microbik.ru
  1 2 3 ... 12 13

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДИСЦИПЛИНЫ И РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

Приступая к изучению курса, необходимо представлять, что горение – основной процесс на пожаре. Знание сути явления, законов горения, механизмов и способов его прекращения необходимы для успешной работы инженера пожарной безопасности в любой области его деятельности.
2.1.Сущность процесса горения. Материальный баланс процесса горения. Составление уравнений реакций горения

горючих веществ в воздухе
Горением называется сложный физико-химический процесс, представляющий собой окислительно-восстановительную реакцию и сопровождающийся выделением тепла и излучением света. Для горения необходимо наличие трёх составляющих: горючего вещества; окислителя (кислород воздуха, озон, перекись водорода, галогены, перманганат калия, хромовый ангидрид и т.д.) и благоприятствующего фактора (источник зажигания; физико-химический или биологический процесс, протекающий с выделением тепла, нагретая поверхность).

С точки зрения электронной теории, горение – это перераспределение валентных электронов между горючим веществом и окислителем.

Горючим веществом называется вещество, атомы (молекулы) которого способны отдавать в процессе реакции свои валентные электроны. Горючее вещество в процессе реакции окисляется, образуя продукты окисления.

Окислителем называется вещество, атомы (молекулы) которого способны присоединять валентные электроны в процессе реакции. Окислитель в ходе реакции восстанавливается.

Процесс горения как одна из форм химического взаимодействия атомов и молекул может по-настоящему понятен только на основе изучения молекулярно-кинетической теории строения материи. Необходимо представлять, что в химических процессах прежде чем образуются новые молекулы, разрушаются старые. Энергия, необходимая для разрыва связей в молекулах горючего и окислителя, называется энергией активации. Разрушение или ослабление химических связей в молекулах происходит под действием теплового движения атомов. Чем выше температура, тем выше доля активных молекул, тем эффективнее соударения и больше их число. Для реакции горения, как и для многих других химических реакций, справедливо положение: повышение температуры на 10С приводит к увеличению её скорости в 2 – 4 раза (закон Аррениуса). Кроме того, скорость реакции согласно закону действующих масс увеличивается с возрастанием концентрации реагентов. Скорость горения максимальна при стехиометрическом составе смеси – когда отношение реагентов соответствует коэффициентам в уравнении реакции.

В условиях пожара горение чаще всего протекает в среде воздуха.. Для решения задач по определению основных параметров, характеризующих процесс горения, необходимо уметь составлять уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе.

Обобщённая запись брутто-уравнения материального баланса реакции горения имеет вид:
nг.в.[г.в.] + nо[о]= nпгi[пг], (1)
где nг.в, nо, nпгi – стехиометрические коэффициенты при соответствующих веществах ([г.в.] – горючее вещество, [о] - окислитель, [пг] – продукты горения).

Данное уравнение является обобщённым выражением материального баланса любой химической реакции окисления. Оно не несёт информации о промежуточных стадиях процесса, которых может быть великое множество, а выражает только начальное и конечное состояние системы. Поэтому его называют также суммарным или брутто-уравнением реакции горения. Для решения многих инженерно-технических задач этого уравнения бывает достаточно.

При составлении уравнения материального баланса процессов горения принято учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. Воздух состоит из азота, кислорода, водорода, углекислого и инертных газов. При ведении теоретических расчётов водород, углекислый газ и инертные газы (их вместе взятых в воздухе около 1 %) причисляют к азоту, которого в воздухе 78 %. Поэтому можно принять, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79 % азота. Не трудно установить, что на 1 объём кислорода в воздухе приходится 3,76 объёма азота (79 : 21 = 3,76) или на 1 моль кислорода приходится 3,76 моля азота и, таким образом, состав воздуха в уравнениях реакций горения – (О2 + 3,76 N2).

В реакции горения принимает участие только кислород. Азот в реакцию не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения. В левой части уравнения реакции горения записывают горючее вещество и воздух, в правой части – продукты горения. При уравнивании левой и правой частей уравнения реакции горения коэффициент перед горючим веществом для упрощения расчётов параметров процесса горения, как правило, не ставят, т.е. принимают равным единице, в связи с чем коэффициент перед воздухом может получаться дробным.

Рассмотрим примеры составления уравнений реакций горения горючих веществ в воздухе.

Пример. Составить уравнение реакции горения пентана (С5Н12) в воздухе.

При горении углеводородов в воздухе продуктами горения будут углекислый газ (СО2), пары воды (Н2О) и азот (N2) из воздуха:
С5Н12 + (О2 + 3,76 N2)  CО2 + Н2О + 3,76 N2
Уравняем эту реакцию, в результате чего число атомов каждого элемента в правой части уравнения будет равно числу атомов этих элементов в левой части.

Углерода в молекуле пентана 5 атомов, следовательно, в продуктах горения образуется 5 молекул углекислого газа. Атомов водорода в молекуле пентана 12, следовательно в продуктах горения образуется 6 молекул воды, так как в молекуле Н2О два атома водорода (12 : 2 = 6). В последнюю очередь уравнивается число атомов кислорода. Подсчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения: число атомов кислорода в 5 молекулах СО2 равно 10 (5  2 =10); число атомов кислорода в 6 молекулах воды равно 6 (6  1 = 6). Всего в правой части получается 16 атомов кислорода, следовательно в левой части перед скобкой мы должны поставить коэффициент равный 8 (16 : 2 = 8), т.к. в молекуле кислорода 2 атома. Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3,76.

Окончательная запись уравнения реакции горения пентана в воздухе имеет вид:
С5Н12 + 8 (О2 + 3,76 N2)  5 CО2 + 6 Н2О +83,76 N2
Коэффициент, стоящий перед скобкой воздуха, называется стехиометрическим коэффициентом реакции горения и обозначается . В нашем случае = 8.
При горении кислородсодержащих соединений в воздухе уравнивание реакции происходит аналогично. Однако при уравнивании атомов кислорода нужно вычесть количество атомов кислорода, содержащихся в горючем веществе из количества атомов кислорода в правой части уравнения реакции, а потом уже делить на 2.

Если в состав горючего вещества входит хлор и горючее вещество не содержит водород, то в продуктах горения будет выделяться свободный хлор (Cl2). Если же горючее вещество содержит водород, то в продуктах горения будет выделяться хлороводород (НCl).

Если в состав горючего вещества входит сера, алюминий, кремний и др., то в продуктах горения будут выделяться оксиды этих элементов (SO2, Al2O3, SiO2).
C2H5Cl + 3(O2 + 3,76 N2) = 2 CO2 + 2 H2O + HCl + 3  3,76 N2
C4H4S + 6(O2 + 3,76 N2) = 4 CO2 + 2 H2O + SO2 + 6  3,76 N2
CH3NH2 + 2,25 (O2 + 3,76 N2) =  CO2 + 2,5 H2O + 0,5 N2 + 2,25  3,76 N2

2.2. Расчёт объёма воздуха, объёма и состава продуктов горения
При решении многих практических вопросов необходимо знать количество воздуха, расходуемого на горение единицы массы или объёма горючего вещества, количество образовавшихся продуктов горения и их процентный состав. Рассмотрим расчётные методы определения отдельных составляющих материального баланса процессов горения.

Методика расчёта объёма воздуха для горения зависит от состава горючего вещества, его агрегатного состояния и условий горения. По своей природе горючие вещества могут быть индивидуальными химическими соединениями и смесями сложных химических соединений. К индивидуальным химическим соединениям относятся такие вещества, которые имеют постоянное химическое строение и постоянную химическую формулу. К этой группе относятся такие вещества, как бензол (С6Н6), пропанол (С3Н9ОН), уксусная кислота (СН3СООН) и др. Смеси сложных химических соединений – вещества, не имеющие определённого химического строения, и их состав одной химической формулой выразить нельзя. К этой группе веществ относятся уголь, нефть, древесина, жиры и др. Состав этих веществ выражается в процентном содержании отдельных элементов или газов (C, S, H, и др. или СО, СН4, Н2S и др.).

Различают объём воздуха теоретически необходимый для горения (Vвтеор.) и объём воздуха действительно (практически) израсходованный на горение (Vвдейств.). При этом

(2)

Множитель называется коэффициентом избытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз объём воздуха, поступивший на горение, больше теоретического объёма воздуха, необходимого для полного сгорания единицы количества вещества в стехиометрической смеси.

Разность между действительным и теоретически необходимым количеством воздуха называется избытком воздуха (Vв).

(3)

Объём продуктов горения, образовавшихся при сжигании единицы горючего (1 кг, 1 м3 , 1 кмоль) в теоретическом количестве воздуха, равен сумме объёмов углекислого газа, паров воды и азота:

(4)

Полный, действительный объём продуктов горения находится с учётом избытка воздуха:

(5)
Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на 4 группы (табл. 15): индивидуальные химические соединений (в газообразном и конденсированном состоянии); вещества сложного состава (древесина, торф, нефть и т.п.); смесь газов (генераторный, попутный газы и т.п.).

Таблица 15

Расчётные формулы для определения теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания веществ.

Группа горючих веществ

Расчётные формулы

Размерности

Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии

(6)

м33

Индивидуальное горючее вещество в конденсированном состоянии

(7)

м3 /кг

Смесь газов

(8)

м33

Вещество сложного состава в конденсированном состоянии

(9)

м3 /кг


где - количество горючего, кислорода и азота, получаемые из

уравнения реакции горения, кмоль/кмоль;

Мгвмолекулярная масса горючего вещества;

Vt – молярный объём газа при заданных условиях, м3/кмоль;

C, H, S, O – весовое содержание соответствующих элементов в составе

горючего вещества, % масс.;

- сумма произведений стехиометрического коэффициента реакций

горения каждого компонента горючей смеси (i) на процентное содержание

этого компонента (i) в смеси;

– процентное содержание кислорода в сложном горючем газе.

Для газообразных горючих веществ расчёт объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м33 . Так как 1 кмоль любого газа в одинаковых условиях занимает один и тот же объём (при нормальных условиях 22,4 м3), то объём, рассчитанный в м33, численно будет таким же, как и в кмоль/кмоль.

Если горючее вещество находится в конденсированном состоянии (жидком или твёрдом), то, как правило, расчёты объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м3/кг.

Для определения объёма воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются уравнением идеальных газов:

, (10)

где Р0 – нормальное давление, Па;

Т0 – нормальная температура, К;

V0 – объём воздуха при нормальных условиях (м3 или м3/кмоль);

P1, T1, V1 – соответственно давление, объём и температура воздуха,

характеризующие заданные условия горения.
Иногда на практике приходится решать обратную задачу – по известному процентному содержанию кислорода в продуктах горения находить коэффициент избытка воздуха:

(11)

Для веществ, у которых объём продуктов горения равен объёму израсходованного воздуха (например горение углерода, серы), эта формула упрощается:

(12)

При расчёте объёма продуктов горения пользуются формулами, приведёнными в табл. 16.

Таблица 16

Расчётные формулы для определения теоретического объёма продуктов горения.


Группа горючих веществ

Расчётные формулы

Размер-ности

Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии

(13)

м33

Индивидуальное горючее вещество в конденсированном состоянии

(14)

м3 /кг

Смесь газов

(15)

м33

Вещество сложного состава в конденсированном состоянии

(16)

м3 /кг


Процентный состав продуктов горения рассчитывается исходя из количества молей продуктов горения. Например, процентное содержание паров воды в продуктах горения составит:

, % (17)

Если горение протекает с избытком воздуха, то при расчёте количества молей продуктов горения учитывается избыточное число молей кислорода и азота ( и ):

, % (18)

Рассмотрим примеры решения задач на расчёт объёма воздуха, объёма и состава продуктов горения.

<< предыдущая страница   следующая страница >>