Химия процессов горения

 

 

 

 

Контрольная работа

Химия процессов горения

24 вариант

 

Расчетная часть задания

1. Общие сведения

Название вещества: 

2,2-диметилбутан С6Н14

 

2. Физико-химические свойства

Агрегатное состояние; внешний вид, цвет, запах; плотность;. температура плавления; температура кипения; растворимость в воде; коэффициент молекулярной диффузии пара; удельное электрическое сопротивление; диэлектрическая проницаемость; предельно допустимая концентрация ПДК (справочные данные).

 

Решение

Агрегатное состояние	жидкость
внешний вид	бесцветное прозрачное вещество
запах	без запаха (бензиновый запах имеют примеси)
плотность	0,649 г/см3
температура плавления	- 99,8 °C
температура кипения	49,74 °C
растворимость в воде	0,00184 г/100 г воды
коэффициент молекулярной диффузии пара	- (информация для 2,2-диметилбутана отсутствует, ориентировочные данные для других веществ при 25°C, в воздухе, м2/сек: для гексана С6Н14: 7,55 для бензола С6Н6: 7,7 для н-бутана: С4Н10: 7,4)
удельное (объёмное) электрическое сопротивление	- (информация для 2,2-диметилбутана отсутствует, ориентировочные данные для других веществ: 1011…1012 Ом∙м - порядок для углеводородов С6)
диэлектрическая проницаемость	2,02
предельно допустимая концентрация ПДК	- (информация для конкретного  вещества отсутствует, Для алканов с C1-С10: ПДКр.з.*: 300 мг/м3, другие нормы ПДК для С1 - С10 находятся в стадии разработки.  НИИ Атмосфера рекомендовано  продолжить применение кода 416, ОБУВ = 30 мг/м3 для углеводородов С6-С10 (к которым относится 2,2-диметилбутан),

 

*ПДКр.з. - Предельно допустимая концентрация летучего вещества в воздухе рабочей зоны. Это максимальная концентрация, которая при ежедневной работе (кроме выходных дней) в течение всего рабочего стажа не должна вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования в медицине

**ОБУВ (ориентировочно безопасные уровни воздействия)

 

 

 

2.1. Расчет относительной плотности паров по воздуху (Dвозд).

 

Решение:

Относительная плотность одного газа по другому D показывает, во сколько один газ тяжелей другого газа. Величина D является безразмерной.

Относительная плотность газа (пара) по воздуху:

Dвозд = Мгаза (пара) / Мвозд = Мгаза (пара) / 29. 

Молярная масса 2,2-диметилбутана С6Н14 равна:

М(С6Н14) = 6∙12 + 14∙1 = 86 г/моль

Dвозд = 86 / 29 = 2,97

 

 

2.2.  Расчет плотности паров при нормальных условиях

(rпар = М/Vм, кг/м3);

Решение

Плотность (или массовая концентрация) r имеет размерность г/л или кг/м3.

Для газообразных веществ плотность может быть вычислена по формуле:

r = М / VМ,

где:

r – плотность газа или пара, г/л или кг/м3; 

М – молярная масса газа (пара), г/моль или кг/кмоль;

VМ – молярный объем газа или пара при заданных условиях (при нормальных условиях VМ = 22,4 л/моль или м3/кмоль)

Молярная масса 2,2-диметилбутана С6Н14 составляет 86 г/моль или кг/кмоль.

Тогда плотность газа при этих условиях равна

r = 86 / 22,4 = 3,85 г/л или 3,85 кг/м3

 

 

2.3. Расчет процентного элементного состава вещества.

 

Решение

1) Рассчитаем молярную массу 2,2-диметилбутана С6Н14:

М(С6Н14) = 6∙12+ 14∙1 = 86 г/моль.

2) Рассчитаем процентный состав 2,2-диметилбутана С6Н14:

[C] = 6∙12/86 = 0,837 ×100 = 83,7 %

[H] = 14∙1/86 =  0,163 ×100 = 16,3 %

 

 

 

2.4. Расчет коэффициента горючести.

 

Решение

Коэффициент горючести К является безразмерным коэффициентом и служит для определения горючести вещества.  Рассчитанный коэффициент горючести может быть использован для приближенного вычисления температуры вспышки вещества, а также величины нижнего концентрационного коэффициента распространения 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),

где:        n(C), n(S), n(H), n(N), n(O), 2 n(Cl), n(F), n(Br) – число атомов углерода, серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора и брома в молекуле вещества.

Если коэффициент горючести К больше единицы (К ³ 1), то вещество является горючим; при значении К меньше единицы (К < 1) – вещество негорючее.

 

В молекуле 2,2-диметилбутана С6Н14

n(C) = 6;   n(Н) = 14; 

 

К(С6Н14) = 4 × 6 + 14  = 38             

К > 1, следовательно, 2,2-диметилбутан С6Н14 – горючее вещество.

 

3.  Расчет характеристик горения

3.1.  Определение характера свечения пламени.

 

Решение

Характер свечения пламени при горении веществ зависит от процентного содержания элементов в веществе, главным образом, углерода, водорода, кислорода и азота.

Свечение пламени связано с наличием несгоревших  раскаленных твердых частиц углерода С, а также трехатомных молекул.

Сопоставляя значения процентного содержания углерода и кислорода в горючих веществах, можно приблизительно судить о характере свечения пламени.

При горении веществ, содержащих более 75 % углерода, при отсутствии кислорода, таких как, ацетилен С2Н2, бензол С6Н6, в нашем случае: 2,2-диметилбутан С6Н14  ([C]  = 83,7 %), в зоне горения образуется настолько много частиц С, что поступающего путем диффузии воздуха не хватает для полного окисления всего углерода.

                                       С6Н14   6С + 7Н2

Не окислившийся в пламени углерод выделяется в виде копоти, и пламя при горении 2,2-диметилбутана будет ярким и коптящим.

 

 

 

3.2.  Низшая теплота сгорания

  По формуле Д.И. Менделеева в кДж/кг.

 

Решение

Значения низшей теплоты сгорания веществ и материалов приведены в справочниках, а также могут быть рассчитаны по формуле Д.И.Менделеева.

QН = 339,4 [C] + 1257 [H]  - 108,9 { ([O] + [N]) - [S] } - 25,1 (9 [H] + [W]),   кДж/кг,

где:    [C], [H], [O], [N], [S], [W] - содержание (в процентах) углерода, водорода, кислорода,  азота, серы и влаги в горючем веществе.

Данная формула может быть использована для расчетов Qн веществ сложного элементного состава, а также для любых индивидуальных веществ

1. Для того, чтобы вычислить низшую теплоту сгорания                   2,2-диметилбутана, согласно приведённой формуле, необходимо знание процентного состава каждого элемента в веществе. В одной из предыдущих задач вычислено, что:

[C]  = 83,7 %

[H]  = 16,3 %

2. Подставляем известные значения в формулу Д.И. Менделеева.

QН(С6Н14) = 339,4×83,7+1257×16,3 - 25,1×9×16,3 = 45214,71 кДж/кг =

 = 45,2 МДж/кг = 45200 кДж/г

 

 

 

3.3. Уравнение реакции горения.

 

Решение

Реакция горения 2,2-диметилбутана С6Н14 выражается следующими уравнениями:

1) В кислороде:

С6Н14 + 9,5О2 = 6СО2 + 7Н2О

 

2) В воздухе (чаще):

С6Н14 + 9,5(О2 + 3,76 N2) = 6СО2 + 7Н2О + 35,72 N2

 

3.4.  Объем воздуха на горение (теоретический)

По уравнению реакции горения (для 1 кг горючего вещества при нормальных условиях).

Решение

1. Вычислим объём кислорода, затраченный на сгорание 1 моль 2,2-диметилбутана С6Н14 .

Согласно уравнению реакции на сгорание 1 моль вещества требуется 9,5 моль кислорода. Поскольку при  нормальных условиях 1 моль газа занимает объём 22,4 л (молярный объём), то объём кислорода количеством  n = 9,5 моль  равен:

V(О2) = nVM = 9,5∙22,4 = 212,8 л

 

2. Объём воздуха, содержащего 212,8 л кислорода:

В воздухе содержится 21 % кислорода (по объёму), исходя из известных данных составим пропорцию:

212,8 л  - 21%

  х л       - 100 %

V1(возд.) = 212,8∙100/21 = 1013,3 л

3. Рассчитаем сколько моль вещества содержится в 1 кг (1000 г) 2,2-диметилбутана С6Н14:

n(С6Н14) = m/M = 1000/86 = 11,63 моль

 

4. Рассчитаем объём воздуха, затраченный на сгорание 1 кг горючего вещества 2,2-диметилбутана С6Н14:

1 моль  С6Н14 сгорает в 1013,3 л воздуха

11,63 моль  (1 кг) С6Н14 сгорает в   у    л воздуха

V(возд.) = 11,63∙1013,3/1 = 11784,679 л = 11,8 м3

 

 

 

3.5. Объем и состав продуктов горения (теоретический)

По уравнению реакции горения (для 1 кг горючего вещества при нормальных условиях).

Решение

В случае индивидуального химического соединения объем и состав продуктов горения рассчитывается по уравнению реакции горения. Чаще всего горение происходит не в кислородной, а в воздушной среде:

С6Н14 + 9,5(О2 + 3,76 N2) = 6СО2 + 7Н2О + 35,72 N2

Исходя из решения предыдущей задачи: в реакцию вступило 11,63 моль 2,2-диметилбутана С6Н14, содержащихся в 1 кг 2,2-диметилбутана С6Н14. При этом образовались вода и углекислый газ (при условии, что вещество сгорело полностью, без копоти, поскольку нет дополнительных данных для иных путей расчёта).

1. Рассчитаем объём водяного пара, образовавшегося и улетучившегося при сгорании 2,2-диметилбутана С6Н14:

При сгорании 1 моль С6Н14 образуется 7 моль Н2О, следовательно:

при сгорании 11,63 моль образуется 11,63∙7 = 81,41 моль водяного пара.

 

При нормальных условиях 1 моль любого газа занимает объём 22,4 л, значит, объём водяного пара Н2О составил:

 V(H2O(г)) = 81,41∙22,4 = 1823,584 л или 1,82 м3

 

2. Рассчитаем объём углекислого газа СО2, выделившегося при сгорании 1 кг 2,2-диметилбутана С6Н14.

Рассуждаем аналогично предыдущему случаю:

1 моль  С6Н14 даёт 6 моль СО2, следовательно

11,63 моль  С6Н14 соответствует 11,63∙6 = 69,78 моль СО2

Объём углекислого газа СО2 равен:

 V(СО2) = 69,78∙22,4 = 1563,072 л = 1,56 м3

 

3. При горении в воздухе происходит выделение азота из состава воздуха, рассчитаем его объём, исходя из уравнения реакции горения:

1 моль  С6Н14 даёт 35,72 моль N2, следовательно

11,63 моль  С6Н14 соответствует 11,63∙35,72 = 415,42 моль N2

Объём азота N2 равен:

 V(N2) = 415,42∙22,4 = 9305,408 л = 9,31 м3

 

4. Рассчитаем общий объём продуктов горения (ПГ):

VПГ = V(Н2О(г)) + V(СО2) + V(N2) = 1,82 + 1,56 + 9,31 = 12,69 м3

 

5. Рассчитаем процентный (по объёму) состав продуктов горения:

φ(Н2О(г)) = = = 14,34 %

φ(СО2) = = = 12,29 %

φ(N2) =  = = 73,36 %

 

 

 

3.6. Стехиометрическая концентрация в паровоздушной смеси

3.6.1. Объемная концентрация (%).

3.6.2. Массовая концентрация (кг/м3, г/м3).

 

Решение

Стехиометрической концентрацией называется такая концентрация, когда реагирующие вещества взяты в эквивалентных отношениях, при этом коэффициент избытка воздуха a = 1.

Расчет стехиометрической концентрации производится по уравнению реакции горения индивидуального вещества. Общие формулы для вычисления объемной и массовой стехиометрической концентрации следующие:

jстехобъем ==   , %                                                                 

 

jстехмасс = , г/м3.                                                     

 

Уравнение реакции горения 2,2-диметилбутана: 

С6Н14 + 9,5( О2 + 3,76 N2 ) = 6СО2 + 7Н2О + 35,72 N2

 

3.6.1. Объемная концентрация  2,2-диметилбутана:

jстехобъем (С6Н14) = = = 2,16 %

 

3.6.2. Массовая концентрация (кг/м3, г/м3).

jстехмасс(С6Н14) =   = = 83,065 г/м3 (= 0,083 кг/м3)

 

 

3.7. Концентрационные пределы распространения пламени

 

Решение

Концентрационные пределы распространения пламени (область воспламенения) для газо- и паровоздушных смесей могут быть рассчитаны по следующей формуле     

                                      jН (В)  =     ;                            

где:

j Н(В)  - нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени ( НКПР и ВКПР ), %;

b - число молекул кислорода ( коэффициент перед кислородом в уравнении реакции горения вещества );

a и b - константы, имеющие  значения, приведенные в таблице 1.

Таблица 1.

 

Значения коэффициентов “а” и “b” для расчета