь, причем справа налево, множитель перед 3,76 N2 равен множителю перед О₂.

Концентрация соответствующая такому соотношению горючего и воздуха называется стехиометрической, то есть такой, при которой смесь горючего вещества с воздухом наиболее взрывоопасна. Необходимо обратить внимание на то, что расчет ведут на один моль (1 м3) горючего вещества, поэтому в уравнении могут появляться дробные коэффициенты.

2. Порядок расчета объема воздуха, необходимого для горения  

Расчет V_в необходим для прогнозирования развития пожара в помещении. Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы массы или объема горючего вещества, называется теоретически необходимым.

При пожаре горение чаще всего происходит с избытком воздуха, что учитывается в расчетах коэффициентом избытка воздуха α (α=2, α=3 и т. д.).

Если α=1, то Vв равен теоретически необходимому, и такая концентрация воздуха и горючего называется стехиометрической.

Для расчета Vв используются формулы, которые достаточно просто выводятся из уравнения материального баланса процесса горения.

A) Для ТГВ и жидкостей:

где: m – масса горючего (дается в условии задачи),  

β – стехиометрический коэффициент,

V_t – обьем 1-го киломоля воздуха при заданных условиях,

α – коэффициент избытка воздуха,

М – молярная масса.

Если жидкость дана в литрах, необходимо перевести литры в кг по формуле  (в 1 м3 - 1000 литров).

Если давление Р и температура t по условиям задачи не соответствую нормальным, то объем одного киломоля воздуха рассчитывают по формуле:

    (Ро=101325 Па, Tо=273K, Vo =22,4 м³),

Б) Для газов:

      где: V_г.г. – объем горючего газа.

3. Порядок расчета объема продуктов горения

Для расчета применяются формулы, которые выводятся из уравнения материального баланса и, поэтому, похожи на формулы для определения V воздуха

          Для твердых и жидкостей:

где: ∑_ni –суммарное количество килограмм-молей продуктов горения,

m – масса горючего (дается в условии задачи),

Vt – обьем 1-го киломоля вещества при заданных условиях,

М – молярная масса,

Vпг– объем продуктов горения.

Если давление и температура по условиям задачи не соответствуют нормальным (Ро=101325 Па, tо=0оС), то объем одного киломоля вещества рассчитывают по формуле:

   [м³]

где Р и t – заданные температура и давление

Если горение протекает с избытком воздуха (α≠1), то необходимо рассчитать ΔО2=β (α -1) и ΔN2=3,76 β (α -1)

Для газов:

    [м³]

Где V_гг - заданный объем горючего газа (м³)

Процентный состав продуктов горения рассчитывается, исходя их общего числа килограмм-молекул продуктов горения. Общее число килограмм-молекул продуктов горения  ∑n_i  принимаем за 100% и по пропорции вычисляем процентное содержание каждого компонента продуктов горения.  

 аналогично и для других продуктов горения.

4. Определение низшей Qн и высшей Qв теплоты сгорания веществ по формуле Д.И. Менделеева

Формулы имеют вид:

Qн=339С+1256Н-109(О+N-S)-25(9H+W) [кДж/кг],

Qв=339С+1256Н-109(О+N-S) [кДж/кг]

где С, Н, О, N, S, W – содержание (в %) соответствующего химического элемента в веществе (задается по условию или рассчитывается через молярную массу).

5. Определение плотности паров, газов по воздуху

Формула имеет вид:     

D_в=М/29,

где М – молярная масса вещества 

6. Расчет ПДВК.

Расчет предельно допустимой взрывобезопасной концентрации горючего вещества осуществляется по формуле:

ПДВК=φ_н ·К_б

где К_б – коэффициент безопасности (допускается брать его равным 0,05);

φ_н – нижний КПРП (рассчитывается или берется из справочной литературы).

Коэффициент безопасности К_б может изменяться в зависимости от условий, в которых присутствуют горючие пары или газы и характера технологического процесса.

К_б=0,1 – для производственных помещений;

К_б=0,5 – для аппаратов, в которых не предусмотрено применение источников зажигания;

К_б=0,05 – для помещений и аппаратов, в которых будут вестись ремонтные работы с применением открытого огня.

7. Расчет стехиометрической концентрации

Стехиометрическая концентрация – такая концентрация, при которой смесь горючего вещества с воздухом наиболее взрывоопасна.

где β - стехиометрический коэффициент, рассчитанный по уравнению горения.

8. Определение группы горючести веществ

Группу горючести веществ можно определить расчетным путем, используя формулу:

К=4n_C+4n_S+nн + n_N -2n_O-2n_Cl-3n_F-5n_Br ,

где n_C, n_S, nн, n_N n_O, n_Cl, n_F, n_Br – количество атомов С, S, H, N, O, Cl, F, Br соответственно (указано в формуле вещества).

К-коэффициент горючести, причем, если К<1, то жидкость не горит и наоборот, если К>1, то жидкость является горючей.

9. Определение КПРП газов и паров

КПРП газопаровоздушных смесей имеют большое значение в обеспечении пожарной безопасности. КПРП определяются экспериментальным путем, но их можно и рассчитывать. Методика экспериментального определения приведена в ГОСТ 12.1.044-89. Предпочтительнее экспериментальный метод. Кроме этого, значения КПРП приведены в справочной литературе или электронных программах.

Рассмотрим, как рассчитывается КПРП для индивидуальных веществ (имеющих химическую формулу).

Существует две основных формулы для расчета КПРП:

А)     [%] ( используется только для газов)

Значения Qн приводятся в справочнике А. Я. Корольченко или рассчитывается по формуле Менделеева (была приведена выше)

Б)    [%],

(используется для вещества в любом агрегатном состоянии)

Где коэффициенты a и в, приведенные в таблице:

Таблица 1

β - стехиометрический коэффициент (из уравнения горения) или по формуле:

где пс,пs,пн,,пх,по- число атомов в молекуле соответственно - углерода, серы, водорода, галогенов и кислорода.

10. Пересчет КПРП из % в г/м3 , кг/м3, при изменении температуры

А) При проведении пожарно-технических расчетов встречается необходимость пересчитать КПРП из % в г/м³ или наоборот. Например, в справочнике значение дано КПРП в %, а для расчетов пожаровзрывоопасности пылей или паров горючих жидкостей необходимо значение в г/м³.

Пересчет из % в г/м³ осуществляется по формуле:

Где V_t  - объем одного киломоля воздуха, М- молярная масса

Пересчет из г/м³ в %:     [%]

Б) Если температура смеси отличается от 298 К (25℃) более чем на 15 градусов, КПРП находят по формулам:

где φ_н.298  -рассчитывается по универсальной формуле или берется из справочника;

Т=Т0+t=273+t.

11. Определение температуры вспышки жидкостей

Существует формула Элея для расчета tвсп по известному значению температуры кипения (берется из справочника А.Я. Корольченко):

где: К - коэффициент горючести, (порядок расчета приведен выше),

tкип – взять из справочника А.Я. Корольченко.

12. Определение температурных пределов распространения пламени жидкостей

Температурные пределы распространения пламени жидкостей определяются по известному значению температуры кипения. Формула имеет вид:

t_н(в)=k·t_кип – L

Формула для расчета нижнего ТПРП и верхнего ТПРП одна и та же, различны коэффициенты k и L, которые берутся из таблицы 

Таблица 2

13. Определение времени образования минимальной взрывоопасной концентрации паров

Расчет времени образования взрывопасных концентраций проводиться для оценки пожароопасной обстановки в помещении в результате розлива горючих жидкостей. Для этого применяются следующие формулы:

  [с],

где т - масса жидкости, которая должна испариться для образования концентрации паров равной φ_н в г/м³.

S – площадь поверхности испарения [м²];  

W_исп - скорость испарения [кг/м²·с]  

Следует обратить внимание, что  

где V_п – объем помещения, в котором находятся пары жидкости;

- нижний КПРП в г/м³ или кг/м³, рассчитывается по формулам или берется из справочной литературы.

РЕШЕНИЕ

1. Стехиометрический коэффициент β, с написанием уравнения реакции горения.

Ответ: β = 5,5

2. Количество воздуха, необходимое для горения

   м³

 м³

Ответ: 200,7 м³

3. Объем продуктов горения

 м³

ΔО2=β (α -1)=5,5

ΔN2=3,76 β (α -1)=20,68

∑_ni=1 + 3,76 + 5,5 + 20,68 = 30,94

Ответ: 118,6 м³

4. Высшая и низшая теплота сгорания

Qв = 339С+1256Н-109(О+N-S) = 339·53+1256·11-109·36 = 28295 кДж/кг

Qн = 339С+1256Н-109(О+N-S)-25(9H+W) = Qв-25(9H+W) = 28295-25·9·11 = =25820 кДж/кг

C₄H₁₀O₂ – 90 кг

С₄ – 48 кг –   

H₁₀  – 10 кг –

O₂  – 32 кг –

Ответ: 28295 кДж/кг, 25820 кДж/кг

5. Предельно допустимая взрывобезопасная концентрация

ПДВК = φ_н · К_б = 0,05 · 1,84 = 0,092

Ответ: 0,092

6. Нижний и верхний концентрационные пределы

Перерасчет концентрационных пределов для температуры 59℃

Ответ: 1,85%, 11,47%

7. Перерасчет НКПРП в г/м³

Ответ: 48 г/м³

8.Коэффициент горючести

К = 4n_C + 4n_S + n_Н + n_N – 2n_O– 2n_Cl – 3n_F – 5n_Br = 4 · 4 + 10 – 2 · 2 = 22

Ответ: 22

9. Температура вспышки

Ответ: –19,5℃

10. Нижний и верхний температурные пределы распространения пламени

t_в  k·t_кип – L  0,7761 · 65 – 40,8  9,65℃

t_н  k·t_кип – L  0,5940 · 65 – 50,9  – 12,29℃

Ответ: 9,65℃, – 12,29℃

11. Плотность паров по воздуху

Ответ: 3.1

12. Стехиометрическая концентрация

Ответ: 3,68%

13. Определение времени образования минимальной взрывоопасной концентрации

Ответ: 4648,9 с

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовой работе я рассчитал некоторые параметры горения вещества диметалацеталь (C₄H₁₀O₂): количество воздуха, необходимое для горения вещества, объем продуктов горения, теплота сгорания, предельно допустимая взрывобезопасная концентрация, концентрационные пределы распространения пламени, температура вспышки, температурные пределы распространения пламени, плотность паров, коэффициент горючести. Эти данные необходимы для разработки мер предотвращения возникновения пожаров и взрывов, а так же для оценки условий их развития и подавления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абдурагимов И. М., Андросов А. С., Исаева Л. К., Крылов Е. В. Процессы горения. – М.: Химия – 2006, 250 с.

2. Баратов А. Н. Горение – Пожар – Взрыв – Безопасность. – М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003. – 364 с.

3. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. – 352 с.

4. Горшков В.И. Тушение пламени горючих жидкостей. – М.: Пожнаука, 2007. – 268 с.

5. Горшков В.И. Самовозгорание веществ и материалов. – М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003. – 446 с.

6. Демидов П.Г., Шандыба В.Н., Щеглов П.П. Горение и свойства горючих веществ. – М.: Химия – 1999, 230 с.

7. Дурнев В. Д., Сапунов С. В., Федюкин В. К. Товароведение промышленных материалов. – М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 2002. – 536 с.

8. Коробкин В. И., Передельский Л. В. Экология. – Ростов н/Д.: «Феникс», 2001. – 576 с.

9. Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. – М.: Асс. «Пожнаука», 2004. – Ч. I. – 713 с., - Ч. II. – 774 с.

10. Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва. – М.: Пожнаука, 2007. – 266 с.

11. Методика определения условий теплового самовозгорания веществ и материалов. – М.: ВНИИПО, 2004. – 67 с.

12. Расчет основных показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов: Руководство. – М.:ВНИИПО, 2002.- 77с.

13. Семенова Е. В., Кострова В. Н., Федюкина У. В. Химия. – Воронеж: Научная книга. – 2006, 284 с.

14. Таубкин И. М. Пожары и взрывы, особенности экспертизы. – М.: Химия – 2003, 150 с.

15. Теребнев В. В. Справочник руководителя тушения пожара. – М.: ИБС-Холдинг, 2005. – 225 с.