Исследование пожароопасных свойств метилового спирта (стр. 2 из 9)

Массовая доля углерода < 75 %, а массовая доля кислорода > 30 %, следовательно, при горении метилового спирта пламя будет бесцветное или голубоватое.

2.2. Теоретический и практический расход воздуха на горение.

Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполагает вычисление:

а) теоретического объема воздуха V_в^теор и 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:

V_в^пр = V_в^теор + DV_в

и, следовательно, избыток воздуха будет равен:

DV_в= V_в^пр - V_в^теор

Обычно в расчетах избыток воздуха при горении учитывается с помощью коэффициента избытка воздуха (a). Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз в зону горения поступило воздуха больше, чем это теоретически необходимо для полного сгорания вещества:

Для горючих смесей стехиометрического состава (т.е. состава, соответствующего уравнению реакции горения) коэффициент избытка воздуха a = 1, при этом реальный расход воздуха равен теоретическому. В этом случае обеспечивается оптимальный режим горения.

При a > 1 горючую смесь называют бедной по горючему компоненту, а при a < 1 – богатой по горючему компоненту.

Избыток воздуха имеется только в смеси, бедной по горючему компоненту. Из формул (3.2) и (3.3) следует

DV_в= V_в^теор(a-1)

В закрытом объеме диффузионное горение большинства горючих материалов возможно только до определенной пороговой концентрации кислорода, так называемой остаточной концентрации кислорода в продуктах горения j (О₂)^ПГ. Для большинства органических веществ она составляет 12 – 16 % О₂. Для некоторых веществ, например, ацетилена С₂Н₂, ряда металлов, горение возможно и при значительно меньшем содержании кислорода (до 5 % объемных О₂).

Зная содержание кислорода в продуктах горения, можно определить коэффициент избытка воздуха (коэффициент участия воздуха в горении) на реальном пожаре:

Расчет выполняется двумя способами: по уравнению химической реакции и по элементному составу вещества:

1. способ

Записываем уравнение реакции горения изобутилового спирта:

СН₄О + 1.5 (О₂ + 3,76·N₂) → СО₂ + 2Н₂О + 1.5·3,76·N₂

По условию масса изобутилового спирта равна 1 кг., условия нормальные, тогда:

m=1кг. V_в. ^теор.-Х

С₄Н₁₀О + 6 (О₂ + 3,76·N₂) → 4СО₂ + 5Н₂О + 6·3,76·N₂

М=32кг/кмоль 1.5·4,76·V_m

V_в^теор =

5 м³.

= =3,2

φ(О₂)^ПГ=14,4 %

V_в^пр = V_в^теор×a =5*3.2 = 16 м³.

DV_в= V_в^теор(a-1)=5·(3,2-1)=11 м³.

2. способ

Процентный элемент состава изобутилового спирта:

w (С) = 37.5%; w (Н) = 12,5%; w (О) = 50%;

Найдем объем воздуха на горение по формуле для изобутилового спирта с известным процентным составом, тогда:

V_в^теор =

= 5м³.

V_в^пр = V_в^теор×a =5·3,2 = 16м³.

DV_в= V_в^теор(a-1)=5·(3,2-1)=11м³.

Ответ: практический объем воздуха равен 16 м³, а теоретический

объем воздуха равен 5 м³ при коэффициенте избытка воздуха

равном 3,2.

2.3. Объём и состав продуктов полного сгорания.

Состав продуктов горения зависит от химической природы горючего материала и условий его горения. Практически всегда органические вещества горят с образованием продуктов полного и неполного горения.

К продуктам полного сгорания относятся: углекислый газ, образующийся при горении углерода, разложении карбонатов; водяной пар, образующийся при горении водорода и испарении влаги в исходном веществе; оксид серы (IV) SO₂ и азот – продукты горения соединений, содержащих серу и азот.

Продукты неполного сгорания – это оксид углерода (II) – угарный газ СО, сажа С, продукты термоокислительного разложения – смолы.

Неорганические вещества сгорают, как правило, до соответствующих оксидов.

Выход продуктов горения количественно установить невозможно из-за чрезвычайной сложности их состава, поэтому материальный баланс процесса горения рассчитывается из предположения, что вещество сгорает полностью до конечных продуктов. При этом в состав продуктов горения включают также азот воздуха, израсходованного на горение, и избыток воздуха при a > 1.

Как и в случае расчета объема воздуха, необходимого для горения, свои особенности имеет расчет продуктов горения для индивидуальных веществ, смеси газов и веществ с известным элементным составом.

m=1кг. Х₁ Х₂ Х₃

СН₄О + 1.5 (О₂ + 3,76·N₂) → СО₂ + 2Н₂О + 1.5·3,76·N₂

М=74,12кг/кмоль V_m 2·V_m 1.5·3.76·V_m

V_ПГ=

6 м³.

Избыток воздуха определим по формуле (3.4):

DV_в= V_в^теор(a-1)=8,63·(3,5-1)=21,6м³.

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

V_ПГ^* = V_ПГ + DV_в = 6 + 11 = 17 м³.

По уравнению реакции определяем объем СО₂, Н₂О и N₂.

V(СО₂) = х₂ =

= 0.7 м³

V(Н₂О) = х₃ =

= 1,4 м³

V(N₂) = х₄ =

=3.95 м³

DV_в=11м³ (рассчитано).

Объемная концентрация каждого компонента смеси рассчитывается следующим образом:

j^об (СО₂) =

= = 4.1 %

j^об (Н₂О) =

= = 8.2 %

j^об (N₂) =

= =23.2 %

j^об (О₂) =

= =50.8 %

j^об (DV_в) =

= = 64.7%

Проверка:

∑φ^об. = 100 % ± 1 %. 4.1+8.2+23.2+64.7 = 100 %,

Ответ: теоретический объем продуктов горения составил 6 м³,а практический объем продуктов горения- 17 м³. В процентном составе СО₂- 4.1 %, Н₂О- 8.2%, N₂- 23.2%, DV_в – 64.7%

2.4. Низшая теплота горения.

Энтальпией горения (DН_гор, кДж/моль) вещества называется тепловой эффект реакции окисления 1 моль горючего вещества с образованием высших оксидов.

Теплота горения (Q_гор) численно равна энтальпии горения, но противоположна по знаку.

В пожарно-технических расчетах часто пользуются понятием удельной теплоты горения. Удельная теплота горения – это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества. Размерность удельной теплоты горения – кДж/кг или кДж/м³.

В зависимости от агрегатного состояния воды в продуктах горения различают низшую и высшую теплоту горения. Если вода находится в парообразном состоянии, то теплоту горения называют низшей теплотой горения Q_н. Если пары воды конденсируются в жидкость, то теплота горения – высшая Q_в.

Температура пламени достигает 100 К и выше, а вода кипит при 373 К, поэтому в продуктах горения на пожаре вода всегда находится в парообразном состоянии, и для расчетов в пожарном деле используется низшая теплота горения Q_н.