Расчётные формулы для расчета количества воздуха, необходимого для горения.

Для практических расчётов принимают, что воздух состоит из 21% кислорода и 79% азота. Таким образом, объёмное соотношение азота и кислорода в воздухе составит:

(1.1)
где ₂, ₂ - это объёмное (% об.) содержание азота и кислорода в окислительной среде.

Следовательно, на 1м³ (кмоль) кислорода в воздухе приходится 3, 76м³(кмоль) азота.

Весовое соотношение азота и кислорода в воздухе можно определить, исходя из соотношения:

 

=

где МN₂, ₂ -молекулярные массы соответственно кислорода и азота.

Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на три типа (таб.1.1).Индивидуальные химические соединения ( метан, уксусная кислота и т.п., вещества сложного состава ( древесина, торф, сланцы, нефть и т. п.), смесь газов (генераторный газ и т.д.)

 

Таблица 1.1

ТИП ГОРЮЧИХ ВЕВЕЩЕСТВ	РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ	№ ФОРМУЛЫ	РАЗМЕРНОСТЬ
Индивидуальное Вещество	V0B =	(1.3а)	М3;
V0B =	(1.3б)
Вещества сложного состава	V0B =0, 269∙ ( )	(1.4)
Смесь газов	V0B =	(1.5)

 

Здесь: V⁰_B- теоретическое количество воздуха;

n_{r, 2 2} количество горючего, кислорода. и азота получаемые из уравнения химической реакции горения кмоль;

М- молекулярная масса горючего;

V_0- объем 1 моля газа при нормальных условиях (22, 4 м³)

C, H, S, O- весовое содержание соответствующих элементов в составе горючего, %;

r_i- коцентрация i-того горючего компонента, %;

О ₂ концентрация кислорода в составе горючего газа, %об.;

₂ i- количество кислорода необходимое для окисления одного i-того кмоля горючего компонента, ккмоль.

Для определенного объема воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются следствием из уравнения состояния идеальных газов:

= (1.6)

где, нормальное давление, Па.

температура, К.

объем воздуха при нормальных условиях;

_{1 1} Т₁ заданные условия горения.

Практическое количество воздуха V_{0 –}объем воздуха, фактически поступивший в зону горения.

Отношение практического объема воздуха к теоретическому называется коэффициентом избытка воздуха :

= (1.7)

Разность между практическим и теоретическим объемами воздуха называется избытком воздуха ∆ :

∆ (1.8)

Из (1.7)и (1.8) следует, что

∆ -1) (1.9)

Если известно содержание кислорода в продуктах горения, то коэффициент избытка воздуха определяется по формуле:

=1+ (1.10) где концентрация кислорода в составе горючего газа, % об.;

теоретический объем продуктов горения.

Для вещества, у которых объем продуктов горения равен объему израсходованного воздуха( например, горение серы и углерода), формула (1.10) упрощается:

= (1.11)

Если содержание кислорода в окислительной среде отличается от содержания его в воздухе, то формулу(1.10) можно записать в виде:

=1+ (1.12)

и соответственно формулу (1.11)

= (1.13),

где ₂- содержание кислорода в окислительной среде, % об.

Примеры решения задач.

Пример №1.

Определить теоретическое количество воздуха, необходимого для горения 1м³ метана при нормальных условиях.

Решение: Горючее вещество является индивидуальным химическим соединением, поэтому для расчета его объема надо пользоваться формулой (1.3.а). Запишем уравнение химической реакции горения СН₄ в воздухе:

СН₄+ 2О₂+2∙ 3, 76N₂=CО₂+2Н₂О+2∙ 3, 76N₂

Из уравнения находим: no₂=2; nN₂=2∙ 3, 76=7, 52; nCH₂=1; тогда

V⁰_B= м³/ м³ или кмоль/кмоль

Пример №2

Определить объем теоретического количества воздуха, необходимого для горения 1кг бензола.

Решение: горючее – индивидуальное химическое соединение, поэтому для расчета по формуле (1.3.б) запишем уравнение химической реакции горения:

С₂Н₂₊7, 75O₂+7, 75∙ 3, 76N₂=6CO₂+3H₂O+7, 75∙ 3, 75N₂ и найдем:

nО₂=7, 75; nN₂=7, 5∙ 3, 76=28, 2; nr=1,

Молекулярная масса бензола М=6∙ 12+6∙ 1=78 объем 1 кмоля газа при нормальных условиях составляет 22.4м³:

V⁰_B= м³/кг

Пример №3

Определить объем воздуха, необходимого для горения 1кг органической массы состава: С-60%, О-25%, N-5%, W-%(влажность), если коэффициент избытка воздуха а температура воздуха 305К, давление 995ГПа.

Решение: Так как горючее вещество сложного состава, то теоретическое количество воздуха при нормальных условиях определим по формуле (1.4):

V⁰_B=0, 269( )=5, 9 м³/кг

Из формулы (1.7) рассчитаем практическое количество воздуха при нормальных условиях:

V⁰_B= V⁰_B=2, 5∙ 5, 9=14, 75 м³/кг

Находим количество воздуха, пошедшего на горение вещества при заданных условиях горения; используя формулу (1.6), получим:

V_{B(р, т)}= =16, 8 м³/кг

Пример №4.

Определить объем воздуха, необходимого для горения 5м³смеси газов, состоящих из 20% СН₄, 10% СО, 5%N, 35%О₂, если коэффициент избытка воздуха равен 1, 8.

Решение: Горючее-смесь газов. Поэтому для расчета объема воздуха, пошедшего на сгорание, воспользуемся формулой (1.5). Для определения стехиометрических коэффициентов при кислороде nо₂ запишем уравнение реакции горения горючих компонентов в кислороде:

СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О;

С ₂Н₂+2, 5О₂=2СО₂+Н₂О; СО+0, 5О₂=СО₂ тогда

V⁰_B= =5, 7 м³/кг

Для горения 5м³ газовой смеси необходимый теоретический объем воздуха составит: V⁰_B=5∙ 5, 7 =32, 5 м³ Практическое количество воздуха: V⁰_B=1, 8∙ 32, 5=58, 5 м³.

Пример №5.

Определите коэффициент избытка воздуха при горении уксусной кислоты, если на горение 1кг поступило 3 м³ воздуха.

Решение: Для определения коэффициента избытка воздуха по формуле (1.7) необходимо рассчитать его теоретическое количество. Молекулярная масса уксусной кислоты-60.

СН₃СООН+2О₂+2∙ 3, 76N₂=2СО₂+2∙ 3, 76 N_2;

V⁰_B= м³/кг

тогда коэффициент избытка воздуха равен:

Горение протекало при недостатке воздуха.

Пример №6

Определить объем воздуха, пошедшего на окисление 1м³ аммиака:

NН₃+0, 75О₂ +0, 75 3, 76 N₂=1, 5Н₂О+0, 5N₂+0, 75∙ 3, 76N_2,

тогда

V⁰_B= м³/кг

Для определения коэффициента избытка воздуха по формуле (1.10) необходимо рассчитать теоретическое количество продуктов горения 1м³аммиака (см. след параграф 1.2 формула (1.14)):

V⁰_пр= м³/кг

Пример №7.

Определить объем окислительной среды, состоящей из 60%О₂ и 40%N_2, необходимый для горения 1 кг изопропилового спирта, если ее температура равна 295К, давление 620гПа.

Решение: так как окислительная среда отличается по составу от воздуха, определим по формуле (1.1) объемное соотношение кислорода и азота: 40: 60+0, 67

Уравнение реакции горения изопропилового спирта:

С₃Н₇ОН+4, 5О₂+4, 5 0, 67N₂=3СО₂+4Н₂О+4, 5⋅ 0, 67 N₂

Теоретический объем окислительной среды при нормальных условиях рассчитаем по формуле (1.3). Молекулярная масса горючего-60.

V⁰_ос= =2, 8 м³/кг

Объем окислительной среды при заданных условиях горения определим из формулы (1.6):

V⁰_ос(рr)= м³/кг

Пример №8

Определить сколько кг динитротолуола сгорело в герметичном объеме 100м³, если содержание кислорода в продуктах сгорания составило 12%.

Решение: Так как в продуктах горения содержится кислород, то горение протекало в избытке воздуха, коэффициент избытка которого определим по формуле (1.10). Для этого запишем уравнение горения:

С₇Н₆(NO₂)₂+6, 5O₂+6, 5∙ 3, 76N₂=7CO₂+3H₂O+N₂+6, 5∙ 3, 76N₂

Молекулярная масса горючего-182.Теоретический объем воздуха равен:

V⁰_B= =3, 8 м³/кг

Теоретический объем продуктов горения (формула1.14):

 

V⁰_пr= 4, 4 м³/кг

 

Практический объем воздуха, пошедший на горение:

V_B= 2, 55 ∙ 3.8=9, 7 м³/кг

Тогда массу сгоревшего динитротолуола Р определим из соотношения:

Р_r = , Р_r = =10, 3 кг

 

Контрольные задачи

1. Определить количество (теоретическое) воздуха, необходимое для горения 1кг: метилового, этилового, пропилового и амилового спиртов. Построить график зависимости объема воздуха от молекулярной массы спирта.

2. Определить теоретический объем воздуха, необходимого для горения 1м³: метана, этана, пропана, бутана и пентана. Построить график зависимости объема воздуха от положения вещества в гомологическом ряду (содержания углерода в молекуле вещества).

3. Определить теоретический объем воздуха, пошедший на горение 1кг: метана, метилового спирта. Объяснить причину влияния состава вещества на объем воздуха, требуемый для их горения.

4. Определить объем воздуха, пошедший на горение 1 кг древесины состава: С-47%, Н-8%, О-40%, W-5% если коэффициент избытка воздуха равен 2, 8; давление 900ГПа, температура 285К.

5. Сколько воздуха поступило на горение 1кг углерода, если в продуктах горения содержание кислорода составило 17%?

6. Сколько воздуха требуется подать на сжигание 200м³ генераторного газа состава: СО-29%, Н₂-14%, СН₄-3%, СО₂-6, 5%, N₂-45%, O₂-2, 5% если коэффициент избытка воздуха равен 2, 5?

7. Определить количество сгоревшего толуола, кг. в помещении объемом 400 м³, если после пожаре при отсутствии газообмене установлено, что содержание кислорода снизилось до 17%.

8. Сколько м³хлора поступило на горение 300м³ водорода, если в продуктах горения избыток окислителя составил 80м³?

9. Определить избыток воздуха в продуктах горения газовой смеси состава: СО-15%, С₄Н₁₀-45%, О₂-30%, N₂-10% если коэффициент избытка равен 1, 2; температура 265К; давление 850ГПа

10. Сколько м³ окислительной среды, состоящей из 50% кислорода, 50% азота, необходимо для горения 8кг этилацетата, если коэффициент избытка равен 1, 2; температура 265К; давление 850 ГПа.

11. Определить коэффициент избытка окислительной среды, состоящей из 70% кислорода и 30% азота, если при горении серы содержание кислорода снизилось до 55%. Определить количество сгоревшей серы, кг, если объем помещения равен 180 м³.

12. Сколько антрацита (принять, что содержание углерода равно 100%) сгорело в помещении объемом 150м³, если прекращение горения наступило при снижении кислорода до 13%, газообмен не учитывать

Домашнее задание к теме: «Расчёт количества воздуха, необходимого для горения веществ»

Задание 1:

Рассчитать объем окислительной среды, м³, необходимый для горения i-того горючего вещества (таблица 1.2.).

Таблица 1.2.

№№ Ва- ри-анта	Горючее вещество	Химичес- кая формула	Количес- тво горючего вещества	Состав окислительной среды	Условия горения
	Метиловый спирт	СН4О	2кг	воздух	Т=1013ГПа Р=300К =3
	Анилин	С6Н7N	1 кг	Кислород70% Азот30%	Т=290 Р=900 =2, 5
	Смесь газов	СО-45% N2-15% C4H8-10% O2-30%	1м3	Воздух	Нормальные =2, 5
	Нитробензол	С6Н5NO2	30кг	Воздух	Т=280 Р=950 =2, 5
	Сложное вещество	С=65% О=20% Н=5% S=10%	1 кг	Воздух	=1, 4 Нормальные
	Этилен	С 2Н4	5 м3	Кислород % Азот%	Нормальные =2, 5
	Сера	S	2 кг	Кислород % Азот%	Т=300 Р=1200 =1, 8
	Сложное вещество	С -90% Н-3% N-5% O-2%	1 кг	Воздух	Т=300 Р=950 =1, 5
	Смесь газов	СН4-15% С3Н8-70% О2-10% Н2-5%	5 м3	Воздух	Нормальные =1, 9
	Алюминий	Аl	15 кг	Кислород42 % Азот58%	Нормальные =2, 8
	Сплав	Мg-20% Al-80%	1 кг	Воздух	Т=265 Р=920 =1, 5
	Муравьиная кислота	СН2О2	1 кг	Воздух	Нормальные =1, 2
	Диметиловый эфир	(СН3)2О	10 кг	Воздух	Т=283 Р=1016 =4, 2
	Смесь газов	Н2S-25% SO2-15% CO2-15% H2-30% O2-15%	15 м3	Воздух	Нормальные =1, 4
	Сложное вещество	С-82% Н-8% W-10%	1 кг	Воздух	Т=260 Р=1100 =1, 4
	Глицерин	С3Н8О3	1 кг	Воздух	Т=305 Р=1013 =1, 9
	Ацетилен	С2Н2	1 м3	Хлор 18 % Азот82%	Нормальные =1, 9
	Смесь газов	СН4-30% O2-8% N2-15% Н2-47%	1 м3	Воздух	Нормальные =3, 2
	Этиловый эфир уксусной к-ты	С4Н8О2	1 кг	Воздух	Т=270 Р=850 =1, 5
	Метилэтил- кетон	С4Н8О	5 кг	Воздух	Нормальные =2, 5
	Хлорбензол	С6Н5Cl	1 кг	Воздух	Т=305 Р=1000 =2, 8
	Нитротолуол	С7Н7NO2	1 кг	Кислород25 % Азот75%	Т=280 Р=980 =1, 4

Задание 2:

Сколько воздуха требуется подать на сжигание n-го объема (м³) генераторного газа при нормальных условиях.

Таблица 1.3

№ Вар- та	n-й объем генераторного газа	Коэффи- циент избытка воздуха	СО%	Н2-%	N%	O2%	CH4%	СО2%
		2, 5				2, 5		6.5
		3, 2					2, 5	6, 5
		1, 8
		1, 7
		1, 9
		1, 5	12, 5		12, 5
		2, 3
		2, 5					2, 5	6, 5
		2.6				2, 5		6.5
		3.0	12, 5	34, 5	12, 5
		3, 1				2, 5		6.5
		3, 3					2, 5	6, 7
		3, 5				2, 5		6.5
		2, 4				2, 5		6.5
		5, 0		14, 5		2, 5	3, 5	6.5
		2, 0	10, 5	32, 5
		2, 1
		2.2			24, 5	5, 5	2, 5	2, 5
		2.3				2, 5		6.5
		2.4			24, 5	5, 5
		2, 3				4, 5	3, 7	6.8
		1, 9

 

Практическая работа№2

Тема: «Расчет объема и состава продуктов горения».

Цель работы: изучить состав продуктов горения, методы и приборы для их изучения; научиться делать расчеты ТПВ для ряда химических веществ.

Существует несколько полуэмпирических методов расчета ТПВ, однако они мало отличаются друг от друга по точности.

Температурные пределы воспламенения жидкостей рассчитывают по температуре кипения:

t _H(B)=Kt_кип- , (4.1.)

 

где t_H(B)- нижний (верхний) температурный предел воспламенения ^оС;

t_{кип –} температура кипения ^оС;

К и - константы для определения групп (гомологических рядов) жидкостей. Их значения приведены в табл.6 приложения

Температурные пределы воспламенения могут быть определены по известным значениям концентрационных пределов:

 

Р _(НВ)= , (4.2.)

где Р _(НВ) -давление насыщенного пара, соответствующее нижнему(верхнему) концентрационному пределу воспламенения;

– нижний (верхний) концентрационный предел воспламенения;

Р_0- атмосферное давление.

По таблице 7 приложения определяем температуру вещества, при которой достигается данное давление. Она будет являться соответственно нижним (верхним) пределом воспламенения.

 

Примеры решения задач.

Пример №1.

Определить температурные пределы воспламенения (ТПВ)метилового спирта, если температура его кипения равна 65^о.

Решение: Расчет производим по формуле (4.1), значение констант определяем по табл.6 для нормальных жирных спиртов:

t_H=0, 5746*65-33, 7=3, 6^оС=276, 6 К;

t_B =0, 6928*15, 0=30 ^оС=303К.

Определим относительную ошибку расчета. По табл.5 приложения находим что ТПВ метилового спирта равны 280 +312 К:

∆ Н=

∆ в=

Следовательно, результаты расчета занижены менее чем на 3%

Пример № 2 Определить температурные пределы воспламенения (ТПВ) ацетона, если его концентрационные пределы в воздухе равны 2, 2 +13%. Атмосферное давление- нормальное.

Решение: По формуле (4.2) определим давление насыщенного пара ацетона, соответствующее нижнему и верхнему пределам воспламенения:

Р_H=

Р_В=

Из таблицы 7 приложения следует, что нижние температурные пределы вещества (НТПВ) находятся между температурами 241, 9 и 252.2К. а верхние температурные пределы вещества (ВТПВ)- между 271, 0 и 280, 7К.

Линейной интерполяцией определим ТПВ:

 

Т_н=241, 9+

Т_В= К

 

Зная справочные значения ТПВ ацетона (253+279К.см. приложение5), можно определить относительную ошибку расчета:

 

∆ Н=

 

∆ В= .

Контрольные задачи

1. Определить температурные пределы воспламенения в гомологическом ряду жирных углеводородов:

вариант
углеводород	Бутан	Гексан	Октан	Пентан
Т кипения (К)	273.6	309.0	398.7	304.7

2. Построить график изменения ТПВ от положения горючего в гомологическом ряду.

3. Сравнить температурные пределы воспламенения Н- бутиловых эфиров муравьиной и уксусной кислот. На основании полученных данных сделать вывод о их сравнительной пожарной опасности. Температура кипения бутилформиата равна 379.8К, а бутилацетата-399К.

4. Определить температурные пределы воспламенения бутилбензола по его концентрационным пределам. Значение последних рассчитать по аппроксимационной формуле.

5. По концентрационным пределам воспламенения, значение которых установить по аппроксимационной формуле, определить температурные пределы воспламенения ацетона и метилэтилкетона. По результатам расчета сделать вывод о сравнительной пожарной опасности этих веществ.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: