Горение пропана в кислороде уравнение – а) изомеризации бутана; б) горения пропана в кислороде; в) первой, второй и третьей стадий хлорирования метана. Дайте названия всем продуктам реакций.

2. Материальный баланс процессов горения

Баланс – (от фр. balance – буквально “весы”) – количественное выражение сторон какого-либо процесса, которые должны уравновешивать друг друга. Другими словами, баланс – это равновесие, уравновешивание. Процессы горения на пожаре подчиняются фундаментальным законам природы, в частности, законам сохранения массы и энергии.

Для решения многих практических задач, а также для выполнения пожарно-технических расчетов необходимо знать количество воздуха, необходимого для горения, а также объем и состав продуктов горения. Эти данные необходимы для расчета температуры горения веществ, давления при взрыве, избыточного давления взрыва, флегматизирующей концентрации флегматизатора, площади легкосбрасываемых конструкций.

Методика расчета материального баланса процессов горения определяется составом и агрегатным состоянием вещества. Свои особенности имеет расчет для индивидуальных химических соединений, для смеси газов и для веществ сложного элементного состава.

Индивидуальные химические соединения – это вещества, состав которых можно выразить химической формулой. Расчет процесса горения в этом случае производится по уравнению реакции горения.

Составление уравнений реакций горения

в кислороде

Пример 2.1. Составить уравнение реакции горения в кислороде пропана С3Н8 и глицерина С3Н8О3 , аммиака NH3, сероуглерода CS2.

Составляя уравнение реакции горения, следует помнить, что в пожарно-технических расчетах принято все величины относить к 1 молю горючего вещества. Это, в частности, означает, что в уравнении реакции горения перед горючим веществом коэффициент всегда равен 1.

Состав продуктов горения зависит от состава исходного вещества.

Элементы, входящие в состав горючего вещества

Продукты горения

Углерод С

Углекислый газ СО2

Водород Н

Вода Н2О

Сера S

Оксид серы (IV) SO2

Азот N

Молекулярный азот N2

Фосфор Р

Оксид фосфора (V) Р2О5

Галогены F, Cl, Br, I

Галогеноводороды HCl, HF

, HBr, HI

Горение пропана в кислороде

  1. Записываем реакцию горения:

С3Н8 + О2 = СО2 + Н2О

2. В молекуле пропана 3 атома углерода, из них образуется 3 молекулы углекислого газа.

С3Н8 + О2 = 3СО2 + Н2О

3. Атомов водорода в молекуле пропана 8, из них образуется 4 молекулы воды:

С3Н8 + О2 = 3СО2 + 4Н2О

4. Подсчитаем число атомов кислорода в правой части уравнения

23 + 4 = 10

5. В левой части уравнения так же должно быть 10 атомов кислорода. Молекула кислорода состоит из двух атомов, следовательно, перед кислородом нужно поставить коэффициент 5.

С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О

Коэффициенты, стоящие в уравнении реакции, называются стехиометрическими коэффициентами и показывают, сколько молей (кмолей) веществ участвовало в реакции или образовалось в результате реакции.

Стехиометрический коэффициент, показывающий число молей кислорода, необходимое для полного сгорания вещества, обозначается буквой .

В первой реакции = 5.

Горение глицерина в кислороде

1. Записываем уравнение реакции горения.

С3Н8О3 + О2 = СО2 + Н2О

2. Уравниваем углерод и водород:

С3Н8О3 + О2 = 3СО

2 + 4Н2О.

3. В правой части уравнения 10 атомов кислорода.

В составе горючего вещества есть 3 атома кислорода, следовательно, из кислорода в продукты горения перешли 10 – 3 = 7 атомов кислорода.

Таким образом, перед кислородом необходимо поставить коэффициент 7 : 2 = 3,5

С3Н8О3 +3,5О2 = 3СО2 + 4Н2О.

В этой реакции = 3,5.

Горение аммиака в кислороде

Аммиак состоит из водорода и азота, следовательно, в продуктах горения будут вода и молекулярный азот.

NH3 + 0,75O2 = 1,5H2O + 0,5N2 = 0,75.

Обратите внимание, что перед горючим веществом коэффициент 1, а все остальные коэффициенты в уравнении могут быть дробными числами.

Горение сероуглерода в кислороде

Продуктами горения сероуглерода CS2 будут углекислый газ и оксид серы (IV).

CS2 + 3O2 = CO2 + 2SO2 = 3.

Чаще всего в условиях пожара горение протекает не в среде чистого кислорода, а в воздухе. Воздух состоит из азота (78 %), кислорода (21 %), окислов азота, углекислого газа, инертных и других газов (1 %). Для проведения расчетов принимают, что в воздухе содержится 79 % азота и 21 % кислорода. Таким образом, на один объем кислорода приходится 3,76 объемов азота (79:21 = 3,76).

В соответствии с законом Авогадро и соотношение молей этих газов будет 1 : 3,76. Таким образом, можно записать, что молекулярный состав воздуха (О2 + 3,76N2).

Составление

уравнений реакций

горения

в воздухе

Пример 2.2. Составить уравнение реакции горения в воздухе водорода Н2, анилина С6Н5NH2, пропанола С3Н7ОН, угарного газа СО, хлорметана СН3Сl, диэтилтиоэфира 2Н5)2S, диметилфосфата (СН3)2НРО4.

Составление реакций горения веществ в воздухе аналогично составлению реакций горения в кислороде. Особенность состоит только в том, что азот воздуха при температуре горения ниже 20000С в реакцию горения не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения.

Горение водорода в воздухе

Н2 + 0,5(О2 + 3,76N2) = Н2О + 0,53,76N2 = 0,5.

Обратите внимание, что стехиометрический коэффициент перед кислородом 0,5 необходимо поставить и в правой части уравнения перед азотом.

Горение пропанола в воздухе

С3Н7ОН + 4,5(О2 + 3,76N2) =3СО2 + 4Н2О +4,53,76N2

= 4,5.

В составе горючего есть кислород, поэтому расчет коэффициента проводят следующим образом: 10 – 1 = 9; 9 : 2 = 4,5.

Горение анилина в воздухе

С6Н5NН2 + 7,75(О2 + 3,76N2

) =6СО2 + 3,5Н2О + 0,5N2 +7,753,76N2

= 7,75.

В этом уравнении азот в правой части уравнения встречается дважды: азот воздуха и азот из горючего вещества.

Горение угарного газа в воздухе

СО + 0,5(О2 + 3,76N2) =СО2 + 0,53,76N2

= 0,5.

Горение хлорметана в воздухе

СН3Сl + 1,5(О2 + 3,76N2) =СО2 + НСl + Н2О +1,53,76N2

= 1,5.

Горение диэтилтиоэфира в воздухе

2Н

5)2 S + 7,5(О2 + 3,76N2) =4СО2 + 5Н2О + SO2 + 7,53,76N2

= 7,5.

Горение диметилфосфата в воздухе

(СН3)2НР О4 + 3(О2 + 3,76N2) =2СО2 + 3,5Н2О + 0,5Р2О5 + 33,76N2

= 3.

В процессах горения исходными веществами являются горючее вещество и окислитель, а конечными - продукты горения.

Расчет молей (киломолей) исходных веществ и продуктов реакции по уравнению реакции горения

Пример 2.3. Сколько молей исходных веществ участвовало в реакции и сколько молей продуктов горения образовалось при полном сгорании 1 моля бензойной кислоты С6Н5СООН?

1. Запишем уравнение реакции горения бензойной кислоты.

С6Н5СООН + 7,5(О2 + 3,76N2) =7СО2 + 3Н2О +7,53,76N2

2. Исходные вещества: 1 моль бензойной кислоты;

7,5 молей кислорода;

7,53,76 молей азота.

Газов воздуха всего 7,54,76 молей.

Всего (1 + 7,54,76) молей исходных веществ.

3. Продукты горения: 7 молей углекислого газа;

3 моля воды;

7,53,76 моля азота.

Всего (7 + 3 + 7,53,76) молей продуктов горения.

Аналогичные соотношения и в том случае, когда сгорает 1 киломоль бензойной кислоты.

Смеси сложных химических соединений или вещества сложного элементного состава нельзя выразить химической формулой, их состав выражается чаще всего в процентном содержании каждого элемента. К таким веществам можно отнести, например, нефть и нефтепродукты, древесину и многие другие органические вещества.

studfiles.net

2. Материальный баланс процессов горения

Баланс – (от фр. balance – буквально “весы”) – количественное выражение сторон какого-либо процесса, которые должны уравновешивать друг друга. Другими словами, баланс – это равновесие, уравновешивание. Процессы горения на пожаре подчиняются фундаментальным законам природы, в частности, законам сохранения массы и энергии.

Для решения многих практических задач, а также для выполнения пожарно-технических расчетов необходимо знать количество воздуха, необходимого для горения, а также объем и состав продуктов горения. Эти данные необходимы для расчета температуры горения веществ, давления при взрыве, избыточного давления взрыва, флегматизирующей концентрации флегматизатора, площади легкосбрасываемых конструкций.

Методика расчета материального баланса процессов горения определяется составом и агрегатным состоянием вещества. Свои особенности имеет расчет для индивидуальных химических соединений, для смеси газов и для веществ сложного элементного состава.

Индивидуальные химические соединения – это вещества, состав которых можно выразить химической формулой. Расчет процесса горения в этом случае производится по уравнению реакции горения.

Составление уравнений реакций горения

в кислороде

Пример 2.1. Составить уравнение реакции горения в кислороде пропана С3Н8 и глицерина С3Н8О3 , аммиака NH3, сероуглерода CS2.

Составляя уравнение реакции горения, следует помнить, что в пожарно-технических расчетах принято все величины относить к 1 молю горючего вещества. Это, в частности, означает, что в уравнении реакции горения перед горючим веществом коэффициент всегда равен 1.

Состав продуктов горения зависит от состава исходного вещества.

Элементы, входящие в состав горючего вещества

Продукты горения

Углерод С

Углекислый газ СО2

Водород Н

Вода Н2О

Сера S

Оксид серы (IV) SO2

Азот N

Молекулярный азот N2

Фосфор Р

Оксид фосфора (V) Р2О5

Галогены F, Cl, Br, I

Галогеноводороды HCl, HF, HBr, HI

Горение пропана в кислороде

  1. Записываем реакцию горения:

С3Н8 + О2 = СО2 + Н2О

2. В молекуле пропана 3 атома углерода, из них образуется 3 молекулы углекислого газа.

С3Н8 + О2 = 3СО2 + Н2О

3. Атомов водорода в молекуле пропана 8, из них образуется 4 молекулы воды:

С3Н8 + О2 = 3СО2 + 4Н2О

4. Подсчитаем число атомов кислорода в правой части уравнения

23 + 4 = 10

5. В левой части уравнения так же должно быть 10 атомов кислорода. Молекула кислорода состоит из двух атомов, следовательно, перед кислородом нужно поставить коэффициент 5.

С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О

Коэффициенты, стоящие в уравнении реакции, называются стехиометрическими коэффициентами и показывают, сколько молей (кмолей) веществ участвовало в реакции или образовалось в результате реакции.

Стехиометрический коэффициент, показывающий число молей кислорода, необходимое для полного сгорания вещества, обозначается буквой .

В первой реакции = 5.

Горение глицерина в кислороде

1. Записываем уравнение реакции горения.

С3Н8О3 + О2 = СО2 + Н2О

2. Уравниваем углерод и водород:

С3Н8О3 + О2 = 3СО2 + 4Н2О.

3. В правой части уравнения 10 атомов кислорода.

В составе горючего вещества есть 3 атома кислорода, следовательно, из кислорода в продукты горения перешли 10 – 3 = 7 атомов кислорода.

Таким образом, перед кислородом необходимо поставить коэффициент 7 : 2 = 3,5

С3Н8О3 +3,5О2 = 3СО2 + 4Н2О.

В этой реакции = 3,5.

Горение аммиака в кислороде

Аммиак состоит из водорода и азота, следовательно, в продуктах горения будут вода и молекулярный азот.

NH3 + 0,75O2 = 1,5H2O + 0,5N2 = 0,75.

Обратите внимание, что перед горючим веществом коэффициент 1, а все остальные коэффициенты в уравнении могут быть дробными числами.

Горение сероуглерода в кислороде

Продуктами горения сероуглерода CS2 будут углекислый газ и оксид серы (IV).

CS2 + 3O2 = CO2 + 2SO2 = 3.

Чаще всего в условиях пожара горение протекает не в среде чистого кислорода, а в воздухе. Воздух состоит из азота (78 %), кислорода (21 %), окислов азота, углекислого газа, инертных и других газов (1 %). Для проведения расчетов принимают, что в воздухе содержится 79 % азота и 21 % кислорода. Таким образом, на один объем кислорода приходится 3,76 объемов азота (79:21 = 3,76).

В соответствии с законом Авогадро и соотношение молей этих газов будет 1 : 3,76. Таким образом, можно записать, что молекулярный состав воздуха (О2 + 3,76N2).

Составление

уравнений реакций

горения

в воздухе

Пример 2.2. Составить уравнение реакции горения в воздухе водорода Н2, анилина С6Н5NH2, пропанола С3Н7ОН, угарного газа СО, хлорметана СН3Сl, диэтилтиоэфира 2Н5)2S, диметилфосфата (СН3)2НРО4.

Составление реакций горения веществ в воздухе аналогично составлению реакций горения в кислороде. Особенность состоит только в том, что азот воздуха при температуре горения ниже 20000С в реакцию горения не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения.

Горение водорода в воздухе

Н2 + 0,5(О2 + 3,76N2) = Н2О + 0,53,76N2 = 0,5.

Обратите внимание, что стехиометрический коэффициент перед кислородом 0,5 необходимо поставить и в правой части уравнения перед азотом.

Горение пропанола в воздухе

С3Н7ОН + 4,5(О2 + 3,76N2) =3СО2 + 4Н2О +4,53,76N2

= 4,5.

В составе горючего есть кислород, поэтому расчет коэффициента проводят следующим образом: 10 – 1 = 9; 9 : 2 = 4,5.

Горение анилина в воздухе

С6Н5NН2 + 7,75(О2 + 3,76N2) =6СО2 + 3,5Н2О + 0,5N2 +7,753,76N2

= 7,75.

В этом уравнении азот в правой части уравнения встречается дважды: азот воздуха и азот из горючего вещества.

Горение угарного газа в воздухе

СО + 0,5(О2 + 3,76N2) =СО2 + 0,53,76N2

= 0,5.

Горение хлорметана в воздухе

СН3Сl + 1,5(О2 + 3,76N2) =СО2 + НСl + Н2О +1,53,76N2

= 1,5.

Горение диэтилтиоэфира в воздухе

2Н5)2 S + 7,5(О2 + 3,76N2) =4СО2 + 5Н2О + SO2 + 7,53,76N2

= 7,5.

Горение диметилфосфата в воздухе

(СН3)2НР О4 + 3(О2 + 3,76N2) =2СО2 + 3,5Н2О + 0,5Р2О5 + 33,76N2

= 3.

В процессах горения исходными веществами являются горючее вещество и окислитель, а конечными - продукты горения.

Расчет молей (киломолей) исходных веществ и продуктов реакции по уравнению реакции горения

Пример 2.3. Сколько молей исходных веществ участвовало в реакции и сколько молей продуктов горения образовалось при полном сгорании 1 моля бензойной кислоты С6Н5СООН?

1. Запишем уравнение реакции горения бензойной кислоты.

С6Н5СООН + 7,5(О2 + 3,76N2) =7СО2 + 3Н2О +7,53,76N2

2. Исходные вещества: 1 моль бензойной кислоты;

7,5 молей кислорода;

7,53,76 молей азота.

Газов воздуха всего 7,54,76 молей.

Всего (1 + 7,54,76) молей исходных веществ.

3. Продукты горения: 7 молей углекислого газа;

3 моля воды;

7,53,76 моля азота.

Всего (7 + 3 + 7,53,76) молей продуктов горения.

Аналогичные соотношения и в том случае, когда сгорает 1 киломоль бензойной кислоты.

Смеси сложных химических соединений или вещества сложного элементного состава нельзя выразить химической формулой, их состав выражается чаще всего в процентном содержании каждого элемента. К таким веществам можно отнести, например, нефть и нефтепродукты, древесину и многие другие органические вещества.

studfiles.net

загружено

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Уральский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Техносферная безопасность»

А. Ж. Хворенкова

по направлению подготовки бакалавров

280700 – «Техносферная безопасность»

очной и заочной форм обучения

Екатеринбург

Издательство УрГУПС

2014

УДК 662.61;536

Х32

Хворенкова, А. Ж.

X32 Теория горения и взрыва : сб. задач /А. Ж. Хворенкова. – Екатерин-

бург : Изд-во УрГУПС, 2014. – 80 с.

Сборник задач предназначен для организации самостоятельной работы сту-

дентов очной и заочной формы обучения при изучении курса «Теория горения

и взрыва». Рассмотрена методика решения расчетных задач по курсу «Теория

горения и взрыва», примеры решений. После каждого раздела приводятся за-

дачи для самостоятельного решения. Для выполнения расчетов в приложении

приведены справочные таблицы.

УДК 662.61;536

Печатается по решению

редакционно-издательского совета университета

Автор: А. Ж. Хворенкова, доцент кафедры «Физика и химия»,

канд. хим. наук, УрГУПС

Рецензент: Л. А. Фишбейн, профессор кафедры «Физика и химия»,

канд. физ.-мат. наук, УрГУПС

Учебное издание

Хворенкова Алла Жановна

ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА

Сборник задач

Редактор С. И. Семухина

Верстка Н. А. Журавлевой

Подписано в печать 19.03.2014. Формат 60х84/16.

Усл. печ. л. 4,7. Тираж 50 экз. Заказ 52.

Издательство УрГУПС

620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

© Уральский государственный университет

путей сообщения (УрГУПС), 2014

1. ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ ................................................................................4

1.1. Сущность процесса горения. Составление уравнений

реакций горения ................................................................................ 4

1.2. Расчет коэффициента горючести веществ. Характер свечения

пламени .............................................................................................10

1.3. Расчет объема воздуха, необходимого для горения веществ ........... 13

1.4. Расчет объема и процентного состава продуктов горения .............. 21

1.5. Закон Гесса. Расчет теплоты горения. Расчет удельной

теплоты горения................................................................................30

1.6. Расчет температуры горения веществ .............................................. 35

2. САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ ..................................................................... 42

2.1. Скорость химических реакций. Закон действующих масс ............. 42

2.2. Зависимость скорости химических реакций от температуры

и давления .........................................................................................43

2.3. Зависимость температуры самовоспламенения от величины

удельной поверхности ......................................................................45

2.4. Расчет йодного числа жиров и масел ............................................... 48

3. ГОРЕНИЕ ГАЗО- И ПАРОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ ........................... 51

3.1. Расчет концентрационных пределов распространения пламени ... 51

3.2. Расчет безопасных концентраций. ................................................... 52

3.3. Расчет стехиометрической концентрации ....................................... 54

3.4. Расчет концентрационных пределов распространения пламени

при повышенных температурах .......................................................55

3.5. Расчет концентрационных пределов распространения пламени

смеси газов ........................................................................................57

3.6. Расчет давления при взрыве газо- и паровоздушных смесей .......... 58

4. ИСПАРЕНИЕ И ГОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ ........................................... 60

4.1. Давление пара и методы его расчета ................................................ 60

4.2. Расчет концентрации паров в воздухе.............................................. 61

4.3. Расчет температурных пределов распространения пламени .......... 63

4.4. Расчет скорости испарения жидкости ............................................. 66

4.5. Температура вспышки. Температура воспламенения ..................... 67

4.6. Основные характеристики горения жидкостей ............................... 72

ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................... 74

Приложение 1 .......................................................................................... 75

Приложение 2 .......................................................................................... 76

Приложение 3 .......................................................................................... 77

Приложение 4 .......................................................................................... 78

Приложение 5 .......................................................................................... 79

3

1.

1.1. .

Горением называется сложный физико-химический процесс, со-

провождающийся выделением тепла и излучением света.

С точки зрения электронной теории горение – это перераспределе-

ние валентных электронов между горючим веществом и окислителем.

Горючим веществом называется вещество, атомы (молекулы) ко-

торого способны отдавать в процессе реакции свои валентные элек-

троны. Горючее вещество в процессе реакции окисляется, образуя

продукты окисления.

Окислителем называется вещество, атомы (молекулы) которого

способны присоединять валентные электроны в процессе реакции.

Окислитель в ходе реакции восстанавливается.

Реакции окисления и реакции горения имеют одну и ту же сущ-

ность – окислительно-восстановительный процесс. Процесс горения

отличается от процесса окисления большой скоростью окислительно-

восстановительных реакций.

Многие процессы управляемого горения, а также горение в условиях

пожара чаще всего протекают в воздухе. Воздух состоит из азота, кисло-

рода, окислов азота, углекислого газа, инертных и других газов. Но при

проведении теоретических расчетов инертные газы, окислы азота, угле-

кислый газ причисляют к азоту. Поэтому можно принять, что воздух со-

стоит из 21 процента кислорода и 79 процентов азота по объему. На один

объем кислорода приходится 3,76 объема азота (79 : 21 = 3,76). Так как

равные объемы газов содержат одинаковое число молекул, можно при-

нять, что на одну молекулу кислорода в воздухе приходится 3,76 молекул

азота. (О2+ 3,76 N2) – это молекулярный состав воздуха.

Составление уравнений реакций горения веществ в воздухе ничем

не отличается от уравнений реакций горения веществ в кислороде.

При составлении уравнений реакций горения следует помнить,

что в пожарно-технических расчетах принято все величины относить

4

к 1 молю горючего вещества. Это означает, что в уравнении реакции

горения перед горючим веществом коэффициент всегда равен 1.

Индивидуальные химические соединения – это вещества, состав ко-

торых можно выразить химической формулой. Расчет процесса горе-

ния в этом случае производится по уравнению реакции горения.

Коэффициенты, стоящие в уравнении реакции перед вещества-

ми, называются стехиометрическими коэффициентами и показывают,

сколько молей (кмолей) веществ участвовало в реакции или образо-

валось в результате реакции.

Стехиометрический коэффициент, показывающий число молей

кислорода, необходимое для полного сгорания вещества, обознача-

ется буквой β.

Состав продуктов горения зависит от состава исходного вещества.

Продукты горения

Углекислый газ СО2

Вода Н2О

Оксид серы (IV) SO2

Молекулярный азот N2

Оксид фосфора (V) Р2О5

Галогеноводороды HCl, HF, HBr, HI

В реакции горения принимает участие только кислород воздуха.

Азот при температуре горения ниже 2000 °С в реакцию не вступает

и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения.

Пример 1.1.1. Составление уравнений реакций горения

в кислороде

Составить уравнение реакции горения в кислороде пропана С3Н8,

ацетона С3Н6О, аммиака NH3, сероуглерода CS2.

Решение:

Горение пропана в кислороде

1. Записываем реакцию горения:

С3Н8 + О2 = СО2 + Н2О

Уравняем реакцию горения пропана. Это значит, что число ато-

мов каждого элемента в правой части уравнения должно быть равно

числу этих атомов в левой части.

5

2. В молекуле пропана 3 атома углерода, из них образуется 3 мо-

лекулы углекислого газа:

С3Н8 + О2 = 3СО2 + Н2О

3. Атомов водорода в молекуле пропана 8, из них образуется 4 мо-

лекулы воды:

С3Н8 + О2 = 3СО2 + 4Н2О

4. Подсчитаем число атомов кислорода в правой части уравнения

3 · 2 + 4 · 1 = 10

5. В левой части уравнения должно быть 10 атомов кислорода. Мо-

лекула кислорода состоит из двух атомов, следовательно, перед кис-

лородом нужно поставить коэффициент 5:

С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 5.

Горение ацетона в кислороде

1. Записываем уравнение реакции горения:

С3Н6О + О2 = СО2 + Н2О

2. Уравниваем углерод и водород:

С3Н6О + О2 = 3СО2 + 3Н2О

3. В правой части уравнения 9 атомов кислорода (3 · 2 + 3 · 1 = 9).

В состав молекулы горючего вещества (ацетона) входил один атом

кислорода, следовательно, из кислорода в продукты горения перешло

восемь (9 – 1 = 8) атомов кислорода, что составит четыре (8 : 2 = 4)

молекулы. Таким образом, перед кислородом необходимо поставить

коэффициент 4:

С3Н6О +4О2 = 3СО2 + 3Н2О

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 4.

Горение аммиака в кислороде

Аммиак состоит из водорода и азота, следовательно, в продуктах

горения будут вода и молекулярный азот.

6

NH3 + 0,75O2 = 1,5H2O + 0,5N2

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 0,75.

Обратите внимание, что перед горючим веществом коэффициент 1,

а все остальные коэффициенты в уравнении могут быть дробными числами.

Горение сероуглерода в кислороде

Продуктами горения сероуглерода CS2 будут углекислый газ и ок-

сид серы (IV).

CS2 + 3O2 = CO2 + 2SO2

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 3.

Пример 1.1.2. Составление уравнений реакций горения

в воздухе

Составить уравнение реакции горения в воздухе пропана С3Н8,

ацетона С3Н6О, аммиака NH3, сероуглерода CS2.

Решение:

Горение пропана в воздухе

1. Записываем реакцию горения:

С3Н8 + (О2 + 3,76N2) = СО2 + Н2О + 3,76N2

2. В молекуле пропана 3 атома углерода, из них образуется 3 мо-

лекулы углекислого газа:

С3Н8 +(О2 + 3,76N2) = 3СО2 + Н2О + 3,76N2

3. Атомов водорода в молекуле пропана 8, из них образуется 4 мо-

лекулы воды:

С3Н8 +(О2 + 3,76N2) = 3СО2 + 4Н2О + 3,76N2

4. Подсчитаем число атомов кислорода в правой части уравнения

3 · 2 + 4 · 1 = 10

5. В левой части уравнения должно быть 10 атомов кислорода. Мо-

лекула кислорода состоит из двух атомов, следовательно, перед воз-

7

духом (О2 + 3,76N2) в левой части уравнения и перед азотом (3,76N2)

в правой части уравнения нужно поставить коэффициент 5:

С3Н8 + 5(О2 + 3,76N2) = 3СО2 + 4Н2О + 5·3,76N2

Обратите внимание, что стехиометрический коэффициент перед

кислородом необходимо поставить и в правой части уравнения пе-

ред азотом.

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 5.

Горение ацетона в воздухе

1. Записываем уравнение реакции горения:

С3Н6О + (О2 + 3,76N2) = СО2 + Н2О+ 3,76N2

2. Уравниваем углерод и водород:

С3Н6О +(О2 + 3,76N2) = 3СО2 + 3Н2О + 3,76N2

3. В правой части уравнения 9 атомов кислорода:

3 · 2+3 · 1 = 9.

В состав молекулы горючего вещества (ацетона) входил один атом

кислорода, следовательно, из воздуха в продукты горения перешло

восемь (9 – 1 = 8) атомов кислорода, что составит четыре (8 : 2 = 4)

молекулы. Таким образом, перед воздухом (О2 + 3,76N2) в левой ча-

сти уравнения и перед азотом (3,76N2) в правой части уравнения нуж-

но поставить коэффициент 4:

С3Н6О +4(О2 + 3,76N2) = 3СО2 + 3Н2О + 4·3,76N2

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 4.

Горение аммиака в воздухе

Аммиак состоит из водорода и азота, следовательно, в продуктах

горения будут вода и молекулярный азот и азот из воздуха (3,76N2):

NH3 + 0,75(О2 + 3,76N2) = 1,5H2O + 0,5N2 + 0,75 · 3,76N2

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 0,75.

8

Горение сероуглерода в воздухе

Продуктами горения сероуглерода CS2 будут углекислый газ и ок-

сид серы (IV) и азот из воздуха (3,76N2)

CS2 + 3(О2 + 3,76N2) = CO2 + 2SO2+ 3·3,76N2

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 3.

Примеры:

Горение водорода в воздухе

Н2 + 0,5(О2 + 3,76N2) = Н2О + 0,5·3,76N2 β = 0,5

Горение пропанола в воздухе

С3Н7ОН + 4,5(О2 + 3,76N2) = 3СО2 + 4Н2О + 4,5 · 3,76N2 β = 4,5

В состав молекулы горючего вещества входит один атом кисло-

рода, поэтому расчет коэффициента β проводят следующим обра-

зом: 10 – 1= 9, 9 : 2 = 4,5

Горение анилина в воздухе

С6Н52 + 7,75(О2 + 3,76N2) = 6СО2 + 3,5Н2О + 0,5N2 +7,75·3,76N2

β = 7,75

В этом уравнении азот в правой части уравнения встречается

дважды: азот воздуха и азот из горючего вещества.

Горение угарного газа в воздухе

СО + 0,5(О2 + 3,76N2) = СО2 + 0,5·3,76N2 β = 0,5

Горение хлорметана в воздухе

СН3Сl + 1,5(О2 + 3,76N2) = СО2 + НСl + Н2О +1,5·3,76N2 β = 1,5

Горение диэтилтиоэфира в воздухе

2Н5)2 S + 7,5(О2 + 3,76N2) = 4СО2 + 5Н2О + SO2 + 7,5 · 3,76N2

β = 7,5

Горение диметилфосфата в воздухе

(СН3)2НР О4 + 3(О2 + 3,76N2) = 2СО2 + 3,5Н2О + 0,5Р2О5 + 3·3,76N2

β = 3

9

1. Записать уравнения реакций горения в воздухе следующих углево-

дородов: метана, этилена, ацетилена, бензола, толуола, ксилола, октана,

гексана (формулы веществ рекомендуется брать в справочнике).

2. Записать уравнения реакций горения в воздухе следующих кис-

лородосодержащих соединений: метилового спирта, этанола, пропа-

нола, бутанола, диэтилового эфира, уксусного альдегида, уксусной

кислоты, этилацетата, амилацетата, стеариновой кислоты, олеино-

вой кислоты, линоленовой кислоты, фенола.

3. Записать уравнения реакций горения в воздухе следующих азо-

тосодержащих соединений: нитробензола, диметиламина.

4. Записать уравнения реакций горения в воздухе следующих со-

единений, содержащих хлор: хлористого этила, фосгена, хлорбензо-

ла, гексахлорциклогексана.

5. Записать уравнения реакций горения в воздухе следую-

щих соединений: диэтилтиоэфира [(C2H5)2S], диметилфосфата

[(CH3)2HPO4].

1.2. .

Коэффициент горючести К является безразмерным коэффици-

ентом и служит для определения горючести вещества и расчета тем-

пературы вспышки вещества, исходя из температуры кипения. Рас-

считанный коэффициент горючести может быть использован для

приближенного вычисления температуры вспышки вещества, а так-

же величины нижнего концентрационного предела распростране-

ния пламени.

Коэффициент горючести рассчитывается по следующей формуле:

К = 4 n(C) + 4 n(S) + n(H) + n(N) 2 n(O) 2 n(Cl) 3 n(F) 5 n(Br), (1.1)

где n(C), n(S), n(H), n(N), n(O), n(Cl), n(F), n(Br) – число атомов угле-

рода, серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора и брома в мо-

лекуле вещества.

Если коэффициент горючести К больше единицы (К 1), то ве-

щество является горючим; при значении К меньше единицы (К < 1) –

вещество негорючее.

10

Пример 1.2.1. Расчет коэффициента горючести вещества

Рассчитать коэффициент горючести метиламина СН3NH2 и со-

ляной кислоты HCl.

Решение:

1. В молекуле метиламина n(C) = 1; n(Н) = 5; n(N) = 1;

К = 4 · 1 + 5 + 1 = 10

К > 1, следовательно, метиламин – горючее вещество.

2. В молекуле соляной кислоты n(Н) = 1; n(Cl) = 1

К = 1 2 · 1 = - 1

К < 1, соляная кислота – негорючее вещество.

Характер свечения пламени веществ при их горении зависит от

процентного содержания углерода, водорода, кислорода и азота

в горючем веществе.

Если в горючем веществе при термическом разложении углерод

не образуется, то вещество горит бесцветным пламенем, как, напри-

мер, в случае горения водорода Н2.

При термическом разложении веществ с массовой долей углерода

менее 50 % и содержащих в своем составе кислород более 30 % (угарный

газ СО, метанол СН3ОН, этанол С2Н5ОН), несгоревших частиц углеро-

да образуется очень мало, и в момент образования они успевают окис-

литься до СО. Пламя при горении таких веществ будет голубоватым.

При горении веществ, содержащих более 75 % углерода (ацети-

лен С2Н2, бензол С6Н6), в зоне горения образуется настолько мно-

го частиц углерода, что поступающего путем диффузии воздуха не

хватает для полного окисления всего количества. Не окислившийся

в пламени углерод выделяется в виде копоти. Пламя при горении та-

ких веществ будет ярким, коптящим.

Если кислород в веществе отсутствует или его содержание не пре-

вышает 30 %, и массовая доля углерода менее 75 %, то при термиче-

ском разложении будет выделяться значительное количество частиц

углерода, которые при нормальном доступе воздуха в зону горения

успевают окислиться до СО2. Пламя при горении таких веществ бу-

дет ярким, не коптящим.

О характере свечения пламени можно судить по процентному со-

держанию углерода и кислорода в горючем веществе (табл. 1.1).

11

Таблица 1.1

Характер свечения пламени в зависимости от ω (С) и ω (Н)

Содержание углерода Содержание кислорода

в горючем веществе, в горючем веществе,

ω (С) % ω (О) %

< 50 > 30

< 75 отсутствует или < 30

> 75 отсутствует или < 25

Пример 1.2.2. Определение характера свечения пламени

Определить характер свечения пламени метилового спирта

СН3ОН, фенола С6Н5ОН, бутанола С4Н9ОН.

Решение:

1. Массовые доли углерода и кислорода в молекуле метилового

спирта составляют:

= 37,5 %; ω (О) =

где М (СН3ОН) = 32 г/моль.

Вывод: Массовая доля углерода < 50 %, а массовая доля кислоро-

да > 30 %, следовательно, при горении метилового спирта наблюда-

ется голубоватое пламя.

2. Массовые доли углерода и кислорода в молекуле фенола со-

ставляют:

= 77 %; ω (О) = = 17 %,

где М (С6Н5ОН) = 94 г/моль.

Вывод: Массовая доля углерода > 50 %, а массовая доля кислорода

< 25 %, следовательно, пламя при горении фенола яркое и коптящее.

3. Массовые доли углерода и кислорода в молекуле бутанола со-

ставляют:

= 64,86 %; ω (О) =

где М (С4Н9ОН) = 74 г/моль.

12

Вывод: массовая доля углерода < 75 %, а массовая доля кислоро-

да < 30 %, следовательно, пламя при горении пентанола будет яр-

ким, но не коптящим.

1. Рассчитайте коэффициент горючести для С9Н6О2N2.

2. Рассчитайте коэффициент горючести для C6H12O3Cl3Р.

3. Вычислите коэффициент горючести для С4Н3Cl3SSi.

4. Определите характер свечения пламени этилбензола.

5. Определите характер свечения пламени уксусной кислоты.

6. Определите характер свечения пламени гексана.

7. Определите характер свечения пламени пентана и амилово-

го спирта.

1.3. ,

Процесс горения подчиняется фундаментальным законам приро-

ды, в частности законам сохранения массы и энергии.

Для решения многих практических задач необходимо знать ко-

личество воздуха, необходимого для горения, а также объем и состав

продуктов горения. Эти данные необходимы для расчета температу-

ры горения веществ, давления при взрыве, избыточного давления

взрыва, флегматизирующей концентрации флегматизатора, площа-

ди легкосбрасываемых конструкций.

Методика расчета материального баланса процесса горения опре-

деляется составом и агрегатным состоянием вещества. Различают ин-

дивидуальные химические соединения, вещества сложного элемент-

ного состава и смеси газов.

В процессе горения исходными веществами являются горючее ве-

щество и окислитель, а конечными – продукты горения.

Индивидуальные химические соединения – это вещества, состав ко-

торых можно выразить химической формулой, например метиловый

спирт СН3ОН, фенол С6Н5ОН, бутанол С4Н9ОН. Расчет процесса го-

рения в этом случае производится по уравнению реакции горения.

Смеси сложных химических соединении – это вещества, состав ко-

торых нельзя выразить химической формулой. Это такие вещества,

13

как нефть, мазут, древесина, торф, горючие сланцы и др. Состав этих

веществ выражается в процентном содержании каждого элемента.

Природный, попутный нефтяной газ, промышленные газы (домен-

ный, коксовый, генераторный и т. п.) представляют собой смеси газов.

Состав газов выражается обычно в объемных процентах (φобъемн, %).

Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполага-

ет вычисление:

1) теоретического объема воздуха V ;

2) практического объема воздуха V , затраченного на горение

studfiles.net

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о