Задачи для самостоятельной работы

Г.А. Тихановская, Л.М. Воропай

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ И ТУШЕНИЯ ПОЖАРОВ

Методическое пособие для студентов

всех форм обучения

Вологда

УДК 544.03:614.844(076)

ББК 68.923я73

Т46

Рецензенты:

Д.В. Карлович, начальник управления пожаротушения ГУ МЧС России

по Вологодской области;

М.Б. Гусев, главный эксперт ЭКЦ УМВД России по Вологодской области

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВоГУ

Тихановская, Г.А.

Т46.Физико-химические основы развития и тушения пожаров:метод. пособие / Г.А. Тихановская, Л.М. Воропай. – Вологда: ВоГУ, 2014. – 88 с.

Методическое пособие по курсу «Физико-химические основы развития и тушения пожаров» предназначено для студентов направления бакалавриата 20.03.01 «Техносферная безопасность», профиль «Защита в чрезвычайных ситуациях».

Методическое пособие составлено в соответствии с программой курса и может быть использовано студентами всех форм обучения. В методическое пособие включены решения типовых задач по основным разделам курса, задачи для выполнения контрольных работ студентами заочного отделения, практические и лабораторные работы. Приложения, включающие таблицы, необходимы для осуществления расчетов в практических работах и при выполнении контрольных работ студентами заочного отделения.

Пособие может быть использовано при самостоятельной работе и при подготовке к экзаменам студентами направления «Техносферная безопасность» всех форм обучения.

УДК 544.03:614.844(076)

ББК 68.923я73

© ВоГУ, 2014

© Тихановская Г.А., Воропай Л.М. 2014

ВВЕДЕНИЕ

Специалисту направления «Техносферная безопасность» необходимо владеть как теоретическими основами физико-химических процессов развития и тушения пожаров, так и методами расчетов основных параметров пожара, таких как:

- стехиометрические расчеты расхода воздуха на горение и расчет объема продуктов сгорания;

- расчет теплоты и температуры горения на основании термодинамических расчетов и по приведенным формулам;

- определение температуры самовоспламенения и определение йодного числа и т.д.

Предлагаемое пособие включает решение типовых задач по всем разделам курса и может служить руководством при самостоятельном выполнении контрольных работ студентами заочного отделения.

Практические и лабораторные работы, включенные в пособие, призваны сформировать у студента представление о законах и зависимостях процессов горения и пожаротушения. Это поможет выработать правильный подход к оценке конкретного пожара и выбрать оптимальные методы его ликвидации.

В приложениях приведено большое количество справочного материала по физико-химическим параметрам пожара.

Правильное использование справочного материала и умение свободно работать с таблицами должно способствовать быстрому определению пожарной ситуации и выбору стратегии по предотвращению бедствия.

Пособие является дополнением к учебному пособию по дисциплине «Физико-химические основы развития и тушения пожаров» часть I и II, где изложены теоретические основы процессов горения и пожаротушения.

РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

1. Определение плотности газа при определенных условиях

При нормальных условиях плотность азота равна 1,25 г/л. Определить плотность газа при 0⁰С и давлении 5,065 ∙ 10⁵ Па.

Решение: Из закона Бойля – Мариотта вытекает следствие: при постоян-ной температуре плотность газа ( ) прямо пропорциональна его давлению:

,

тогда – плотность азота при давлении будет равна:

(г/л)

2. Определение объема газа при переменных условиях

При температуре 18⁰С и давлении 98,64 кПа объем газа равен 2 л. Чему будет равен объем газа при нормальных условиях?

Решение: Объединенный закон Гей-Люссака – Бойля-Мариотта выражается уравнением , где р – давление и V – объем данной массы газа при температуре Т₁; р₀ – давление, V₀ – объем данной массы газа при нормальных условиях, т.е. Т₀ = 273, а р₀ = 1,013 ∙ 10⁵ Па. Данные задачи переводим в единицы СИ и находим объем:

; (м³) или 1,83 л.

3. Определение объема газа при нормальных условиях

Какой объем занимает 2 моль кислорода при нормальных условиях?

Решение: Закон Авогадро: в равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится равное число молекул.

Число молекул (N_A) в 1 моль вещества одинаково у всех веществ и равно 6,02∙10²³ (число Авогадро). Следовательно, количества веществ 1 моль, находящихся в газообразном состоянии при одинаковой температуре и одинаковом давлении, занимают равные объемы. При нормальных условиях (температура 0⁰С и давление = 1,01325 ∙ 10⁵ Па) объем 1 моль газа = 22,414 л≈22,4 л (мольный объем газа). Тогда 2 моль газа (О₂) займет объем =22,4∙2=44,8 литра.

4. Определение массы газа по его объему при переменных условиях

Найти массу 1 литра О₂ при температуре 17⁰С и нормальном давлении.

Решение: уравнение состояния идеального газа – уравнение Клайперона-Менделеева для 1 моль газа имеет вид: pV=RT, а для любого количества газообразного вещества: pV=nRT; где R – универсальная газовая постоянная, числовое значение которой зависит от единиц измерения других величин. Ее величина выражается в единицах СИ Дж/моль∙К; n – число моль газа = m/M; где m – масса вещества. Тогда

5. Нахождение количества вещества по его объему при определенных условиях

Какое количество вещества и какая масса кислорода находится в газометре емкостью 10 л при 20⁰С и под давлением 100 кПа?

Решение:уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона-Менделеева): pV=nRT решаем его относительно количества вещества (n):

Данные задачи подставляем в уравнение в единицах СИ: R = 8,314 Дж/(моль∙К); р = 1 ∙ 10⁵Па, Т = 273 + 20=293 К, V=0,01 м³.

m (масса в-ва) = nM; m=0,41∙32=13,12 г.

6. Определение парциального давления газа и состава смеси газов

0,5 моль водорода и 0,25 моль азота находятся в газометре вместимостью 5 л при 10⁰С. Вычислить парциальное давление каждого из газов и состав смеси в объемных долях.

Решение: Парциальное давление каждого компонента находим из уравнения Клайперона-Менделеева: pV = nRT; ;

По формуле: Х (мольная доля) = , где – объемная доля (%). Тогда:

; ;

7. Определение мольной доли горючего в стехиометрической смеси

Определить мольную долю горючего в стехиометрической смеси метана с кислородом.

Решение: Если горючие (углеводород) и окислитель (кислород) расходуют друг друга полностью, образуя двуокись углерода (СО₂) и воду (Н₂О), то такая смесь называется стехиометрической. Следовательно: СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О. Мольная доля горючего (Х_{гор.стех}) равна числу моль горючего (СН₂), отнесенного к общему числу моль в смеси. Т.е. Х_{гор.стех}=1/3; Уравнение в общем виде: , где 𝜈 обозначает число моль О₂ в уравнении реакции с образованием СО₂ и Н₂О. Ответ: 1/3

8. Определение числа моль окислителя и мольную долю горючего в стехиометрической смеси

Определить число моль О₂ и мольную долю горючего Х для стехиометрической смеси пропана с воздухом.

Решение: В том случае, если окислителем является воздух, следует принимать во внимание что: сухой воздух содержит:21% кислорода; 78% азота; 1% благородных газов. Тогда для воздуха мольная доза азота составит 3,762 мольных долей кислорода (79:21=3,762). Уравнение реакции горения пропана в воздухе С₃Н₈ + 5О₂ + 5 ∙ 3,762 N₂ = 3СО₂ + 4Н₂О + 5 ∙ 3,762 N₂.

Тогда: Х_{гор.стех.}=

Ответ: число моль кислорода ( ) = 5; мольная доля горючего (

9. Определение мольной и массовой доли окислителя в стехиометрической смеси

Сколько кислорода О₂ необходимо для стехиометрического горения метана. Найти молярное отношение (Х) и массовое отношение ( ).

Решение:стехиометрическое горение метана выражается уравнением СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О. Молярное отношение (Х) – это отношение числа моль кислорода к числу моль всей смеси, т.е. Х = 2/3; Массовое отношение ( ) – это отношение массы О₂ к массе всей смеси. Т.е.

10. Нахождение мольной (моль %) и массовой доли горючего (вес %) для стехиометрической смеси

Каковы значения мольной (Х) и массовой ( ) долей горючего для стехиометрической смеси метана с воздухом.

Решение: Уравнение реакции:

СН₄ + 2,0 О₂ + 2,0 ∙ 3,762N₂ = СО₂ + 2Н₂О + 2 ∙ 3,762N₂

Мольная доля горючего (Х) – это отношение числа моль горючего к числу моль всех компонентов смеси.

;

11. Нахождение стехиометрической концентрации горючего в воздухе

Рассчитать стехиометрическую концентрацию этиленгликоля в воздухе. Решение: Для расчета стехиометрической концентрации этиленгликоля в воздухе ( ) используем формулу: , где (в общем случае) β = m_c+m_s+m_si+2,5m_p+0,25(m_н – m_x) – 0,5m₀ где m_{c,s,si,p,н,o} – число атомов углерода, серы, кремния, фосфора, водорода и кислорода в молекуле горючего; m_x – суммарное число атомов F, Cl, Br, J в молекуле горючего. Тогда этиленгликоль С₂Н₆О₂. Β = 2 + 0,25 ∙ 6 – 0,5 ∙ 2 = 2,5.

Находим

12. Расчет объема воздуха, идущего на горение газообразного горючего

Рассчитать объем воздуха, необходимого для полного сгорания 5 м³ метана.

Решение:

1 способ (химический): Уравнение (брутто):

СН₄ + 2О₂ + 2 ∙ 3,76N₂ = СО₂ + 2Н₂О + 2 ∙ 3,76 N₂

Из уравнения следует, что на 1 моль СН₄, т.е. 22,4 л расходуется 2+2∙3,76моль, т.е. 2∙22,4+22,4∙2∙3,76 (л) воздуха. Составляем пропорцию:

22,4 л СН₄ --------- (1+3,76)44,8 л. воздуха

5 м³ СН₄ ---------- Х м³ воздуха.

Следовательно м³ воздуха.

2 способ (технический):

Расчет производится по формуле:

(м³/м³ или кмоль/кмоль)

где – объем воздуха (н.у.)

– отношение молекул окислителя к количеству моль горючего в уравнении реакции.

тогда м³

13. Определение объема воздуха, необходимого для сгорания твердого горючего

Рассчитать объем воздуха, необходимого для сгорания 10 кг сухих дров (н.у.)

Решение:

1 способ (химический): С₆Н₁₀О₅+6О₂+6∙3,76 N₂ = 6 СО₂+5Н₂О+6∙3,76 N₂

На 1 моль ) С₆Н₁₀О₅ расходуется 6+6∙3,76 моль воздуха.

Пропорция:

1 моль С₆Н₁₀О₅ --------- 6(1+3,76) моль воздуха

моль С₆Н₁₀О₅ --------- Х моль воздуха

Х =

1 моль – 22,4 м³, тогда Х = м³/кг

2 способ (технический): Для твердых и жидких веществ применяется уравнение:

(м³/кг), где = 22,4 м³/кмоль; – молярная масса горючего в-ва.

м³/кг или 39,49 на 10 кг.

14. Определение массы горючего, выгорающего в закрытом помещении определенного объема

Какая масса сухих дров выгорит на складе 10х10х4 м³ до самопроиз-вольного потухания. Помещение считать замкнутым.

Решение: (кг)

= 101,3 кг

15. Определение объема воздуха, идущего на горение твердого горючего сложного состава

Определить объем воздуха, необходимого для сгорания 5 кг торфа (в%). С – 40,0; Н – 4,0; О – 13,0; N – 20,0; А – 10,0; W – 13,0.

Решение: Используем формулу:

Азот, зола и влага при определении воздуха не учитываются.

где , – количество воздуха, необходимого для горения каждого элемента (м³/кг)

и – содержание каждого элемента (вес %) в горючем.

Определяем: С + О₂ = СО₂

; тогда

H₂ + 0,5O₂ = H₂O

– количество воздуха, в котором содержится 1 кг кислорода (м³/кг)

1 кмоль О₂(32 кг) --------22,4 м³; 1 кг О₂ занимает объем 22,4/32 (м³), то

Подставляем в уравнение:

4,2 ∙ 5≈21 м³

16. Определение объема воздуха, необходимого для горения определенного объема газа сложного состава

Какой объем воздуха (н.у.) необходим для сгорания 10 м³ природного газа, содержащего (об.%): СН₄ (метан) – 87%; С₂Н₆ (этан) – 3,5 %; С₃Н₈ (пропан) – 2%; СО₂ – 6,3%; N₂ – 2,2 %.

Решение: Составляем уравнения реакции горения газа, входящего в состав смеси:

СН₄ + 2О₂=СО₂ + 2Н₂О

м³/м³

С₂Н₆ + 3,5О₂=2СО₂ + 3Н₂О

м³/м³

С₃Н₈ + 5О₂=3СО₂ + 4Н₂О

м³/м³

м³/м³

Или в расчете на 10 м³ – 146 м³

17. Определение объема воздуха, идущего на горение определенного объема смеси газов

Определить объем воздуха, необходимого для 5 м³ смеси газов, состоящих из 20% СН₄; 40% С₂Н₂; 10% СО; 5% N₂ и 25% О₂, если коэффициент избытка воздуха равен 1,8.

Решение: Горючее – смесь газов; записываем уравнение реакции:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

С₂Н₂ + 2,5О₂ = 2СО₂ + Н₂О

СО + 0,5О₂ = СО₂

тогда м³/м³

м³/м³

м³/м³

м³/м³

В расчете на 5 м³: V_в = 4,398 ∙ 5 = 21,99 м³≈22 м³

Практическое количество воздуха: V_в = 22 ∙ 1,8 = 39,6 м³

18. Определение коэффициента избытка воздуха

Указать величину коэффициента избытка воздуха при горении уксусной кислоты СН₃СООН, если на горение 1 кг поступило 3 м³ воздуха.

Решение: α – коэффициент избытка воздуха – это отношение объема воздуха практически участвующего в горении к теоретически необходимому.

υ_пр = 3 м³ (по условию).

СН₃СООН + 2О₂ = 2СО₂ +2Н₂О; β=2/1=2

β ∙ 22,4 / ; = 60 кг/кмоль

м³/кг

α=3/3,55=0,84

т.к. α < 1, смесь богатая, образуются продукты неполного сгорания.

19. Определение объема продуктов горения определенного объема индивидуального вещества

Определить объем продуктов сгорания 10 м³ метана

Решение: Составляем уравнение горения метана в воздухе.

СН₄ + 2О₂ + 2 ∙ 3,76N₂=СО₂ + 2Н₂О + 2 ∙ 3,76 N₂

1. Определяем объем СО₂. По уравнению реакции составляем пропорцию:

22,4 м³СН₄-------22,4 м³СО₂

10 м³ СН₄ ----- Х м³СО₂

Х= м³

2. Определяем объем Н₂О (для определения влажных продуктов реакции).

Пропорция:22,4 м³ СН₄ -------2 ∙ 22,4 (м³) Н₂О

10 м³ СН₄ ------ Х’ м³ Н₂О

Тогда Х’= м³

3. Находим объем азота (Х’’)

Пропорция: 22,4 м³ СН₄ -------2 ∙ 3,74 ∙ 22,4 (м³) N₂

10 м³ СН₄ ------ Х’’ м³ N₂

Тогда Х’’= м³

V_пг = 10 + 20 + 75,2 = 105,2 м³/м³

20. Определение объема и состава продуктов горения определенной массы индивидуального вещества

Определить объем и состав сухих продуктов сгорания 1 кг ацетона.

Решение: Уравнение реакции горения 10 кг ацетона:

СН₃СОСН₃ + 4О₂ + 4 ∙ 3,76N₂ = 3CO₂ + 3H₂O + 4 ∙ 3,76N₂

1. Находим объем СО₂: 58 кг СН₃СОСН₃-------------3 ∙ 22,4 (м³)СО₂

10 кг СН₃СОСН₃------------ Х м³ СО₂

Х = м³

2. Находим объем азота (Х’): Х’ = м³

3. Исходя из расчетов, объем сухих продуктов составит:

11,58 + 58,08 = 69,66 м³/кг.

21. Определение объема влажных продуктов горения определенной массы твердого вещества сложного состава

Определить объем влажных продуктов сгорания 1 кг каменного угля состава (вес.%): С – 75,8; Н – 3,8; О – 2,8; N – 1,1; S – 2,5; W – 3,0; А – 11,0.

Решение:

1. С + О₂ + 3,76N₂ = СО₂ + Н₂О + 3,76N₂

а) по уравнению реакции находим объем образовавшегося СО₂:

Пропорция: 12 кг С ----- 22,4 м³ СО₂

0,758 кг С ---- Х м³ СО₂

Х = м³

б) по уравнению реакции находим объем образовавшегося азота:

Пропорция: 12 кг С ----- 3,76∙22,4 (м³) азота

0,758 кг С ------ Х м³ азота

м³

2. Н₂ + О₂ + 0,5 ∙ 3,76 = Н₂О + 0,5 ∙ 376

а) По уравнению реакции находим объем паров воды:

Пропорция: 2 кг Н₂ ------- 22,4 м³ Н₂О

0,038 кг Н₂ ------ Х м³ Н₂О

м³

3. S + O₂ + 3,76N₂ = SO₂ + 3,76N₂

а) По уравнению реакции находим объем SO₂: 32 кг S------22,4 ∙ 3,76 м³N₂

0,025 кг S------ Х м³ N₂

м³

4. Находим азот из горючего вещества (1,1 вес %), т.е. 0,011 кг.

Пропорция: 28 кг N₂ ------ 22,4 м³

0,011 кг N₂ ----- Х м³

м³

5. Находим влагу в горючем веществе: 18 кг Н₂О ------ 22,4 м³

0,03 кг Н₂О ------- Х

м³

6. Находим сумму азота, образовавшегося при горении.

м³

7. Из общего объема азота (6,7708 м³) вычитаем объем азота, приходящийся на кислород в составе каменного угля.

а) находим объем азота, приходящегося на кислород в составе каменного угля (

32 кг О₂ -------- 3,76 ∙ 22,4 (м³) N₂

0,028 кг О₂ -------- Х м³ N₂

м³

б) м³

8. Находим объем продуктов горения: V_пг= 1,4 + 0,462 + 6,6972 + 0,017 = 8,576 м³/кг

22. Определение объема влажных продуктов сгорания определенного объема газа сложного состава

Определить объем влажных продуктов сгорания 1 м³ доменного газа следующего состава (в%): СО₂ – 10,5; СН₄ – 0,3; СО – 28; N₂ – 58, 5; Н₂ – 2,7.

Решение: Количество и состав продуктов горения для смеси газов определяется по уравнениям горения каждого газа, входящего в смесь. Негорючие газы переходят в продукты горения, а содержание кислорода в смеси газов снижает количество азота в продуктах горения.

1. Метан СН₄; 0,3 % об.

СН₄ + 2О₂ + 2 ∙ 3,76N₂=СО₂ + 2Н₂О + 2 ∙ 3,76N₂

а) Находим объем образовавшегося СО₂:

22,4 м³ СН₄ ------- 22,4 м³ СО₂

0,003 м³ СН₄-------- Х

м³

б) Находим объем образовавшегося N₂:

22,4 м³ СН₄ ------- 22,4 ∙ 2 ∙ 3,76 (м³) N₂

0,003 м³ СН₄-------- Х м³ N₂

м³

в) Находим объем образовавшейся при горении метана воды:

22,4 м³ СН₄ ------- 22,4 ∙ 2 (м³) Н₂О

0,003 м³ СН₄-------- Х м³ Н₂О

м³

2. СО – оксид углерода: 2,8 % об.

СО + 0,5О₂ + 0,5 ∙ 3,76N₂=СО₂ + 0,5 ∙ 3,76 N₂

а) Находим объем СО₂:

22,4 м³ СО ------- 22,4 м³ СО₂

0,028 м³ СО ------- Х м³ СО₂

м³

б) При этом образовалось азота:

22,4 м³ СО ------- 22,4∙0,5∙3,76 (м³) N₂

0,028 м³ СО ------- Х м³ N₂

м³

3. Водород (Н₂) – 2,7 (% об)

Н₂ + 0,5О₂ + 0,5 ∙ 3,76N₂ = Н₂О + 0,5 ∙ 3,76 N₂

а) Находим объем Н₂О:

22,4 м³ Н₂ ------- 22,4 м³ Н₂О (пар)

0,027 м³ Н₂------- Х м³ Н₂О

м³

б) При этом образуется азота:

22,4 м³ Н₂ -------- 22,4∙0,5∙3,76 (м³) N₂

0,027 м³ Н₂------- Х м³ N₂

м³

4. Находим объем СО₂ в составе газа:

м³

5. Находим азот в составе газа

м³

6. Находим суммарный объем каждого из продуктов горения

м³

м³

м³

7. Находим объем продуктов горения:

V_г=0,388+0,033+1,183=1,604 м³/м³

Ответ: 1,604 м³/м³

23. Определение низшей теплоты горения вещества на основании термодинамических расчетов

Рассчитать низшую теплоту горения бензола (кДж/моль); кДж/кг; кДж/м³)

Решение:

1. По закону Гесса и на основании уравнения реакции горения бензола находим

С₆Н₆ + 7,5О₂ + 7,5∙3,76N₂ = 6СО₂ + 3Н₂О + 7,5∙3,76N₂

где – стандартные энтальпии образования веществ.

или 3142,8 ∙ 10³ кДж/кмоль.

2. Переводим в кДж/кг:

1 кмоль С₆Н₆ = 78 кг, тогда 3142,8∙10³--------- 78 кг

Х --------- 1 кг

r wsp:rsidR="00000000" wsp:rsidRPr="0054782C"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>">

3. При сгорании 1 кмоль паров С₆Н₆ т.е. 22,4 м³ выделяется 3142,8∙10³кДж/моль

тогда

Ответ: Теплота горения 1 м³ паров бензола (н.у.) равна ; теплота горения 1 кг бензола равна

24. Определение низшей и высшей теплоты горения вещества по формуле Д.И.Менделеева

Определить по формулам Д.И. Менделеева высшую и низшую теплоты горения 4 метал 5β оксиэтилтиазола (С₆Н₉ОNS)

Решение:

1. Определяем процентное отношение элементов в молекуле С₆Н₉ОNS

С = 12∙6∙100/143 = 50,3 %

Н = 1∙9∙100/143 = 6,3 %

О = 1∙16∙100/143 = 11,2 %

N = 1∙14∙100/143 = 9,8 %

S = 1∙32∙100/143 = 22,4 %

2. Низшая теплота горения С₆Н₉ОNS:

Q_н = 339,4∙50,3+1257∙6,3 – 108,9(11,2-22,4) – 25(9∙6,3 + 0) = 23720,2 кДж/кг

3. Высшая теплота горения С₆Н₉ОNS:

Q_в = 339,4∙50,3+1257∙6,3 – 108,9(11,2-22,4) = 25143,38 кДж/кг

Ответ: Q_н = 23720,2 кДж/кг; Q_в = 25143,38 кДж/кг.

25. Определение низшей теплоты горения смеси газов

Определить низшую теплоту горения (кДж/м³; кДж/кмоль) газовой смеси, имеющей следующий состав компонентов смеси (% об): СО – 20%; СН₃ – 20%; Н₂ – 10%; С₂Н₆ – 20%; СО₂ – 10%; N₂ – 10%; O₂ – 10%.

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

По таблице термодинамических величин находим теплоты сгорания (кДж/м³).

Q_н = 12650 ∙ 0,2 + 10770 ∙ 0,1 + 35820 ∙ 0,2 + 63690 ∙ 0,2 = 23509 кДж/м³

2. Теплоту горения 1 моль газовой смеси:

1 кмоль газа – 22,4 м³

тогда 23509 кДж – 1 м³

Х – 22,4 м³

Ответ: Q_н∙1 м³= 23509 кДж ; Q_н∙1 моль= 526,6 кДж

26. Определение теплоты горения определенного объема стехиометрической смеси

Рассчитать теплоту горения 1 м³ стехиометрической гексано-воздушной смеси.

Решение: Уравнение реакции горения:

С₆Н₁₄ + 9,5О₂ + 9,5 ∙ 3,76N₂ = 6СО₂ + 7Н₂О + 9,5 ∙ 3,76N₂

Находим мольную долю горючего в стехиометрической смеси:

Теплоту сгорания гексана находим на основании теплот образования веществ.

Q_н = 6 ∙ 396,6 + 7 ∙ 242,2 – 167,2 = 3909,6 кДж/моль

Q_н = 3909,6/22,4 ∙ 10³ = 174,5 ∙ 10³ кДж/м³

Учитывая, что гексана в смеси 2,2%

кДж/м³

Ответ: Q_{н смеси} = 3839 кДж/м³

27.1. Определение температуры самовоспламенения предельного углеводорода

Рассчитать Т_св 3,3-диэтиленпентана

Решение:

1. Структурная формула:

		6СН3
		|
		7СН2
1	2	3 |	4	5
Н3С –	СН2 –	С –	СН2 –	СН3
		|
		8СН2
		|
		9СН3

2. Нумеруем все атомы углерода.

3. Одинаковые цепи с концевой метильной группой 4.

4. Производим расчет общих чисел цепей.

s w:val="28"/></w:rPr><m:t>M-1</m:t></m:r></m:e></m:d><m:r><w:rPr><w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:h-ansi="Cambria Math"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/></w:rPr><m:t>/2</m:t></m:r></m:e></m:nary></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000" wsp:rsidRPr="00C63858"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>">

– число цепей

– число концевых групп в молекуле.

5. Находим число цепей с одинаковым числом атомов углерода – С₅ – их 6. В данном соединении длина всех цепей одинакова.

6. Находим среднюю длину цепи.

– длина i-й углеродной цепи.

7. По таблице находим Т_вс = 560 К

Ответ: Т_вс = 560 К 3,3 диэтилпентана.

27.2. Определение температуры самовоспламенения предельного углеводорода

Рассчитать температуру самовоспламенения 2,2-диметилгексана

Решение:

1. Записываем структурную формулу соединения и определяем количество цепей.

	7СН3
1	2 |	3	4	5	6
Н3С –	С –	СН2 –	СН2 –	СН2 –	СН3
	|
	8СН3

М_р = 4, т.к. присутствуют 4 группы СН₃

n_i = 6

2. Находим длину каждой из 6ти цепей и среднюю длину молекулы

ni	1-6	7-8	8-6	8-1	1-7	7-6

По таблице находим Т_св = 643 К

3. Можно по формуле: Т_св = 300 + 116 =385⁰ или 655К

Ответ: 643 – 655 К

28. Определение температуры воспламенения предельных спиртов

Рассчитать температуру самовоспламенения изопропилового спирта.

Решение:

1.

1	2	3
СН3 –	СН –	ОН
	|
	4СН3

М_р – число радикалов 3, т.к. 2 гр. – СН₃ и 1 гр. ОН

М_ц = 3 (содержит гр. СН₃)

2. Находим длину каждой цепи

ni	1-3	3-4	1-4

По таблице определяем температуру самовоспламенения изопропилового спирта Т_вс = 706 К.

Согласно справочным данным Т_вс С₃Н₇ОН = 693 К.

Относительная ошибка составит:

Ответ: Т_вс = 693 К, ошибка 1,9%

29. Определение температуры самовоспламенения ароматического вещества

Рассчитать температуру самовоспламенения 1 метил-4-этилбензола.

Решение:

1. Структурная формула вещества: СН₃ – С₆Н₄ – СН₂ – СН₃;

М_р = 3, т.к. 2 метильные группы и 1 фенильная группа.

2. Определяем длину цепей.

ni	1-4	1-2	2-4
	3-1	1-1	2-1

Длина цепи уменьшается на 1 атом углерода, т.к. в нее входит фенил.

3. По таблице определяем Т_вс = 712 К.

Ответ: Т_вс = 712 К

30. Определение нижнего концентрационного предела воспламенения

Определить НКПВ метана.

Решение: Нижний концентрационный предел воспламенения рассчитывается по уравнению:

t wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/></w:rPr><m:t>+</m:t></m:r><m:r><w:rPr><w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:h-ansi="Cambria Math"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/><w:lang w:val="EN-US"/></w:rPr><m:t>b</m:t></m:r></m:den></m:f></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000" wsp:rsidRPr="00EA0C34"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>">

1. Находим n – число атомов кислорода, необходимого для полного сгорания горючего.

СН₄ + 4О₂ + 4 ∙ 3,76N₂ = СО₂ + 2Н₂О + 4 ∙ 3,76 N₂

Из уравнения следует что n = 4.

2. Из таблицы выбираем значения постоянных и : ;

3. Подставляем данные в формулу и находим НКПВ

Ответ: НКПВ = 4,5 % об.

31. Вычисление НКПВ смесей нескольких паров или газов по формуле Ле Шателье

Вычислить НКПВ смеси пропана и бутана, если пропана 80% об, бутана 20% об.

Решение: В соответствии с формулой Ле Шателье:

(1)

Находим:

1. НКПВ пропана (С₃Н₈):

(2)

где – число атомов кислорода, необходимого для полного сгорания пропана (по уравнению реакции).

С₃Н₈ + 5О₂ + 5 ∙ 3,76 N₂ = 3СО₂ + 4Н₂О + 5 ∙ 3,76 N₂

– эмпирические константы, табл. При ; .

Подставляем в формулу 2 и находим:

2. Аналогично находим НКПВ бутана (С₄Н₁₀)

С₄Н₁₀ + 6,5О₂ + 3,76 N₂ = 4СО₂ + 5Н₂О + 6,5 ∙ 3,76 N₂

3. Находим НКПВ смеси (по формуле 1):

Можно решать по таблицам НКПВ различных веществ.

Ответ: НКПВ смеси составляет ≈ 2 % об.

32. Определение нижних концентрационных пределов воспламенения по теплоте сгорания

По предельной теплоте горения Q_пр рассчитать НКПВ бутана в воздухе.

Решение:

1. Находим по таблице низшую теплоту сгорания бутана Q_н=2882,3кДж/моль.

2. Эту величину необходимо пересчитать на кДж/м³.

1 моль бутана ------ 22,4 л, тогда кДж/м³

3. По формуле:

Ответ: 1,42 % об.

33. Определение стехиометрической концентрации паров горючего в воздухе при определенных условиях (г/м³)

Определить стехиометрическую концентрацию паров ацетона в воздухе при t=15⁰С и р=740 мм рт. ст. в г/м³.

Решение:

1. Уравнение реакции:

СН₃СОСН₃ + 4О₂ + 4 ∙ 3,76N₂ = 3СО₂ + 3Н₂О + 4 ∙ 3,76N₂

2. Находим стехиометрическую концентрацию ацетона в г/м³

3. Находим мольный объем при заданных условиях (Авогадро и объединенный газовый закон).

; м³/кмоль

4. Находим объем смеси: 20 ∙ 25,2 = 504 л.

5. Определяем стехиометрическую концентрацию ацетона в г/м³.

Ответ: 114,8 г/м³.

34. Определение йодного числа триглицеридов жирных кислот

Определить расчетным путем йодное число триглицерида олеиновой кислоты.

Решение:

1. Уравнение реакции триолеата с йодом

С₃Н₅(С₁₇Н₃₃СОО)₃+3J₂=C₃H₅(C₁₇H₃₃J₂COO)₃

2. Молекулярная масса триглицерида равна М = 884 г/моль

Молекулярная масса йода = 254 г/моль

3. Составляем пропорцию:

884 г глицерида -------- 254∙3(г) J₂

100 г масла -------Х г J₂

Возможность самовозгорания определяется из следующих закономерностей:

– возможно самовозгорание;

– мало склонны к самовозгоранию;

– самовозгорание невозможно.

35. Определение способности к самовозгоранию различных масел

Определить способность самовозгорания подсолнечного масла, имеющего состав: тристеарат – 9%, триолеат – 38%, триленолеат – 53%.

Решение:

1. Стеариновая кислота СН₃ – (СН₂)₁₆ – СООН – это предельная одноосновная кислота, не содержащая двойных связей, не присоединяет йод и т.о. не оказывает влияние на йодное число. Следовательно, содержание тристеарата при расчете не учитываем.

2. Уравнение реакции триолеата с йодом

С₃Н₅(С₁₇Н₃₃СОО)₃ + 3J₂ = С₃Н₅(С₁₇Н₃₃J₂СОО)₃

М_{триолеата} = 884 г/моль

=254 г/моль

Пропорция:

854 г -------254∙3 (г) J

38 г ------- Х

3. Аналогично для триленолеата:

С₃Н₅(С₁₇Н₃₁СОО)₃+6J₂ = С₃Н₅(С₁₇Н₃₁J₄СОО)₃

М_{триленолеата} = 878 г/моль;

Пропорция:

878 г -------254∙6

53 г ------- Х

4. Определяем общее йодное число

Ответ: , следовательно, подсолнечное масло склонно к самовозгоранию.

36. Определение количества тепла, идущего на нагревание до температуры кипения определенного объема воды

На какую величину снизится температура пламени из-за затрат тепла, идущего на 10 м³ тонко распыленной воды для нагревания капелек воды до температуры кипения (t₀=10⁰C)

Решение:

где – теплоемкость воды = 4,19 кДж/кг∙К

– масса воды, которая находится через плотность.

т.е.

– температура кипения = 100⁰С

– начальная температура воды

Тогда

Ответ:

37.1. Определение затрат тепла на парообразование (испарение) определенного объема тонкораспыленной воды

Найти снижение температуры в факеле пламени из-за затрат тепла на парообразование (испарение) 10 м³ тонкораспыленной воды.

Решение: ;

где – скрытая теплота парообразования воды = 2260 кДж/кг.

Ответ:

37.2. Определение затрат тепла на парообразование (испарение) определенного объема тонкораспыленной воды

Найти снижение температуры в факеле пламени за счет смешения паров 10 м³ воды при температуре 100⁰С и реагентов в зоне реакции и затраты тепла на нагревание паров воды до температуры среды в зоне горения (t_пл=1000⁰)

Решение:

кДж/(кг∙К)

– масса воды – 10 000 кг.

s w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>"> – температура пламени.

Ответ:

38. Определение теоретической флегматизирующей концентрации флегматизаторов

Рассчитать теоретическую флегматизирующую концентрацию СО₂ ( , необходимую для тушения метана.

Решение:

r w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></wx:sect></w:body></w:wordDocument>"> (% об)

где – предельное содержание кислорода при введении в горючую смесь углекислого газа (табл)

тогда % об.

Ответ: 23,8 % об.

39. Номенклатура галогенпроизводных углеводородов

Указать формулу и условное обозначение трифторхлордибромэтана по международной номенклатуре

Решение: Галогенпроизводные предельных углеводородов, используемые в качестве химически активных ингибиторов (ХАИ), имеют торговые названия. Международный термин «галлон» (в России – хладон). Для их условного обозначения номер галлона составляется следующим образом:

- первая цифра – число атомов углерода;

- вторая - число атомов фтора;

- третья – хлора;

- четвертая – брома;

- пятая – йода.

Количество атомов водорода определяется по оставшимся у углерода валентностям, исходя из общей формулы C_n(HFClBrJ)_2n+2. Тогда трифторхлордибромэтан - С₂НF₃ClBr₂.

40. Определение содержания воды в флегматизаторах

Каким образом можно определить присутствие воды в галогенуглеводородах?

Комментарий: Практически присутствие воды в галогенуглеводородах можно определить с помощью карбида кальция (СаС). При добавлении СаС к огнетушащему составу имеющаяся в нем вода будет взаимодействовать с образованием газообразного ацетилена (С₂Н₂). Внешне это проявляется в выделении пузырьков газа.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Определить мольную долю горючего в стехиометрической смеси водорода с кислородом

2. Определить мольную долю кислорода в стехиометрической смеси октана с кислородом

3. Определить число моль О₂ и мольную долю горючего для стехиометрической смеси водорода с воздухом.

4. Определить число моль О₂ и мольную долю горючего для стехиометрической смеси метана с воздухом.

5. Определить число моль О₂ и мольную долю горючего для стехиометрической смеси гептана с воздухом.

6. Определить число моль О₂ и мольную долю горючего для стехиометрической смеси октана с воздухом.

7. Сколько кислорода О₂ необходимо для стехиометрического горения метана. Найти молярное отношение (х) и массовое отношение (ω).

8. Каковы значения мольной (х) и массовой (ω) долей горючего для стехиометрической смеси метана с воздухом.

9. Определить группу горючести глюкозы на основании расчета потенциала горючести.

10. Определить группу горючести бензина на основании расчета потенциала горючести.

11. Определить группу горючести гидроксида кальция на основании расчета потенциала горючести.

12. Определить группу горючести этиленгликоля на основании расчета потенциала горючести.

13. Определить группу горючести бромтрифтор углерода (хладон) на основании расчета потенциала горючести.

14. Определить группу горючести дибромтетрафтор углерода (хладон) на основании расчета потенциала горючести.

15. Определить группу горючести этилового спирта на основании расчета потенциала горючести.

16. Определить возможность протекания процесса горения этилового спирта.

17. Определить возможность протекания процесса горения бензола.

18. Определить возможность протекания процесса горения бензина.

19. Определить возможность протекания процесса горения глюкозы.

20. Определить горючесть этиленамина (С₂Н₅NН₂)

21. Определить горючесть всех оксидов азота и оксидов серы.

22. Определить горючесть СО и СО₂

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

24. Сравнить горючесть этилена, дихлорэтана и дибромэтана. Сделать вывод о влиянии различных галогенов на горючесть соединений.