Химия процессов горения 2-Метилбутан С5Н12

Содержание

 

I. Теоретическая часть.

1. Теоретический вопрос №22

Изменение КПР в гомологическом ряду (на примере ряда метана). Влияние на КПР функциональных групп и ненасыщенных связей, температуры, давления, флегматизаторов и ингибиторов.

 

Взрывная способность горючих  газов, паров и пыли в воздухе  сохраняется в определенных интервалах их концентраций. Существуют нижние и верхние концентрационные и температурные пределы распространения пламени.

Нижний (верхний) концентрационные пределы  распространения пламени - минимально (максимальное) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при которой возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Невозможность воспламенения горючей  смеси при концентрации ниже НКПРП  объясняется малым количеством  горючего вещества и избытком воздуха. Чем меньше коэффициент избытка воздуха, тем больше скорость горения и выше давление паров при взрыве.

Верхний концентрационный предел распространения  пламени характеризуется избытком горючего и малым количеством воздуха.

Чем ниже нижний концентрационный предел и больше концентрационная область распространения пламени, тем большую пожарную опасность они представляют.

В первом случае взрыв не происходит из-за недостатка горючего вещества, во втором - из-за недостатка воздуха (кислорода), необходимого для окисления горючего вещества.

Температурные пределы воспламенения паров в воздухе определяются температурами вещества, при которых его насыщенные пары образуют концентрации, соответствующие нижнему и верхнему концентрационным пределам воспламенения.

2. Теоретический вопрос №11

Как можно увеличить теплоотвод при самовоспламенении? Как изменится при этом температура самовоспламенения? Принцип работы гравийных, сетчатых и др. огнепреградителей, щелевой защиты.

 

Самовоспламенение – это явление быстрого нарастания скорости химической реакции, приводящее при определённых внешних условиях к воспламенению горючей смеси без соприкосновения с пламенем или раскалённым телом.

Теплоотвод при самовоспламенении  можно увеличить путем понижение температуры окружающей среды, тем самым увеличив разницу между тепловыделением и теплоотводом.

Огнепреградители - устройство, устанавливаемое на пожароопасном технологическом аппарате или трубопроводе, свободно пропускающее поток газопаровоздушной смеси или жидкости через пламегасящий элемент и способствующее локализации пламени.

Огнепреградители классифицируются по следующим признакам: типу пламегасящего  элемента, месту установки, времени  сохранения работоспособности при воздействии пламени.

По типу пламегасящего элемента огнепреградители подразделяются:

- на сетчатые;

- кассетные;

- с пламегасящим элементом из  гранулированного материала;

- с пламегасящим элементом из  пористого материала.

 

 

Принцип работы:

1. Кассетные огнепреградители – их действия основаны на поглощении тепла пламени или искры материалом кассеты. Кассета огнепреградителя сборно-разборная.

2. Сетчатые огнепреградители - действие основано на разбиении газового потока на множество газовых струек, в которых происходит понижение температуры горения и уменьшения скорости распространения пламени.

 

II. Практическая часть.

3. Расчетное задание №27

№ вар	Вещество	Константы уравнения  Антуана	Диэлектр. прониц.	tКИПЕНИЯ, 0С	DН образ.кДж/моль	DН исп.кДж/моль
27.	2-Метилбутан С5Н12	lgр = 5,91799 – 1022,511/(233,493 + t)	1,9	27,9	- 154,5

1. Общие сведения

Пентаны (С₅H₁₂) – Существует 3 структурных изомера: н-Пентан, Изопентан (2-метилбутан), Неопентан (2,2 диметилпропан).

2. Физико-химические свойства.

Бесцветная легковоспламеняющаяся жидкость. Технический продукт представляет собой смесь изомерных пентанов и выкипает в пределах              24 - 34 ^оС. Теплота сгорания 10800 ккал / кг; в воде нерастворим. Тушить при небольшой площади горения высокократной воздушно-механической пеной с интенсивностью 40 л / (сек-м²); при объемном тушении минимальная огнегасительная концентрация азота 27 % объемн.

Молярная масса 72 кг/кмоль; г/моль.

Температура кипения 27,9 ⁰С.

Температура вспышки -52 ⁰С

Температура самовоспламенения 427 ⁰С.

Температура плавления -159,89 ⁰С.

Диэлектрическая проницаемость 1,9;

;

 растворим в органических растворителях, в воде не растворим;

;

t_крит = 187,39 ⁰С;

р_крит = 3,381МПа;

d_крит = 234 кг/м³;

;

;

;

КПВ = 1,3 - 7,7 % по объему;

Константы уравнения Антуана - lgр = 5,91799 – 1022,511/(233,493 + t);

Предельно допустимая концентрация ПДК = 300 мг/м³.

2.1. Расчет относительной плотности паров по воздуху (D_возд).

Относительная плотность паров  по воздуху определяется по формуле

Dвозд =   r_пар /r_возд =   М_пар /М_возд;

М_возд =29 кг/моль;

Относительная плотность 2 - метилбутана по воздуху составляет:

Dвозд = 72/29=2,49.

2.2. Расчет плотности паров при нормальных условиях.

При нормальных условиях (давление 1атм, температура 273К)

молярный объем (V_м) любого газообразного вещества составляет 22, 4 л/моль или 22,4 м³/кмоль.

Молярная масса 2 - метилбутана 72 кг/кмоль.

r_пар = М/V_м = 72/22,4 = 3,2 кг/м³; гр/л.

2.3. Расчет процентного элементного  состава вещества.

Молярная масса 2 - метилбутана Мr (С₅Н₁₂) = 72 кг/кмоль.

(С) = = 83,3 %;  (Н) = = 16,7%

2.4 Расчет коэффициента горючести.

Коэффициент горючести К является безразмерным коэффициентом и служит для определения горючести вещества.  Рассчитанный коэффициент горючести может быть использован для приближенного вычисления температуры вспышки вещества, а также величины нижнего концентрационного коэффициента распространения пламени.

Коэффициент горючести рассчитывается по следующей  формуле:

 

К = 4 n(C) + 4 n(S) + n(H) + n(N) – 2 n(O) – 2 n(Cl) – 3 n(F) – 5 n(Br);

 

где,

n(C), n(S), n(H), n(N), n(O), 2 n(Cl), n(F), n(Br) – число атомов углерода, серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора и брома в молекуле вещества.

Если коэффициент горючести К больше единицы (К ³ 1), то вещество является горючим; при значении К меньше единицы (К < 1) – вещество негорючее.

 

Решение

В молекуле 2 метилбутана

n(C) = 5;   n(Н) = 12;

 

К = 4 × 5 + 12= 32     К > 1, следовательно, 2 метилбутан – горючее вещество.

3.Расчет характеристик горючести.

3.1. Характер свечения пламени.

Характер свечения пламени веществ  при их горении зависит от процентного  содержания углерода и кислорода в горючем веществе. При горении веществ в зоне горения происходит процесс их термического разложения. Наличие углерода в зоне горения будет придавать пламени яркость. О характере свечения пламени можно судить по процентному содержанию углерода и кислорода в горючем веществе.

 

Процентное содержание углерода рассчитывается по формуле, %

w (С) = ;

где Аr_С – атомный вес углерода;

Мr_ГВ – молекулярная масса горючего вещества;

n_С – количество атомов углерода в формуле горючего вещества.

Процентное содержание водорода рассчитывается по формуле, %

 

w (H) = ;

 

где  Аr_О – атомный вес водорода;

Мr_ГВ – молекулярная масса горючего вещества;

n_О – количество атомов водорода в формуле горючего вещества.

 

Решение

Массовая доля углерода в молекуле 2 - метилбутана составляет

Мr (С₅Н₁₂) = 72,15 кг/кмоль.

w (С) = = 83,3 %;   w (О) - отсутствует

 

Характер свечения пламени	Содержание кислорода в горючем  веществе,  %	Содержание углерода в горючем  веществе,  %
Пламя бесцветное	Более 30	До 50
Пламя яркое, не коптящее	Отсутствует или менее 30	Не более 75
Пламя яркое, коптящее	Отсутствует или менее 25	Более 75

 

Массовая доля углерода > 75 %, а массовая доля кислорода отсутствует или < 25 %, следовательно, пламя при горении 2-метилбутана яркое, коптящее.

3.2. Расчет низшей теплоты сгорания 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 Q_н веществ сложного элементного состава, а также для любых индивидуальных веществ, если предварительно рассчитать массовую долю каждого элемента в соединении (w).

 

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

где,

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

 

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

 

Молярная  масса 2-метилбутана Мr (С₅Н₁₂) = 72 кг/кмоль.

(С) = = 83,3 %; 

(Н) = = 16,7%

 

Подставляем найденные значения в формулу  Д.И. Менделеева.

Q_Н = 339,4×83,3%+1257×16,7 -25,1(9×16,7) = 28272,02+20991,9-3772,53= =45491,39 кДж/кг.

3.3. Уравнение реакции горения

Для решения многих практических задач, а также для выполнения пожарно-технических  расчетов необходимо знать количество воздуха, необходимого для горения, а также объем и состав продуктов горения. Эти данные необходимы для расчета температуры горения веществ, давления при взрыве, избыточного давления взрыва, флегматизирующей концентрации флегматизатора, площади легкосбрасываемых конструкций.

Методика  расчета материального баланса  процессов горения определяется составом и агрегатным состоянием вещества. Свои особенности имеет расчет для индивидуальных химических соединений, для смеси газов и для веществ сложного элементного состава.

Индивидуальные химические соединения – это вещества, состав которых можно выразить химической формулой. Расчет процесса горения в этом случае производится по уравнению реакции горения.

Составляя уравнение реакции горения, следует  помнить, что в пожарно-технических  расчетах принято все величины относить к 1 молю горючего вещества. Это, в частности, означает, что в уравнении реакции горения перед горючим веществом коэффициент всегда равен 1.

 

Состав  продуктов горения зависит от состава исходного вещества.

 

Элементы, входящие в состав горючего вещества	Продукты горения
Углерод С	Углекислый газ СО2
Водород Н	Вода Н2О
Сера S	Оксид серы (IV) SO2
Азот N	Молекулярный азот N2
Фосфор Р	Оксид фосфора (V) Р2О5
Галогены F, Cl, Br, I	Галогеноводороды HCl, HF, HBr, HI

 

Горение 2-метилбутана в кислороде (O₂)

С₅Н₁₂ + 8О₂ = 5СО₂ + 6Н₂О

 

Коэффициенты, стоящие в уравнении  реакции, называются стехиометрическими коэффициентами и показывают, сколько молей (кмолей) веществ участвовало в реакции или образовалось в результате реакции.

Стехиометрический коэффициент, показывающий число молей кислорода, необходимое для полного сгорания вещества, обозначается буквой b.

Стехиометрический коэффициент в реакции b = 8

Чаще всего в условиях пожара горение протекает не в среде  чистого кислорода, а в воздухе. Воздух состоит из азота (78 %), кислорода (21 %), окислов азота, углекислого газа, инертных и других газов (1 %). Для проведения расчетов принимают, что в воздухе содержится 79 % азота и 21 % кислорода. Таким образом, на один объем кислорода приходится 3,76 объемов азота (79:21 = 3,76).

В соответствии с законом Авогадро и соотношение молей этих газов будет 1 : 3,76. Таким образом, можно записать, что молекулярный состав воздуха (О₂ + 3,76N₂).

Составление реакций горения веществ  в воздухе аналогично составлению реакций горения в кислороде. Особенность состоит только в том, что азот воздуха при температуре горения ниже 2000⁰С в реакцию горения не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения.

 

Горение 2-метилбутана в воздухе

С₅Н₁₂ + 8(О₂ + 3,76N₂) =5СО₂ + 6Н₂О +8×3,76N₂  

 

В процессах горения исходными  веществами являются горючее вещество и окислитель, а конечными - продукты горения.

Исходные вещества: 1 моль 2-метилбутана;

8 молей кислорода;

8×3,76 молей азота.

Газов воздуха всего 8×4,76 молей.

Всего    (1 + 8×4,76) молей исходных веществ.

Продукты горения: 5 молей углекислого газа;

6 моля воды

8×3,76 моля азота.

Всего    (5+ 6 + 8×3,76) молей продуктов горения.

3.4. Расчет объема воздуха, необходимого для горения (теоретический и практический)

Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполагает вычисление

а) теоретического объема воздуха  V_в^теор

б) практического объема воздуха  V_в^пр, затраченного на горение (с учетом коэффициента избытка воздуха).

Стехиометрическое количество воздуха  в уравнении реакции горения предполагает, что при данном соотношении компонентов, участвующих в реакции горения, воздух расходуется полностью. Объем воздуха в данном случае  называется теоретическим (V_в^теор).

Горение может происходить не только при стехиометрическом соотношении компонентов, но и при значительном отклонении от него. Как правило, в условиях пожара на сгорание вещества воздуха затрачивается больше, чем определяется теоретическим расчетом. Избыточный воздух DV_в в реакции горения не расходуется и удаляется из зоны реакции вместе с продуктами горения. Таким образом,  практический объем воздуха  равен: