Расчет и анализ параметров горения и взрыва паровоздушных смесей горючего вещества

Задание на курсовую работу:

3

Часть 1. Расчет параметров горения и взрыва.
Для вещества А (выбрать в табл. 3 в соответствии с номером варианта
задания) рассчитать следующие параметры горения и взрыва:
- адиабатическую температуру горения (Т ад );
- температуру взрыва (Т взр );
- концентрационные пределы распространения пламени (КПР);
- минимальную флегматизирующую концентрацию азота (МФК);
- концентрацию горючего в точке флегматизации;
- зависимость КПР от концентрации флегматизатора;
- минимально взрывоопасное содержание кислорода (МВСК);
- температурные пределы распространения пламени (ТПР);
- температуру самовоспламенения (Т св );
- максимальное давление взрыва (Р max );
- тротиловый эквивалент вещества (η ТНТ ).
Часть 2. Сравнение полученных расчетных значений со
справочными данными
Найти в справочной литературе или в Интернете
пожаровзрывоопасные характеристики вещества А и сравнить их с
полученными расчетными значениями. Сделать выводы.
Часть 3. Определение параметров взрыва паровоздушной смеси в
помещении
Для помещений заданных размеров а×b×h (выбрать в табл. 3 в
соответствии с номером варианта задания) определить:
- какое количество вещества А (кг) должно испариться в этом
помещении, чтобы в нем создалась наиболее взрывоопасная паровоздушная
смесь,
- тротиловый эквивалент взрыва этой паровоздушной смеси,
- безопасное расстояние по действию воздушной ударной волны
взрыва,
- минимальное количество диоксида углерода (кг), которое потребуется
для предотвращения взрыва в этом помещении.
При расчетах принять, что пары вещества равномерно распределены по
помещению и помещение относительно герметично. Давление и температуру
в помещении считать нормальными.

Таблица 3

Номер
варианта

Вещество Химическая
формула

Размеры
помещения
a×b×h, м

19 2-метил-1-
бутанол

C 5 H 12 О 6,0×5,0×2,5

Часть 1. Расчет параметров горения и взрыва

4
1.1. Сгорает 2-метил-1-бутанол - индивидуальное горючее вещество,
находящееся в конденсированном состоянии.
Запишем уравнение реакции горения 2-метил-1-бутанола в воздухе:
С 5 Н 12 О + 7,5×(О 2 + 3,76N 2 ) = 5CО 2 + 6Н 2 О + 7,5×3,76 N 2 .
Объем продуктов горения составит: ;; ;
V ПГ = V CO2 + V H2O + V N2
V CO2 = 5/1 = 5 кмоль/кмоль, V H2O = 6/1 = 6 кмоль/кмоль, V N2 = 7,5×3,76/1
= 28,2 кмоль/кмоль, V ПГ = 5 + 6 + 28,2 = 39,2 кмоль/кмоль
Адиабатическую температуру горения вещества находят при условии
отсутствия теплопотерь (η = 0) для стехиометрической смеси горючего с
воздухом, т. е. при α = 1.
Рассчитаем низшую теплоту сгорания 2-метил-1-бутанола по
следствию из закона Гесса:

,
где iН – теплота образования i-го вещества,
n i – количество молей i-го вещества.
Для расчета используем значения приложения (таблица 3).

Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от
температуры (таблица 4 приложения), можно установить, какой температуре
соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать,
ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения. Из
приложения видно, что при температуре 2400 С теплосодержание азота 81,5
кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть
продукты горения до такой температуры. При t 1 = 2400 С

5
Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения
í
1íQQ
, поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем
2400 °С. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов
горения до 2300 °С.

Но и íí2QQ , значит t

Г   < 2300°С

При температуре 2200 С

3íQ
уже меньше, чем нQ

, из этого можно сделать вывод, что

температура горения этанола имеет значение между 2200 и 2300 С.
Уточним искомую температуру линейной интерполяцией между
двумя этими ближайшими значениями:

или 2507,6 (К).
1.2. Найдем температуру взрыва. Так как процесс взрыва адиабатно-
изохорный (теплопотери отсутствуют и нагревание продуктов происходит
без расширения газовой смеси), все выделившееся тепло расходуется на
увеличение внутренней энергии системы. Среднее значение внутренней
энергии продуктов взрыва составит

Воспользовавшись зависимостью внутренней энергии газов от
температуры (табл. 5 приложения), можно установить, какой температуре
соответствует такое значение внутренней энергии. Сделаем это по азоту, так

6
как его больше всего в продуктах взрыва. Из табл. 5 приложения следует, что
при температуре 3000 К внутренняя энергия 1 моля азота составляет 78,9
кДж/моль. Проверим расчетом, какое количество тепла требуется для того,
чтобы продукты взрыва нагреть до этой температуры.
При Т 1 = 3000 o С

Это значительно больше той энергии Q н , которая выделилась при
взрыве. Поэтому выберем следующее более низкое значение температуры Т 2
= 2800 o С и определим, какое количество тепла при этой температуре будут
содержать продукты взрыва.
Q 2 = 134,2⋅5 + 107,0⋅6 + 73,1⋅28,2 = 3374,42 кДж/моль.
Это тоже больше, чем количество тепла, выделившегося при взрыве
(Q 2 > Q н ), и означает, что температура взрыва ниже этого значения.
Рассчитаем, какое количество тепла содержат продукты взрыва при
температуре Т 3 = 2700 o С.
Q 3 = 128,9⋅5 + 102,4⋅6 + 70,2⋅28,2 = 3238,54 кДж/моль.
Это значение уже меньше, чем Q н , на этом основании можно сделать
вывод, что температура взрыва газовоздушной смеси находится между
значениями Т 3 = 2700 o С и Т 2 = 2800 o С. Уточним значение температуры
взрыва методом линейной интерполяции

или 3024,3 (К).
Если сравнить полученное значение температуры взрыва с
адиабатической температурой горения, можно прийти к выводу, что
температура взрыва примерно на 517 К выше адиабатической температуры
горения. Таким образом, химическое превращение, протекающее в форме

7
взрыва (изохорно-адиабатический процесс), происходит со значительно
большим разогревом.
1.3. По аппроксимационной формуле можно рассчитать значения и
нижнего, и верхнего концентрационных пределов распространения пламени
для стандартных условий, т. е. при температуре 25  о С или 298 К, %:

,

где b - стехиометрический коэффициент при кислороде (число молей
кислорода, необходимое для полного сгорания 1 моля горючего
вещества, определяемое по уравнению реакции горения);

a, b – константы, имеющие определённые значения для НКПРП и
ВКПРП в зависимости от значения b, приведённые в таблице 2.
Таблица 2

Предел распространения
пламени a b
Нижний 8,684 4,679
Верхний при b ≤ 7,5 1,550 0,560
Верхний при b > 7,5 0,768 6,554
Минимальная взрывоопасная концентрация – это есть величина
нижнего концентрационного предела распространения пламени, т.е. нам
необходимо найти НКПРП, пользуясь аппроксимационной формулой (β =
7,5):

1.4. МФК найдем из условия предельной адиабатической температуры
горения стехиометрической газовоздушной смеси, при Т г = 1500 К:

8
Поскольку при этих условиях сгорание идет в основном с
образованием СО, определим низшую теплоту сгорания 2-метил-1-бутанола
для такого случая.
Запишем химическое уравнение горения 2-метил-1-бутанола
С 5 Н 12 О + 5О 2 = 5СО + 6Н 2 О
Низшая теплота сгорания 2-метил-1-бутанола в этом случае по закону
Гесса
Q H = 5∆H 0 fСО + 6∆H 0 fН2О − ∆H 0 fС5Н12О = 5×112,7 + 6×242,2 – 128,0 = 1888,7
кДж/моль.
Теперь составим уравнение материального баланса процесса горения 2-
метил-1-бутанола, включив в него и флегматизатор (N 2 )
С 5 Н 12 О + 5О 2 + 5∙3,76N 2 + n ф СО 2 = 5СО + 6Н 2 О + 5∙3,76N 2 + n ф СО 2 ,
где n ф – число молей флегматизатора

Перепишем уравнение материального баланса для сгорания смеси
предельного состава
С 5 Н 12 О + 5О 2 + 5∙3,76N 2 + 16,8СО 2 = 5СО + 6Н 2 О + 5∙3,76N 2 + 16,8СО 2
Минимальная флегматизирующая концентрация азота будет равна

1.5. Концентрация горючего в точке флегматизации

9
1.6. Строим графическую зависимость концентрационных пределов
распространения пламени от концентрации флегматизатора.
Концентрационные пределы распространения пламени для 2-метил-
1-бутанола в воздухе составляют 1,43 и 8,4 % (об.) [3].

1.7. Минимальное взрывоопасное содержание кислорода МВСК
(концентрация кислорода в точке флегматизации).

1.8. Определяем температурные пределы распространения пламени
(ТПР)
Определяем давление насыщенного пара на нижнем и верхнем
температурных пределах распространения пламени по формуле:
С 5 Н 12 О, %
8,4

ϕ ГВ = 2,4
1,43
1

N 2 , % 40,4 30 40 20

10
По таблице 3 приложения находим значения констант уравнения
Антуана 2-метил-1-бутанола: А = 6,29693, В = 1258,332, С = 109,165.
Рассчитываем температурные пределы распространения пламени по
уравнению Антуана:

или 368,2 К
или 397,8 К

1.9. Определяем температуру самовоспламенения
Записываем структурную формулу и нумеруем атомы углерода.
5 СН 3
│
г ОН – 1 СН 2 – 2 СН – 3 СН 2 – 4 СН 3

В молекуле соединения две концевых метильных групп CH 3 и одна
гидроксильная ОН, т. е. M p = 3

Найдем эти цепи и установим их длину. Для удобства составим
следующую таблицу
Углеродная цепь m 1 Г-4 Г-5 5-4
Длина цепи l 1 5 3 4
Вычисляем среднюю длину цепи молекулы:

11
Для предельного углеводорода, имеющего среднюю длину
углеродной цепи равную 4 по таблице 8 приложения, температура
самовоспламенения будет равна 628 К.

1.10. Определяем максимальное давление взрыва (P взр мах )
По уравнению определим количество молей газовой смеси до взрыва
n с и после взрыва n пг
С 5 Н 12 О + 7,5×(О 2 + 3,76N 2 ) = 5CО 2 + 6Н 2 О + 7,5×3,76 N 2 .
n с = n г + n O2 + n N2 = 1 + 7,5 + 7,5⋅3,76 = 36,7 моль;
n пг = n СO2 + n Н2О + n N2 = 5 + 6 + 7,5⋅3,76 = 39,2 моль.
64,1198

7,36273
2,3927,3024
3,101
0
0







c
ÏÃâçðìàõ
âçð

nÒ
nÒ
ÐÐ

кПа.
1.11. Находим тротиловый эквивалент вещества (η ТНТ ).
Учитывая, что Q взр ≈ Q н

Переведем Q н из кДж/моль в кДж/кг
Q н = 3308,2/88×10 -3 = 37593,18 кДж/кг
Примем массу вещества равной 1 кг, γ = 0,4.

12
Часть 2. Сравнение полученных расчетных значений со
справочными данными
2.1. Все рассчитанные параметры горения и взрыва 2-метил-1-бутанола
заносят в табл. 3.

Таблица 3
Расчетные значения параметров горения и взрыва 2-метил-1-бутанола
Парамет
р
горения
и взрыва

Адиаба
т
темпе
ратур
а
горен
ия
Т ад
Темпе
рату
ра
взр
ыва
Т взр
КП
Р
МФ
К
(
N
2 )
МВ
С
К
ТПР Температ
ура
самовос
пламен
ения,
Т св
Давление
взрыва,
Р max

Тротил
эквив
алент
вещес
тва,
η ТНТ

Значение
параметр
а
2507,6К 3024,3
К
1,43
/ 8,2
40,4
%
12
%
368,2/
397,8К

628К 1198,6кПа 3,59

В справочной литературе для 2-метил-1-бутанола находим известные
показатели пожарной опасности вещества и составляем таблицу
справочных значений.

Таблица 4
Справочные значения показателей пожарной опасности 2-метил-1-
бутанола [3]
Показатель пожарной
опасности

Температу
ра
вспышки

Температ
ура
самово
спламе
нения

КПР Теплота
сгора
ния
Температ
ура
самово
спламе
нения

ТПРП

Значение параметра 315К 324К 1,43 /
8,4
3376,3к
Дж/мол
ь
658К 313К/347К

13
2.2. Сравнивая расчетные значения со справочными значениями 2-
метил-1-бутанола, видим, что расхождение расчетных и экспериментальных
данных небольшое.
При расчете КПР полученные данные нижнего значения не
отличаются, а верхнего занижены на 2,4 %.
2-метил-1-бутанол является легковоспламеняющейся жидкостью.
Концентрация горючего составляет 2,4% - 1,43%<2,4%<8,2 %, значит,
вещество может создать взрывопожароопасную концентрацию.

14
Часть 3. Определение параметров взрыва паровоздушной смеси в
помещении
3.1. Найдем стехиометрическую концентрацию 2-метил-1-бутанола.

Находим объем паров 2-метил-1-бутанола.
V п = 6,5×5,0×2,5×2,72%/100% = 2,21 м 3
Найдем количество киломоль 2-метил-1-бутанола.
n = V п / V m , где V m – молярный объем газа.
n = 2,21/ 22,4 = 0,0987 кмоль
Найдем массу 2-метил-1-бутанола.
m = n×М = 0,0987×88 = 8,68 кг.

3.2. Рассчитываем тротиловый эквивалент взрыва (М ТНТ ) парогазовой
смеси в помещении.
Учитывая, что Q взр ≈ Q н

Примем γ = 1.

3.3. Находим размер безопасной зоны (R без ) по действию давления
воздушной ударной волны.

15
3.4. Определяем количества диоксида углерода (M CO2 в кг),
необходимого для предотвращения взрыва в помещении.
Низшая теплота сгорания 2-метил-1-бутанола в этом случае по закону
Гесса
Q H = 5∆H 0 fСО + 6∆H 0 fН2О − ∆H 0 fС5Н12О = 5×112,7 + 6×242,2 – 128,0 = 1888,7
кДж/моль.
Теперь составим уравнение материального баланса процесса горения 2-
метил-1-бутанола, включив в него и флегматизатор (СО 2 )
С 5 Н 12 О + 5О 2 + 5∙3,76N 2 + n ф СО 2 = 5СО + 6Н 2 О + 5∙3,76N 2 + n ф СО 2 ,
где n ф – число молей флегматизатора

Перепишем уравнение материального баланса для сгорания смеси
предельного состава
С 5 Н 12 О + 5О 2 + 5∙3,76N 2 + 10,51СО 2 = 5СО + 6Н 2 О + 5∙3,76N 2 + 10,51СО 2
Минимальная флегматизирующая концентрация диоксида углерода
будет равна

Находим объем СО 2 .
V п = 6,5×5,0×2,5×29,76%/100% = 24,18 м 3
Найдем количество киломоль диоксида углерода.
n = V п / V m , где V m – молярный объем газа.
n = 24,18/ 22,4 = 1,079 кмоль
Найдем массу углекислого газа.
m = n×М = 1,079×44 = 47,5 кг.

16

3.5. Результаты расчетов, оформляем в виде таблицы (табл. 5).

Таблица 5
Параметры взрыва паровоздушной смеси 2-метил-1-бутанола в
помещении объемом V, м 3
Расчетные
параметры

Наиболее
взрывоопасная
концентрация
вещества А в
паровоздушной
смеси,
φ стех , % (об.)

Количество
вещества,
создающее
наиболее
взрывоопасную
паровоздушную
смесь в
помещении
m, кг

Тротиловый
эквивалент
взрыва
М ТНТ , кг

Безопасное
расстояние
по
действию
ударной
волны R без ,
м

Количество
необходимого
СО 2 для
предотвращения
взрыва
M CO2 , кг

Численные
значения
параметров

2,72 8,68 77,8 64 47,5

17

Выводы.

В результате расчетов, проведенных в курсовой работе, установлены
значения взрывопожароопасных характеристик 2-метил-1-бутанола.
Рассчитаны КПР 2-метил-1-бутанола: верхний – 1,43%, нижний – 8,2%.
При расчете КПР полученные данные нижнего значения не отличаются, а
верхнего занижены на 2,4 %.
Стехиометрическая концентрация 2-метил-1-бутанола в помещении
размером 6,5×5,0×2,5 м составляет 2,72 % или 8,68 кг. Данная масса способна
создать взрыв эквивалентный 77,8 кг тротила. Безопасное расстояние при
этом составит 64 м. Масса диоксида углерода необходимая для
предотвращения взрыва равна 47,5 кг.