Определение адиабатической температуры горения

СОДЕРЖАНИЕ

Часть 1……………………………………………………………………………..3
Исходные данные…………………………………………………………3
Определение адиабатической температуры горения…………………..4
Нахождение температуры взрыва……………………………………….6
Расчёт КПР………………………………………………………………..8
Расчёт МФК и МВСК…………………………………………………….9
Расчёт температурных пределов распространения пламени…………12
Расчёт температуры самовоспламенения………………………………13
Расчёт максимального давления взрыва……………………………….14
Расчёт тротилового эквивалента вещества…………………………….15
Часть 2…………………………………………………………………………....16
Часть 3. Определение параметров паровоздушной смеси в помещении….…17
Выводы……………………..…………………………………………………….19
Библиографический список……………………………………………………..20

ЧАСТЬ 1

Исходные данные

1) Горючее вещество: пара-ксилол (1,4-диметилбензол)
2) Формула С 8 Н 10
3) Размер помещения:
a = 10 м; b = 4,5 м; h = 3,0 м;

4

Определение адиабатической температуры горения

Адиабатическую температуру горения вещества находят при условии
отсутствия теплопотерь (η = 0) для стехиометрической смеси горючего с
воздухом, т. е. при α = 1
1) Для определения адиабатической температуры горения составим
уравнение материального баланса горения пара-ксилола на воздухе:
С 8 Н 10 + 10,5(О 2 + 3,76N 2 ) → 8СО 2 + 5Н 2 О + 10,5•3,76N 2
2) Находим объем продуктов горения, выделившихся при сгорании пара-
ксилола. Объём любого газа из уравнения реакции горения можно
определить по формуле:
V i = гn
ni
, n i – количество вещества продукта горения
n г – количество вещества горючего вещества
V CO2 = 1
8
= 8 моль/моль
V H2O = 1
5
= 5 моль/моль
V N2 = 1
76,35,10
= 39,48 моль/моль

V ПГ = V CO2 + V H2O + V N2 + = 8 + 5 + 39,48 = 52,48 моль/моль
∆Vв = 0, так как α = 1
3) Находим теплоту сгорания вещества Qн пара-ксилола по закону Гесса.
Q н = ΔН 0 f CO2 •n CO2 + ΔН 0 f H2O •n H2O + ΔН 0 f N2 •n N2 - ΔН 0 f C8H10 •n C8H10 - ΔН 0 f O2 •n O2
ΔН 0 f O2 = ΔН 0 f N2 = 0, так как кислород и азот – простые вещества
Q н = ΔН 0 f CO2 •n CO2 + ΔН 0 f H2O •n H2O - ΔН 0 f C8H10 •n C8H10
Подставляем значения из таблицы II приложения:
Q н = 396,9 кДж/моль•8 моль + 242,2 кДж/моль•5 моль – 136,2
кДж/моль•1 моль = 3175,2 + 1211 – 138,3 = 4247,9 кДж

5

Так как теплопотери отсутствуют, то все выделившееся тепло идет на
нагревание продуктов горения. Среднее теплосодержание
продуктов горения будет составлять

222

3
4247,9

80,94/

52,48

H

ср
COON
QкДж

НкДжмоль
VVVм


4) Воспользовавшись данными из таблицы (приложения IV), определим,
какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего
это сделать, ориентируясь на теплосодержание азота, так как его
больше всего в продуктах горения. Из приложения IV видно, что при
температуре 2100 °С теплосодержание азота 70,4 кДж/моль.
Рассчитаем, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты
горения до такой температуры:

48,394,7054,9387,114
222222NNОНОНСОСО1VНVНVНQ
н =
917,6 + 467 + 2779,4 = 4164 кДж/моль.
5) Это оказалось меньше, чем выделилось тепла в результате реакции
горения, поэтому температура горения больше, чем 2100 °С.
Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов
горения до 2200 °С

48,391,7458,9888,120
222222NNОНОНСОСО2VНVНVНQ
н =
966,4 + 494 + 2925,5 = 4385,9 кДж/моль.
Таким образом, это больше, чем выделилось тепла в результате реакции
горения. Значит, температура горения меньше, чем 2200 o С.
6) Методом интерполяции рассчитаем искомую температуру горения:
8,2137)41649,4247(

41649,4385
21002200

2100)(3н
32
32

3а






QQ
QQ
tt
tt

ºС , или

(2137,8 + 273) = 2410,8К

6

Нахождение температуры взрыва

Температура взрыва находится при условии отсутствия теплопотерь (η = 0)
1) Составим уравнение материального баланса горения пара-ксилола на
воздухе:
С 8 Н 10 + 10,5(О 2 + 3,76N 2 ) → 8СО 2 + 5Н 2 О + 10,5•3,76N 2
2) Находим объем продуктов, выделившихся при взрыве пара-ксилола.
Объём любого газа из уравнения реакции взрыва можно определить по
формуле:
V i = гn
ni
, n i – количество вещества продукта взрыва
n г – количество вещества горючего вещества
V CO2 = 1
8
= 8 моль/моль
V H2O = 1
5
= 5 моль/моль
V N2 = 1
76,35,10
= 39,48 моль/моль

V ПГ = V CO2 + V H2O + V N2 + = 8 + 5 + 39,48 = 52,48 моль/моль
∆Vв = 0, так как α = 1
3) Находим низшую теплоту взрыва Qн пара-ксилола по закону Гесса.
Q н = ΔН 0 f CO2 •n CO2 + ΔН 0 f H2O •n H2O + ΔН 0 f N2 •n N2 - ΔН 0 f C8H10 •n C8H10 - ΔН 0 f O2 •n O2
ΔН 0 f O2 = ΔН 0 f N2 = 0, так как кислород и азот – простые вещества
Q н = ΔН 0 f CO2 •n CO2 + ΔН 0 f H2O •n H2O - ΔН 0 f C8H10 •n C8H10
Подставляем значения из таблицы II приложения:
Q н = 396,9 кДж/моль•8 моль + 242,2 кДж/моль•5 моль – 138,3
кДж/моль•1 моль = 3175,2 + 1211 – 136,2 = 4247,9 кДж
4) Так как теплопотери отсутствуют, то все выделившееся тепло идет на
нагревание продуктов взрыва. Среднее теплосодержание продуктов
взрыва будет составлять

7

222

3
4247,9

80,94/

52,48

H

ср
COON
QкДж

UкДжмоль
VVVм


5) Воспользовавшись данными из таблицы (приложения V), определим,
какой температуре соответствует такое значение внутренней энергии.
Сделаем это по азоту, так как его больше всего в продуктах взрыва.
Из приложения V видно, что при температуре 2600 °С
теплосодержание азота 67,4 кДж/моль. Рассчитаем, сколько
потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты взрыва до такой
температуры:

48,394,6758,9787,123
222222NNОНОНСОСО1VUVUVUQ
н =
989,6 + 489 + 2661 = 4139,6 кДж/моль.
6) Это оказалось меньше, чем выделилось тепла в результате реакции
взрыва н1нQQ

, поэтому можно сказать, что температура взрыва
больше, чем 2600 °С. Определим, сколько потребуется тепла для
нагревания продуктов взрыва до 2700 °С

48,392,7054,10289,128
222222NNОНОНСОСО2VUVUVUQ
н =
1031,2 + 512 + 2771,5 = 4314,7 кДж/моль.
Таким образом, это больше, чем выделилось тепла в результате взрыва.
Значит, температура взрыва меньше, чем 2700 o С.
7) Уточним искомую температуру линейной интерполяцией между двумя
этими ближайшими значениями:

8,2661)6,41399,4247(

6,41397,4314
26002700

2600)(3н
32
32

3в








QQ
QQ
tt

tt
ºС или (2661,8 + 273) = 2934,8К

8
Расчёт КПР

1) Составим реакцию горения исследуемого вещества на воздухе:
С 8 Н 10 + 10,5(О 2 + 3,76N 2 ) → 8СО 2 + 5Н 2 О + 10,5•3,76N 2
2) Рассчитываем НКПР и ВКПР по аппроксимационной формуле
banвн100
)(

, где a и b – коэффициенты (указаны в таблице 2)

При расчёте ВКПР небходимо учесть, что n > 7,5
 н = 
679,45,10684,8
100

1,04 %
 в = 
554,65,10768,0
100

6,84%

9

Расчёт минимальной флегматизирующей концентрации
диоксида углерода (МФК) и минимальной взрывоопасной

концентрации кислорода (МВСК)

1) МФК находится, исходя из условия предельной адиабатической
температуры горения стехиометрической пара-ксилоловоздушной
смеси при Т = 1500К. Так как при этих условиях сгорание идет в
основном с образованием СО, определим низшую теплоту
сгорания пара-ксилола для такого случая.
2) Запишем уравнение материального баланса горения пара-ксилола
С 8 Н 10 + 6,5(О 2 + 3,76N 2 ) → 8СО + 5Н 2 О + 6,5•3,76N 2
3) Находим низшую теплоту сгорания пара-ксилола Qн по закону
Гесса.
Q н = ΔН 0 f CO •n CO + ΔН 0 f H2O •n H2O + ΔН 0 f N2 •n N2 - ΔН 0 f C8H10 •n C8H10 - ΔН 0 f O2 •n O2
ΔН 0 f O2 = ΔН 0 f N2 = 0, так как кислород и азот – простые вещества
Q н = ΔН 0 f CO •n CO + ΔН 0 f H2O •n H2O - ΔН 0 f C8H10 •n C8H10
4) Подставляем значения из таблицы II приложения:
Q н = 112,7кДж/моль•8 моль + 242,2 кДж/моль•5 моль –– 136,2
кДж/моль•1 моль = 901,6 + 1212,5 – 138,3 = 1975,8 кДж
5) Запишем уравнение материального баланса горения пара-ксилола с
учётом добавления флегматизатора (СО 2 )
С 8 Н 10 + 6,5(О 2 + 3,76N 2 ) + n ф СО 2 → 8СО + 5Н 2 О + 6,5•3,76N 2 + n ф СО 2
6) Находим объём продуктов горения:
V i = гn
ni
, n i – количество вещества продукта горения
n г – количество вещества горючего вещества

V CO2 = 1
8
= 8 моль/моль
V H2O = 1
5
= 5 моль/моль

10

V N2 = 1
76,35,6
= 24,44 моль/моль

7) Находим объём флегматизатора в горючей смеси при Т = 1500К для
данного вещества:

Значение теплоёмкостей для каждого из продуктов горения находим
из таблицы 1

222

2

1975,8(1500273)(3,371083,981053,181024,44)

(1500273)5,0810

7,2/моль
ф

КК

V
моль











8) Запишем уравнение материального баланса горения пара-ксилола с
учётом добавления флегматизатора
С 8 Н 10 + 6,5(О 2 + 3,76N 2 ) + 7,2 СО 2 → 8СО + 5Н 2 О + 6,5•3,76N 2 + 7,2
СО 2
9) Находим МФК СО 2

22
1007,2100

19,4%
16,522,447,2

ф
МФK
гONф
n

nnnn



10) Находим концентрацию горючего в точке флегматизации:

22

г()

1001100

2,67%
16,522,447,2

г

Ф
гONф
n

nnnn



11) Концентрационные пределы распространения пламени пара-
ксилола в воздухе составляют 1,04% и 6,84 % (об.). Построим
график зависимости КПР от концентрации флегматизатора

11

12) Находим минимальную взрывоопасную концентрацию кислорода
(МВСК)

2

2

22

О()

1006,5100

17,36%

16,522,447,2

О

Ф
гONф
n

nnnn



12

Расчёт температурных пределов распространения пламени

1) По аппроксимационной формуле находим НКПР и ВКПР (см. «Расчёт
КПР). Так, для пара-ксилола, НКПР = 1,04%, ВКПР = 6,84%
2) Определяем, какому давлению насыщенного пара соответствует
значение нижнего и верхнего концентрационных пределов в кПа и
мм.рт.ст:

кПаР
Р05,1

100
3,10104,1
100
0н
н



кПаР
Р93,6

100
3,10184,6

100
0в
в



3) НТПВ и ВТПВ находим по формуле Антуана. По табличным данным
находим коэффициенты:
А = 6,25485
В = 1537,082
С = 223,608
lgPн = lg1,05 = 0,02
lgPв = lg6,93 = 0,84

Тн =

1537,082

223,60822,9

6,254850,02lgн
B
С

AС
P

 =295,9К

Тв =

1537,082

223,60860,3

6,254850,84lgв
B
С

AС
P

 = 333,3К

13

Расчёт температуры самовоспламенения

1) Температура самовоспламенения Тсв, приведенная в
справочниках, получена экспериментально по стандартной
методике для горючей смеси стехиометрического состава.
Установлено, что в пределах гомологического ряда величина
Тсв является функцией длины углеродной цепи в молекуле. Чем
длиннее цепь, тем ниже температура самовоспламенения.
2) Запишем формулу пара-ксилола

3) В молекуле 2 метильных (-СН 3 ) и одна – фенильная концевых
групп, т. е. М р =3. Тогда число цепей:

m =
(1)3(21)
3
22
МрМр


4) Составим таблицу, в которую внесем цепи и их длину. В этом
соединении согласно первому правилу концевым необходимо считать и
фенил. В этом случае углеродные цепи будут заканчиваться не только
на метильных группах -CH 3 , но и на бензольном кольце. Цепи,
содержащие фенил, укорачиваются на единицу.

Углеводородная
цепь, m 1

1-2 2-3 1-3

Длина цепи, l 1 1 1 2
5) Рассчитываем среднюю длину углеродных цепей:
212
1,3
3срl

6) По таблице для ароматических углеводородов находим
соответствующую температуру самовоспламенения Тсв = 709 К.

14

Расчёт максимального давления взрыва

1) Запишем уравнение материального баланса горения пара-ксилола
С 8 Н 10 + 10,5(О 2 + 3,76N 2 ) → 8СО 2 + 5Н 2 О + 10,5•3,76N 2
2) Находим количество молей газовой смеси до взрыва и после взрыва:
n c = n г + n O2 + n N2 = 1 моль + 10,5 моль + 39,48 моль = 50,98 моль
n ПГ = n СО2 + n Н2О + n N2 = 8 моль + 5 моль + 39,48 моль = 52,48 моль
3) Температуру взрыва мы рассчитали выше, Т в = 2934,8К
4) Находим максимальное давление взрыва:

0
0

2934,850,98

Р101,31057,9

27352,48

взрываПГвзрыва
мах

C
ТnКмоль
РкПакПа
ТnКмоль







15

Расчёт тротилового эквивалента вещества

1) Тротиловым эквивалентом называют соотношение количества
теплоты, выделяющееся при взрыве пара-ксилоловоздушной смеси
и теплоты, выделяющееся при взрыве 1 кг тротила
2) Находим Q н пара-ксилола. Q н = 4247,9 кДж/моль (см. раздел
«Нахождение температуры взрыва»). Q ТНТ = 4,19•10 3 кДж/кг (по
справочным данным). Масса 1 моля пара-ксилола равна 106•10 -3
кг/моль, тогда

3

3
4247,9/

4010/

10610/
н
н
QкДжмоль
QкДжкг
Мкгмоль


3
3
4010/

9,55
4,1910/
н
ТНТ
ТНТ
QкДжкг
кг

QкДжкг



16
ЧАСТЬ 2

1) Занесём все рассчитанные параметры горения и взрыва для пара-
ксилола в сводную таблицу

Таблица 1
Расчетные значения параметров горения и взрыва для пара-ксилола
Параметр
горения и
взрыва

Адиаб
атич
еска
я
тем
пе-
рату
ра
горе
ния,
Т ад ,
К
Темпе
рату
ра
взр
ыва
Т взрыв
а ,К

КПР
, %
МФ
K
(С
О 2 )
, %
МВС
К,
%
ТПР,
К
Т
са
мо
во
сп
ла
ме
не
ни
я,
К
Давлен
ие
взрыв
а
Р взрыва ,
кПа

Трот
ил
ов
ый
экв
ива
лен
т
ве
ще
ств
а,
η ТНТ
, кг

Значение
параметра

2410,8 2934,8 1,04
…
6,84
19,4 17,36 295,9
…
333,3
709 1057,9 1,01

2) По справочным данным находим показатели пожарной опасности
пара-ксилола, найденные значения заносим в сводную таблицу
Таблица 2
Справочные значения показателей пожарной опасности пара-ксилола
Показатель
пожарной
опасности

Температу
ра вспышки
в закрытом
тигле, °С

Температу
ра вспышки
в открытом
тигле, °С

Температу
ра воспла-
менения, °С

Температура
самовоспламен
ения, К

КПР, % МВСК, %

Значение
показателя 24 28 20 708

1 …
6,8
18

17

Исходя из полученных и справочных данных можно сделать вывод о
том, что пара-ксилол является веществом 3 класса опасности (умеренно
опасные). Расчётные показатели и справочные показатели совпали
практически полностью, погрешность составила от 1 до 5%

18
ЧАСТЬ 3.

Определение параметров взрыва паровоздушной

смеси в помещении

1) Находим объём помещения
S = а•b•h = 10м•4,5м•3м = 135 м 3
2) Составим материальный баланс горения пара-ксилола на воздухе:
С 8 Н 10 + 10,5(О 2 + 3,76N 2 ) → 8СО 2 + 5Н 2 О + 10,5•3,76N 2
3) Из уравнения материального баланса находим стехиометрическую
концентрацию пара-ксилола

810
81022

1001100

1,96%

110,539,48

СН

стех
СНON
n

nnn




4) Найдём объём паров в помещении с указанным объёмом с учётом
стехиометрической концентрации пара-ксилола
3

31,96135
2,6

100100
стехпомещения

паров

Vм
Vм


5) Находим массу пара-ксилола

810
810

3
3
2,6

106/12,3

22,4/

CH
CH

Vм
mMкгкмолькг
Vмкмоль
6) Находим низшую теплоту сгорания пара-ксилола
3

3
4247,9

40,110/

10610/н
кДж

QкДжкг
кгмоль


7) Находим тротиловый эквивалент взрыва парогазовой смеси в
помещении

3
3

40,110/12,31
117,7

4,1910/

н
ТНТ

ТНТ
QкДжmкгкг
Мкг

QкДжкг








19

8) Находим размер безопасной зоны по действию давления воздушной
ударной волны

33

1515117,773,5безТНТRМкгм
9) Находим объём углекислого газа, исходя их его МФK и объёма
помещения:

3

3

2

19,4%135

26,19

100100
МФKпомещения
CO

Vм
Vм

10) Находим массу диоксида углерода, необходимого для
предотвращения взрыва в помещении

2
2

3
3
26,19

44/51,4

22,4/

CО
CО
Vм
mMкгкмолькг
Vмкмоль

11) Сводим полученные данные в таблицу

Расчётные
параметры

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

Количество
вещества, со-
здающее
наиболее взры-
воопасную
паровоздушную
смесь в поме-
щении
m, кг

Тротиловый
эквивалент
взрыва
М ТНТ , кг

Безопасное
расстояние
по дей-
ствию
воздушной
ударной
волны
Rбез, м

Количество
необходимого
СО 2 для
предот-
вращения
взрыва
М CO 2 , кг

Численные
значения
параметров

1,96 12,3 117,7 73,5 51,4

20
ВЫВОДЫ

Исходя вышеприведённых расчётов видно, что пара-ксилол является
пожаро- и взрывоопасным веществом. Пара-ксилола имеет достаточно
высокую адиабатическую температуру и температуру взрыва по сравнению с
другими горючими веществами. Также он имеет очень низкие показатели
НКПР и ВКПР, и высокий показатель низшей теплоты сгорания. МВСК
пара-ксилола находится на уровне показателей других горючих веществ.
Таким образом, цели и задачи, поставленные в курсовой работе,
выполнены в полном объёме.

21

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Андросов А.С., Бегишев И.Р., Салеев Е.П. Теория горения и взрыва:
Учебное пособие. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2007. – 240 с.
2. Бегишев И.Р. Расчет и анализ параметров горения и взрыва
паровоздушных смесей горючего вещества. Методические рекомендации по
выполнению курсовой работы по дисциплине «Теория горения и взрыва».
М., 2010. – 59 с.
3. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров / Пер. с англ. М.: Стройиздат.
1990, 424 с.
4. Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и
средства их тушения. Справочник в 2-х частях. – М.: Асс. «Пожнаука»,
2000. – 709 с.
5. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения:
справочник. / А. М. Александрова, Э. Н. Алехина, Н. Г. Анисимова; ред.: А.
Н. Баратов, А. Я. Корольченко. - М. : Химия, 1990. Кн. 1 - 495 с.; Кн. 2 - 384
с.
6. Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической
промышленности. Справочник под ред. И.В. Рябова. М., Химия, 1970 г. – 332
с.
7. Расчетные методы оценки пожаровзрывоопасности горючих жидкостей:
Учебное пособие / Под общ. ред. В.С. Артамонова. – СПб.: СПб университет
ГПС МЧС России, 2010.