Для студентов заочного отделения

вар	Номера задач

ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

Практическая работа № 1

Стехиометрические расчеты в процессах горения.

Определение группы горючести веществ и материалов.

Цель работы: освоить расчеты основных показателей горючести веществ и материалов на основании стехиометрических и термодинамических законов.

Общие положения:

Пламя предварительно перемешанной смеси называют стехиометрическим, если горючее (углеводород) и окислитель (кислород — О₂) расходуют друг друга полностью, образуя двуокись углерода (СО₂) и воду (Н₂О). Если существует избыток горючего, говорят, что смесь богатая, а в случае избытка окислителя говорят, что смесь бедная.

Рассмотрим простейшие примеры:

1) 2Н₂ + O₂ → 2Н₂О — стехиометрическая смесь,

2) ЗН₂ + О₂ → 2H₂O + Н₂ — богатая смесь (Н₂ в избытке),

3) СН₄ + ЗО₂ → 2Н₂О + СО₂ + О₂ - бедная смесь (О₂ в избытке).

Каждый символ в таком уравнении химической реакции соответствует одному молю вещества. Так, первое из этих уравнений означает, что два моля Н₂ реагируют с одним молем О₂ с образованием двух молей Н₂О.

Если уравнение химической реакции записано таким образом, что оно описывает реакцию именно одного моля горючего, то мольная доля горючего в стехиометрической смеси может быть легко определена из соотношения

х_{гор,стех} = 1/ ((1+v)

Здесь v обозначает число молей О₂ в уравнении реакции с образованием СО₂ и Н₂О. Примером служит реакция

H₂+0,5O₂→H₂O, v=0,5, x_H2,стех = 2/3

Если окислителем является воздух, то следует принимать во внимание, что сухой воздух содержит только 21 % кислорода, а также 78 % азота и 1 % благородных газов. Таким образом, для воздуха X_N2 = 3,762 X_O2. Отсюда мольные доли для стехиометрической смеси с воздухом будут равны

х_{гор,стех} = 1/ ((1+v∙4,762), > ,

где v как и прежде означает количество молей О₂ в уравнении реакции полного превращения одного моля горючего в СО₂ и Н₂О.

Оценку горючести жидкостей и плавящихся твердых химических элементов можно определить по формуле:

П = 4С + 1Н + 4S + 1N - 2O - 2Cl - 3F - 5Br

где C, H, S и т.д. - число атомов соответствующих элементов в молекуле горючего.

П в данном случае называется потенциалом горючести.

Если П £ 0 - вещества негорючие; если 0 < П £ 2 - вещества трудногорючие; если П > 2 - вещества горючие.

Горючесть газов и паров жидкости можно определить по т.н. энтальпии горючести.

П = DН_г^о - DН_f^о

где DН_f^о - стандартная теплота образования вещества;

DН_г^о - энтальпия горючести вещества (термодинамическая характерис-тика).

Если П < 0 - вещество горючее. Для случая П=0 - вещество трудногорючее.

Если П > 0 - вещество негорючее.

Оценка возможности протекания самопроизвольных реакций разложения проводится по энергии Гиббса (изобарно-изотермическому потенциалу) соответствующей реакции:

∆G_х.р.=∑∆ G_{кон.прод.} - ∑∆ G_{исх.в-в.},

где DG_{кон.прод.} – изобарный потенциал образования продуктов реакции;

DG_исх.в-в – изобарный потенциал образования исходных веществ.

Если DG_х.р.< 0 – реакция разложения возможна; если DG_х.р.> 0 - протекание реакции невозможно.

Задание 1.

Написать уравнения химических реакций горения в воздухе:

- метана;

- бензина;

- гексана;

- этилового спирта.

И определить:

- мольную долю горючего в стехиометрической смеси горючего с воздухом в моль-%(Х_{гор.стех.}),

- число моль кислорода в смеси ( ),

- мольную долю кислорода в стехиометрической смеси горючего с воздухом ( ),

- массовую долю горючего в стехиометрической смеси ( ),

- массовую долю кислорода в стехиометрической смеси ( ),

Данные представить в виде таблицы по следующей форме:

Таблица 1

Уравнение реакции горения	Хгор.стех
Моль %	моль	Моль %	Вес %	Вес %
Н2+0,5О2+0,5∙3,762N2=Н2О+0,5∙3,762N2	29,6	0,5	17,7	2,83	22,6

где

Х_{гор.стех} - мольная доля горючего, моль %;

- число моль кислорода, моль;

- мольная доля кислорода, моль %;

- массовая доля горючего в стехиометрической смеси, % вес;

- массовая доля кислорода, % вес.

Задание 2.

Решить задачи на стехиометрические расчеты.

Задание 3.

Определить группу горючести веществ:

- глюкозы;

- бензина;

- гидроксида кальция;

- этиленгликоля;

- бромтрифторуглерода (хладон);

- дибромтетрафторуглерода (хладон);

- этилового спирта.

На основании расчета потенциала горючести.

Задание 4.

Определить возможность протекания процесса горения веществ по П; П(∆Н); ∆G:

- этилового спирта;

- бензола;

- глицерина;

- муравьиной кислоты.

Данные представить в виде (таблицы 2).

Таблица 2

Горючесть веществ и материалов

Вещество	Потенциал горючести по формуле	Вывод	П(∆Н)	Вывод	∆G	Вывод
СН4	П = 8	П > 2, Горючее	- 816,5	П(∆Н) < 0, Горючее	- 818,59	∆G < 0, Горючее

Задание 5.

а) Определить горючесть этиленамина (С₂Н₅NН₂);

б) Определить горючесть всех оксидов азота и оксидов серы;

в) Определить горючесть СО и СО₂;

г) Написать реакции замещения хлора с метаном. Определить горючесть галогенпроизводных по формуле. Сделать вывод о влиянии галогенов на горючесть соединений.

д) Сравнить горючесть этана, дихлорэтана, дифторэтана и дибромэтана. Сделать вывод о влиянии различных галогенов на горючесть соединений.

Задание 6.

Сдать тесты по темам 1,2,3.

Вещество	Хим.формула	, кДж/моль	, кДж/моль	∆G, кДж/моль	∆S0, Дж/моль∙К
Метан		- 891,5	- 75	- 50,8	186,19
Этиловый спирт	С2Н5ОН(ж)	- 1374,3	- 278,2	174,77	160,7
Бензол	С6Н6(ж)	- 3282,4	49,04	124,5	173,2
Муравьиная кислота	СН2О2(ж)	- 263,1	- 422,8		129,0
Глицерин	С3Н8О3(ж)	- 1658,8	- 675		207,9
Диоксид углерода	СО2(г)			- 394,38
Вода	Н2О(ж)			- 237,5

стандартная энтальпия сгорания вещества,

стандартная энтальпия образования вещества,

∆G – изобарно-изотермический потенциал (∆G = ∆Н - Т∆S),

∆S⁰ – стандартная энтропия образования вещества.

Практическая работа №2

Материальный баланс процессов горения

Цель работы: научиться производить расчеты на основании брутто-уравнений материального баланса.

Общие положения:

Сущность материального баланса процесса горения заключается в том, что масса веществ и материалов, присутствующих до горения, должна равняться массе веществ и материалов, получившейся после горения.

В общем виде уравнение материального и теплового баланса выглядит так:

n_г [Г] + n_о [О] = å m_i[ПГ]_i + Q_х.р.

где [Г] - химическая формула горючего вещества;

[О] - химическая формула окислителя;

[ПГ]_i - химическая формула i-го вещества, образовавшегося в результате реакции горения;

n_г, n_о, m_i - стехиометрические коэффициенты при соответствующих веществах;

Q_х.р. - тепловой эффект реакции горения.

Это уравнение отражает в большинстве химических процессов лишь исходное и конечное состояние реагирующей системы, но не дает сведений о тех путях и промежуточных фазах, через которые этот процесс осуществлялся. Если окислительной средой будет являться кислород воздуха, то уравнение примет вид:

n_г [Г] + n_о2 [О₂] + n_о2 ×3,76[N₂] = å m_i[ПГ]_i + n_о2 ×3,76[N₂] + Q_х.р.

Это уравнение можно использовать для расчета количества воздуха, необходимого для полного сгорания веществ и материалов, количества выделившихся продуктов сгорания веществ и материалов, что необходимо для решения некоторых практических задач противопожарной защиты (например, для определения количества вещества, которое может выгореть до момента самопроизвольного потухания в замкнутом помещении, содержащем заданный объем воздуха, или для определения количества того или иного продукта сгорания, которое может выделиться при сгорании определенного количества горючего вещества).

Для пересчета объема воздуха или газообразных продуктов горения, находящихся при нормальных условиях, в объем для заданных условий используется уравнение:

V^т,р = (V_oTP_o)/(T_oP)

которое получено из уравнения состояния идеальных газов:

(P_oV_o)/T_o = (PV^т,р)/T

Р_о = 101325 Па (760 мм рт.ст.);

Т_о = 273 К (0°С);

V_o = 22,4 м³/кмоль - объем одного кмоля любого газа при нормальных условиях.

Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы количества горючего вещества (кмоль, кг, м³), называется удельным теоретическим количеством воздуха ( ). Допускается, что при горении веществ в теоретически необходимом количестве воздуха происходит образование продуктов только полного сгорания. Все горючие вещества подразделяются на три группы, для которых существуют свои методики расчетов:

- индивидуальные химические вещества, состав которых выражается химической формулой (С₂Н₄, С₃Н₈, С₂Н₅О₂ и т.д.),

- сложные смеси веществ, состав которых задается весовым процентным содержанием в них различных элементов (древесина, торф, уголь),

- смеси газов (природный газ, коксовый газ и т.д).

Задание:

Составить брутто-уравнения химических реакций горения вещества в воздухе и решить следующие задачи (расчеты сделать на основании приближенных формул и химических расчетов).

Для расчета теоретически необходимого объема воздуха используется приведенная формула:

Для газов: , [м³/м³] или [кмоль/кмоль],

где 4,76 = 1 + 3,76 – это количество воздуха, в котором содержится 1 кмоль О₂;

- число моль окислителя;

– число моль горючего в брутто уравнении.

Для жидкостей и ТГМ: (м³/кг),

где = 22,4 м³/кмоль;

- молекулярная масса ГМ.

См. решение типовых задач.

1. Определить объем воздуха, необходимого для полного сгорания 10 м³ пропана.

2. Определить объем метана, полностью выгоревшего в помещении 10х2х5(м³) до момента самопроизвольного потухания.

3. Рассчитать объем воздуха, необходимого для сгорания 1 кг сухих дров (н.у.).

4. Рассчитать объем воздуха, необходимого для полного сгорания 1т. угля, содержащего 80% углерода.

5. Определить объем воздуха необходимого для сгорания 10 кг торфа состава: С – 40,0; Н – 3,0; О – 12,0; N – 25; А – 10; W – 10.

6. Рассчитать теоретический объем воздуха, необходимого для сгорания 10 кг угля следующего состава: С – 42%, Н – 3,4%, N – 0,5%, О – 14,3%, W – 10,73%. Примеси 29,07 %.

7. Какой объем воздуха теоретически необходим для сгорания 10 кг нефти следующего состава: С – 85%, Н – 10%, N – 0,5%, О – 2,2%, S- 1,3%.

Избыток воздуха:

Коэффициент избытка воздуха – это отношение объема воздуха, практически участвующего в горении ( ) к теоретически необходимому (рассчитанному по приведенным формулам или по химическому уравнению).

1. Определить коэффициент избытка воздуха при горении уксусной кислоты СН₃СООН, если на горение 1 кг поступило 3 м³ воздуха.

2. Рассчитать количество воздуха (массу и объем), пошедшего на полное сгорание смеси газов следующего состава: СО – 40%, N₂ – 20%, С₃Н₈ – 8%, О₂ – 32%, если коэффициент избытка воздуха (α) равен 2.

3. Рассчитать практический объем воздуха, пошедшего на горение 1 кг органической смеси следующего состава: С – 90%, Н – 3%, N – 4%, О – 3% при Т = 400 К и р = 90000 кПа, если коэффициент избытка воздуха (α) равен 2.

Расчет объема продуктов горения.

Продуктами горения называются газообразные, жидкие и твердые вещества, образующиеся в результате процесса горения.

Расчетный объем продуктов горения определяется по формуле:

,

где – теоретический объем продуктов горения (кмоль/кмоль, м³/кг, м³/м³).

– избыток воздуха (при α_в > 1 смесь бедная, часть воздуха не расходуется на горение и переходит в продукты горения).

Теоретический объем продуктов горения определяется для трех групп веществ и материалов.

1. Рассчитать состав продуктов горения 5 кг фенола. Определить объемы этих веществ, если температура горения 1300⁰К, давление 90 кПа.

2. Определить объем и состав влажных продуктов сгорания 1 кг каменного угля состава (вес %) С- 75; Н – 4,5; О – 2,8; N – 1; S – 2,6; W – 3; А – 11.

3. Определить объем продуктов горения при сгорании 1 м³ газовой смеси, состоящей из С₃Н₆ – 70%; С₃Н₈ – 10%;, СО – 5%; О₂ – 15%.

Практическая работа №3

Тепловой баланс процессов горения

Цель работы: ознакомиться с расчетами теплоты сгорания.

Общие положения:

Особенностью реакций горения является то, что при их протекании выделяется большое количество тепла.

В расчете на единицу количества горючего вещества тепловой баланс зоны горения можно записать так:

Q_н + Q_исх - Q_недож = Q_пг + Q_пот,

где Q_исх - количество тепла, поступающего в зону горения с горючим веществом и окислителем (если a_в = 1, Т_н = 293 К, Q_исх » 0,03Q_н);

Q_недож - количество тепла, нереализуемое в зоне горения из-за химического и механического недожога. Q_недож зависит от вида горючего материала и условий горения и возрастает с увеличением количества воздуха, необходимого для полного сгорания (Q_недож составляет 5-25% от Q_н);

Q_пг - количество тепла, затрачиваемое на нагрев продуктов горения. За счет Q_пг продукты горения нагреваются до температуры более 1000 °С (Q_пг составляет 40-80% от Q_н);

Q_пот - количество тепла, теряемое из зоны горения конвекцией и излучением (Q_пот составляет 40-60% от Q_н);

Q_н - низшая теплота сгорания вещества или материала. Этот показатель характеризует пожарную опасность вещества или материала.

Низшей теплотой сгорания Q_н называется количество тепла, выделяемого при полном сгорании единицы массы или объема (кг, кмоль, м³) горючего вещества, при условии сгорания водорода до образования пара и испарения влаги горючего вещества (кДж/кмоль, кДж/кг, кДж/м³).

Различают также высшую теплоту сгорания Q_в - это количество тепла, выделяемого при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества при условии, что содержащийся в нем водород сгорает с образованием жидкой воды, и влага в веществе не испаряется. Эта величина имеет чисто теоретическое значение, т.к. температура горения намного выше 100°С, и всегда выделяющаяся вода при горении и влага вещества будут испаряться. Для расчетов параметров процессов горения используется низшая теплота горения.

Расчет теплоты горения

Для индивидуальных химических соединений низшую теплоту сгорания можно определить из следствия закона Гесса.

Теплота сгорания химического соединения равна разности между суммой теплот образования продуктов сгорания и теплотой образования сгоревшего химического соединения:

Q_н = å(DН¦_пг(i) × m_i) - DH¦_г × n_г [кДж/моль],

где DН¦_пг(i), DH¦_г - соответственно теплота образования i-го продукта сгорания и горючего вещества;

m_i, n_г - стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции горения.

Стандартные теплоты образования простых веществ (O₂, N₂ и т.д.) равны нулю.

Для сложных химических соединений низшую теплоту сгорания определяют по формуле Д.И. Менделеева:

Q_н = 339,4×С + 1257×Н - 108,9(О - S) - 25(9×Н + W) [кДж/кг]

где C, H, S, W - содержание углерода, водорода, серы и влаги в горючем веществе (% вес.);

О - сумма кислорода и азота в горючем веществе (% вес.).

Для смеси газов низшую теплоту горения определяют как сумму теплот сгорания компонентов горючей смеси:

Q_н^см = (åQ_нi × j_i)/100 [кДж/м³; кДж/моль]

где Q_нi - низшая теплота сгорания i-го компонента смеси газов;

j_i - содержание i-го компонента в смеси газов (% об.).

Температура горения

Часть из выделяемого в зоне горения тепла расходуется на нагрев продуктов горения (Q_пг).

Максимальная температура, до которой нагреваются продукты горения, называется температурой горения.

Различают следующие температуры горения:

- калориметрическая – температура, до которой нагреваются продукты горения при следующих условиях: Т_о = 273 К; a_в = 1; Q_пг = Q_н;

- адиабатическая - если выполняются условия: Т_о = 273 К; a_в ¹ 1; Q_пг = Q_н;

- теоретическая - температура горения, когда учитывается часть тепла, расходуемого на диссоциацию продуктов горения, и выполняются следующие условия: Т_о = 273 К; a_в = 1; Q_пг = Q_н - Q_дисс;

- действительная температура горения - та температура, до которой нагреваются продукты горения в реальных условиях: Т_о¹273 К; a_в¹1; Q_пг¹Q_н.

Для сложных химических соединений низшую теплоту сгорания определяют по формуле Д.И. Менделеева

Q_н = 339,4∙С + 1257∙Н – 108,9 (О – S) – 25 (9∙Н + W), (кДж/кг),

где С,Н,S,W – содержание углерода, водорода, серы и влаги в горючем веществе (% вес);

О – сумма кислорода и азота в горючем веществе (вес %).

Q_в = 339,4∙С + 1257∙Н – 108,9 (О – S)

Задачи:

1. Рассчитать по закону Гесса низшую теплоту горения бензола (кДж/моль; кДж/кг; кДж/м³).

2. Определить по формулам Менделеева высшую и низшую теплоты горения 4–метил–5–β–оксиэтилтиазола (С₆Н₉ОNS).

3. Определить низшую теплоту горения (кДж/м³; кДж/кмоль) газовой смеси, имеющей следующий состав компонентов (% об): СО – 15%; Н₂ – 15%; СН₄ – 25%; С₂Н₆ – 15%; СО₂ – 5%; N₂ – 15%; О₂ – 10%.

4. Рассчитать теплоту горения 10 м³ стехиометрической гексано-воздушной смеси.

5. Рассчитать теплоту сгорания этилена по теплотам образования веществ.

6. Рассчитать Q_н и Q_в для этилена, используя формулу Д.И. Менделеева.

7. Рассчитать низшую теплоту горения сернистого мазута, имеющего состав (% об): С – 82,5; Н – 10,65; S – 3,1; О – 0,5; А – 0,25; W – 3.

8. Рассчитать высшую теплоту горения нефтяной фракции, имеющей следующий состав (в %): С – 84,5; Н – 11,2; S – 3,99; О – 0,3.

9. Определить низшую теплоту горения уксусной кислоты (СН₃СООН), по теплотам образования веществ.

10. Определить низшую теплоту горения 1 кг древесины состава: С – 49%; Н – 8%; О – 43%. Какова интенсивность тепловыделения, если массовая скорость выгорания составляет 0,01 кг/1м²∙с?

11. Рассчитать интенсивность тепловыделения при горении газовой смеси состава: СО – 15%; Н₂ – 14%; С₄Н₁₀ – 40%; СО₂ – 11%; О₂ – 20%, если массовая скорость выгорания 0,8 м³/с.

12. Определить низшую теплоту горения газовой смеси (кДж/м³, кДж/кмоль) при н.у., имеющей следующий состав (% об): СО – 18%; Н₂ – 12%; СО₂ – 8%; N₂ – 14%, этан – 22%; пропан – 16%; О₂ – 10%.