Расчетные формулы для решения задач.



Нижний концентрационный предел воспламенения φн определяют по предельной теплоте сгорание. Установлено, что 1м3 газо-воздушной смеси на НКПВ выделяет при горении приблизительно постоянно количество тепла-1830кДж, называемое предельной теплотой горения. Следовательно,

φн =                                                                   (3.1)

где Q пr-предельная теплота сгорания 1830 кДж/м3;

Q н-низшая теплота сгорания горючего вещества, кДж/м3.

 Нижний и верхний КПВ могут быть определены по аппроксимационной формуле:

φн (в)=                                                                   (3.2.)

Где  –стехиометрический коэффициент при кислороде в уравнении химической реакции;

-эмпирические константы, значение которых приведены в табл.3.1.

Таблица 3.1.

Концентрационные пределы воспламенения

Значение коэффициентов

а в
Нижний предел 8,684 4,679

Верхний предел

1,550 0,560
0,765 6,554

 

Концентрационные пределы воспламенения паров жидких и твердых веществ могут быть рассчитаны, если известны температурные пределы:

φн (в)= ;                                                      (3.3.),

где давление насыщенного пара вещества при температуре, соответствующей нижнему пределу воспламенения, Па (табл.4 приложения);
Ро- давление окружающей среды, Па.

Для расчета концентрационных пределов воспламенения смесей горючих газов используют правило Ле-Шателье:  

φ смн (в)=1/  ;                                              (3.4),

 

где φ смн (в)-нижний (верхний) КПВ смеси газов, % об;

φ смн (в)-нижний (верхний) предел воспламенения i-го горючего газа .

    -мольная доля i-го горючего газа в смеси.

Следует иметь при этом в виду, что =1,т.е. концентрация горючих компонентов газовой смеси принимается за 100%.

Если известны концентрационные пределы воспламенения при температуре Т1, то при температуре Т2они вычисляются по формуле:

φНТ2= нТ1                                                                  (3.5)

φВТ2= вТ1                                                                (3.6.)

где φНТ2; нТ1- нижний концентр. предел воспламенения соответственно при температруреТ1 и Т2;

φВТ2= вТ1-верхний концентрационный предел воспламенения соответственно при температуре Т1 и Т2;

Тr -температура горения смеси. Приближенно при определении НКПВ Тr принимают 1550К, при определении НКПВ -1100К.

При разбавлении газо-воздушной смеси инертными газами ( N2,CO2, H2O) область воспламенения сужается: верхний предел уменьшается, а нижний – возрастает. Концентрация инертного газа(флегматизатора), при которой нижний и верхний пределы воспламенения смыкаются, называется минимальной флегматизирующей концентрацией φф. Содержание кислорода в такой системе называют минимальным взрывоопасным содержанием кислорода φО2 МВСК. Некоторое содержание кислорода ниже МВСК называют безопасным φО2без. Расчет указанных параметров проводят по формулам :

φф= h1fH0f+hф+ 1i∙mi                                          (3.7)

                                                 h2ф-1+ 2i∙mi

φO2=100-φФ/4,844                                                 (3.8)

φO2без=1,2 φO2-4,2                                                 (3.9),

где ∆Н0f- стандартная теплота образования горючего, кДж/моль; 

h1f; h1ф h2ф-константы, зависящие от элемента в молекуле горючего и вида флегматизатора (Табл. 2 приложение);

mi-количество i-го элемента (структурной группы) в молекуле горючего

Примеры решения задач

Пример №1

По предельной теплоте сгорания определить нижний концентрационный предел воспламенения бутана в воздухе.

Решение: Для расчета по формуле (3.1.)в табл.3 приложения находим низшую теплоту сгорания вещества -2882,3кДж/моль. Эту величину надо перевести в другую размерность- кДж/м3:    

 =128,7∙103 кДж/м3

По формуле (3.1) определим НКПВ:    

φН= 3=1,42%

По таблице 4 приложения находим, что экспериментальное значение φН=1,9%.Относительная ошибка расчета, следовательно, составила:

н=

Пример №2

Определить концентрационные пределы воспламенения этилена в воздухе.

Решение: Расчет КПВ проводим по апроксимационной формуле. Определяем значение стехиометрического коэффициента при кислороде:

С2Н2+3О2=2СО2+2Н2О

Таким образом, n=3,тогда:

φн= 100/8,684∙3+4,679=3,25%;

φн=100/1,55∙3+0,56=19,23%.

Определим относительную ошибку расчета. По табл.4 приложения экспериментальные значения пределов равны 3,0+32,0:

∆н=3,25-3,0/3,0≈8%

∆в=19,23-32,0/32≈-40%  

Следовательно, при расчете НКПВ этилена результат завышен на 8% , а при расчете ВКПВ - занижен на 40%.

Пример №3  

Определить концентрационные пределы воспламенения насыщенных паров метанола в воздухе, если известно, что его температурные пределы равны 280+312К. Атмосферное давление - нормальное.

Решение: Для расчета по формуле (3.3) необходимо определить давление насыщенных паров, соответствующих нижнему (280К) и верхнему (312К) пределам воспламенения.

По табл. 7 приложения находим, что давление насыщенного пара на нижнем температурном пределе воспламенения находится между 53,3 и 79,99 ГПа. Так как ближайшие НТПВ по таблице равны 273 и 285,1  К , линейной интерполяцией находим давление, соответствующее нижнему температурному пределу (280К):

Рн=53,33+

Давление насыщенного пара метанола, соответствующее верхнему пределу, находится между 266,64 и 533,29ГПа:

Рв=266,64+

По формуле(3.3) определим НКПВ:

φн=

φв =

Экспериментальное значение КПВметанола-6,0+34,7% (табл. Приложения 5). Относительная ошибка расчета:

н =

в =

Следовательно, результаты расчета ВКПВ по известным значениям ТПВ занижены на 3 %. Это связано с ошибкой в определении давления насыщенного пара линейной интерполяцией.

Пример №4

Определить концентрационные пределы воспламенения газовой смеси, состоящей из 40% пропана,50% бутана,10%пропилена.

Решение: Для расчета КПВ смеси газов по правилу Ле-Шателье (3.4) необходимо определить КПВ индивидуальных горючих веществ, методы расчета которых рассмотрены выше:

С3Н8-2,1+9,5%; С3Н6-2,2+10,3%; С4Н10-1,9+9,1%

φСМН= ;

φСМВ=

Пример № 5

Каково минимальное количество диэтилового эфира, кг, способное при испарении в емкости объемом 350 м2 .создать взрывоопасную концентрацию.

Решение: Концентрация будет взрывоопасной, если φпrнпr-концентрация паров горючего вещества.

Расчетом (см. пример 1+3) или по табл. 5 приложения находим НКПВ диэтилового эфира, необходимой для создания в объеме 350м3 этой концентрации:

Vпr= 3

Таким образом, для создания НКПВ диэтилового эфира в объеме 350м3необходимо ввести 5,95 3 его паров. Принимая во внимание, что 1 кмоль(74кг) газа, пара, приведенный к нормальным условиям, занимает объем, равный 22,4 3, находим количество диэтилового эфира:

Рr=

Пример №6

Определить  возможно ли образование взрывоопасной концентрации в объеме 50м3при испарении 35кг гексана, если температура окружающей среды 300К.

Решение: Очевидно, паровоздушная смесь будет взрывоопасной, если φн  φпr  φв. При 300К объем паров гексана, образующийся в результате испарения 5 кг вещества, найдем объем, принимая во внимание, что при испарении 1 кмоля (86кг) гексана при 273К объем паровой фазы будет равен 22,4 м3:

Vпr= 3

Следовательно, концентрация паров гексана в помещении объемом 50м3, будет равна:

φпr=

Определив концентрационные пределы воспламенения гексана в воздухе (1.2+7,5%), по таблицам или расчетом устанавливаем, что образующаяся смесь является взрывоопасной.

Пример №7

Определить, образуется ли взрывоопасная концентрация насыщенных паров над поверхностью резервуара , содержащего 60% диэтилового эфира и 40% этилового спирта, при температуре 245К?

Решение: концентрация паров будет взрывоопасной, если

φнсм φнпсм φвсм.

всм-концентрация насыщенных паров смеси жидкостей). Очевидно, что в результате различной летучести веществ состав газовой фазы будет отличаться от конденсированной. Содержание компонентов в газовой фазе по известному составу жидкой определим по закону Рауля для идеальных растворов жидкостей.

1. Определим мольный состав жидкой фазы:

μi= ;

где μi-мольная доля -того вещества, весовая доля 𝒾-того вещества, молекулярная масса 𝒾-того вещества (Мдэ=70, Мэс=46)

μД.З. (Ж)=  =0,496

μЭ.С.(Ж) =1-0,496=0,504

2. По табл.7 приложения определим давление насыщенного пара при 245К над индивидуальными жидкостями:

Рнп(дэ) =53,34ГПа

Рнп(дэ) =1,33+    =15,00 ГПа

3. .По закону Рауля, парциальное давление насыщенных паров -той жидкости        над смесью равно произведению насыщенного пара над чистой жидкостью на ее мольную долю в жидкой фазе, т.е.

Р пар(дэ)=53,34∙0,496=26,46ГПа;

Р пар(ас)=15.00∙0,504=7,56ГПа.

4. Приняв сумму давлений насыщенных паров диэтилового эфира и этилового спирта (26,46+7,56), равной 100%, определим:

концентрацию паров в воздухе:

φнпсм=

мольный состав газовой фазы(закон Рауля- Дуэртье)

μд.э(r)=

μэ.с(п)=1,00-0,781=0,222

5. Определив расчетом или по справочным данным (табл.5 приложения)КПВ индивидуальных веществ (диэтиловый эфир 1,7+49%,этиловый спирт 3,6+19%),по правилу Ле-Шателье рассчитаем КПВ паровой фазы:

φнсм= =1,93%;

φвсм= =36,28%

6. Сравнивая  полученные в п.4а концентрацию паровоздушной смеси с КПВ, делаем заключение, что при 245К над данной жидкой фазой образуется взрывоопасная концентрация насыщенных паров в воздухе.

Пример №8

Рассчитать безопасную концентрацию кислорода при разбавлении углекислым газом смеси паров ацетона в воздухе.

Решение: По табл.3 приложения находим теплоту образования ацетона 248,1∙103Дж/моль. Из химической формулы ацетона (С3Н6О) следует, что mс=3, m n=6, m0=1.Значение остальных параметров выбираем из табл.2 для двуокиси углерода:

φф=100∙0,735∙105∙248,1∙103+0,584+1,292∙3+0,427∙6+0,570∙1  =48,1%

         2,020-1+4,642∙3+1,160∙6-2,321∙1

φО2= =10,7;     

φО2 без=1,2∙10,7-4,2=8,6%.

Следовательно, при снижении концентрации кислорода в четырехкомпонентной системе, состоящей из паров ацетона, двуокиси углерода, азота и кислорода, до 8,6% смесь является взрывобезопасной. При содержании же кислорода, равном 10,7% эта смесь будет предельной по взрываемости. Согласно справочным данным (справочник « Пожарная опасность веществ и материалов, применяемых в химической промышленности».-М,:Химия,1979), МВСК ацетоно- воздушной смеси при разбавлении ее двуокисью углерода составляет14,9%. Определим относительную ошибку расчета:

∆= =-28%

Таким образом, результаты расчета МВСК занижены на 28%

Контрольные задачи

1. По предельной теплоте сгорания определить, как изменяется нижний концентрационный предел воспламенения в воздухе от положения предельных углеводородов( этан, пропан, бутан, пентан, пропан, гексан) в гомологическом ряду. Построить график зависимости НКПВ от молекулярной массы горючего.

2. По аппроксимационной формуле рассчитать, как изменяются концентрационные пределы жирных спиртов (метиловый, этиловый, гексиловый, октиловый) в гомологическом ряду. Построить график зависимости нижнего и верхнего пределов воспламенения от молекулярной массы горючего.

3. Определить концентрационные пределы воспламенения сероуглерода при атмосферном давлении, равном 990ГПа, если его температурные пределы составляют 223+299К

4. Рассчитать концентрационные пределы воспламенения бензола, если температурные пределы равны 259+283К. Определить ошибку.

5. Определить концентрационные пределы воспламенения парогазовой смеси, состоящей из 20% этана, 60% этилена и 20% паров этилового спирта.

6. Определить концентрационные пределы воспламенения в воздухе смеси паров, состоящей из 50%бензола,35% толуола и 15% фенола, при увеличении температуры с 298 до 373К.

7. Определить , образуется ли взрывоопасная концентрация при испарении в помещении объемом 220м3 15кг деканола, если температура 310К, давление 1105ГПа?

8. Определить возможно ли образование взрывоопасной концентрации при температуре 298 К над поверхностью жидкой фазы, состоящей из 25% уксуснометилового эфира,40% уксусного ангидрида, 35% амилового спирта?

9. Определить состав двухкомпонентной газовой смеси, состоящей из паров аммиака и сероводорода, если известно, что ее нижний концентрационный предел воспламенения в воздухе составляет 5,8%.

10. Определить безопасную концентрацию кислорода при разбавлении паров уксуснопропилового эфира (∆Н0𝒾=513,7∙103Дж/моль)в воздухе двуокисью углерода, водяным паром и азотом. Объяснить причину различной флегматизирующей эффективности инертных газов.

Домашнее задание

Рассчитать концентрационные пределы воспламенения паров i-го вещества в воздухе. Результаты расчета сравнить с имеющимися справочными данными и определить относительную ошибку  (табл. 3.2)                                                                                                                 

Таблица 3.2


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1265; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ