Исследование пожароопасных свойств метилового спирта

         Горение может происходить  не только при стехиометрическом  соотношении компонентов, но и при значительном отклонении от него. Как правило, в условиях пожара на сгорание вещества воздуха затрачивается больше, чем определяется теоретическим расчетом. Избыточный воздух DV_в в реакции горения не расходуется и удаляется из зоны реакции вместе с продуктами горения. Таким образом,  практический объем воздуха равен: 

                       V_в^пр = V_в^теор + DV_в 

и, следовательно, избыток воздуха будет равен: 

                       DV_в= V_в^пр - V_в^теор 

     Обычно  в расчетах избыток воздуха при  горении учитывается с помощью  коэффициента избытка воздуха (a). Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз в зону горения поступило воздуха больше, чем это теоретически необходимо для полного сгорания вещества:

       
 

         Для горючих смесей стехиометрического состава (т.е. состава, соответствующего уравнению реакции горения) коэффициент избытка воздуха a = 1, при этом реальный расход воздуха равен теоретическому. В этом случае обеспечивается оптимальный режим горения.

         При a > 1 горючую смесь называют бедной по горючему компоненту, а при a < 1 – богатой по горючему компоненту.

         Избыток воздуха  имеется только в смеси, бедной по горючему компоненту. Из формул (3.2) и (3.3) следует 

     DV_в= V_в^теор(a -1) 

         В закрытом объеме диффузионное горение большинства горючих  материалов возможно только до определенной пороговой концентрации кислорода, так называемой остаточной концентрации кислорода в продуктах горения j (О₂)^ПГ. Для большинства органических веществ она составляет 12 – 16 % О₂.  Для некоторых веществ, например, ацетилена С₂Н₂, ряда металлов, горение возможно и при значительно меньшем содержании кислорода (до 5 % объемных О₂).

         Зная содержание кислорода в продуктах горения, можно определить коэффициент избытка воздуха (коэффициент участия воздуха в горении) на реальном пожаре:

       

Расчет  выполняется двумя способами: по уравнению химической реакции и  по элементному составу вещества: 

1. способ 

 

Записываем уравнение реакции горения изобутилового спирта: 

         СН₄О + 1.5 (О₂ + 3,76·N₂) → СО₂ + 2Н₂О + 1.5·3,76·N₂ 

         По условию масса  изобутилового спирта равна 1 кг., условия нормальные, тогда: 

            m=1кг.           V_в. ^теор.-Х

         С₄Н₁₀О + 6 (О₂ + 3,76·N₂) → 4СО₂ + 5Н₂О + 6·3,76·N₂

         М=32кг/кмоль  1.5·4,76·V_m  

                        V_в^теор = 5 м³.

                        = =3,2 

                                    φ(О₂)^ПГ=14,4 % 

                         V_в^пр = V_в^теор × a =5*3.2 = 16 м³. 

                               DV_в= V_в^теор(a -1)=5·(3,2-1)=11 м³. 
 

2. способ 

Процентный  элемент состава изобутилового спирта: 

                w (С) =  37.5%;     w (Н) = 12,5%; w (О) =  50%; 

        Найдем объем воздуха  на горение по формуле для изобутилового спирта с известным процентным составом, тогда: 

         V_в^теор =

         = 5м³. 

                             V_в^пр = V_в^теор × a =5·3,2 = 16м³. 

                                   DV_в= V_в^теор(a -1)=5·(3,2-1)=11м³. 

Ответ: практический объем воздуха равен 16 м³, а теоретический

                объем воздуха равен 5 м³ при коэффициенте избытка воздуха

              равном 3,2. 
 

         2.3. Объём и состав  продуктов полного  сгорания.

         Состав продуктов  горения зависит от химической природы  горючего материала и условий его горения. Практически всегда органические вещества горят с образованием продуктов полного и неполного горения.

         К продуктам полного сгорания относятся: углекислый газ, образующийся при горении углерода, разложении карбонатов; водяной пар, образующийся при горении водорода и испарении влаги в исходном веществе; оксид серы (IV) SO₂ и азот – продукты горения соединений, содержащих серу и азот.

         Продукты  неполного сгорания – это оксид углерода (II) – угарный газ СО, сажа С, продукты термоокислительного разложения – смолы.

         Неорганические вещества сгорают, как правило, до соответствующих  оксидов.

         Выход продуктов  горения количественно установить невозможно из-за чрезвычайной сложности их состава, поэтому материальный баланс процесса горения рассчитывается из предположения, что вещество сгорает полностью до конечных продуктов. При этом в состав продуктов горения включают также азот воздуха, израсходованного на горение, и избыток воздуха при a > 1.

         Как и в случае расчета объема воздуха, необходимого для горения,  свои особенности имеет расчет продуктов горения для индивидуальных веществ, смеси газов и веществ с известным элементным составом. 

            m=1кг.                                                        Х₁            Х₂                 Х₃

         СН₄О + 1.5 (О₂ + 3,76·N₂) → СО₂ + 2Н₂О + 1.5·3,76·N₂

         М=74,12кг/кмоль                                        V_m          2·V_m        1.5·3.76·V_m 
 

                           V_ПГ  =  6 м³. 

         Избыток воздуха  определим по формуле (3.4): 
 

                                 DV_в= V_в^теор(a -1)=8,63·(3,5-1)=21,6м³. 

         С учетом избытка  воздуха практический объем продуктов  горения составит: 

                            V_ПГ^* = V_ПГ + DV_в = 6 + 11 = 17 м³. 

         По уравнению реакции  определяем объем СО₂, Н₂О и N₂. 

                                   V(СО₂) = х₂ = = 0.7 м³ 

                                  V(Н₂О) = х₃ = = 1,4 м³ 

                                   V(N₂) = х₄ = =3.95 м³  

          

                                            DV_в=11м³ (рассчитано).

         Объемная концентрация каждого компонента смеси рассчитывается следующим образом: 

                              j^об (СО₂) = =   = 4.1 % 

                              j^об (Н₂О) = =   = 8.2 % 

                               j^об (N₂) = = =23.2 % 

                                      j^об (О₂) = = =50.8 %     

                               j^об (DV_в) = =   = 64.7% 

         Проверка:

                   ∑φ^об. = 100 % ± 1 %. 4.1+8.2+23.2+64.7 = 100 %, 

Ответ:  теоретический объем продуктов горения составил 6 м³,а    практический     объем    продуктов горения- 17 м³.  В процентном  составе         СО₂- 4.1 %,  Н₂О- 8.2%, N₂- 23.2%, DV_в – 64.7% 
 
 

2.4. Низшая теплота  горения. 

         Энтальпией  горения (DН_гор, кДж/моль) вещества называется тепловой эффект реакции окисления 1 моль горючего вещества с образованием высших оксидов.

         Теплота горения (Q_гор) численно равна энтальпии горения, но противоположна по знаку.

               В пожарно-технических  расчетах часто пользуются понятием удельной теплоты горения. Удельная теплота горения – это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества. Размерность удельной теплоты горения – кДж/кг или кДж/м³. 

         В зависимости от агрегатного состояния воды в  продуктах горения различают  низшую и высшую теплоту горения. Если вода находится в парообразном состоянии, то теплоту горения называют низшей теплотой горения Q_н. Если пары воды конденсируются в жидкость, то теплота горения – высшая Q_в.

         Температура пламени  достигает 100 К и выше, а вода кипит  при 373 К, поэтому в продуктах горения  на пожаре вода всегда находится в парообразном состоянии, и для расчетов в пожарном деле используется низшая теплота горения Q_н.

         Низшая теплота  горения индивидуальных веществ  может быть определена переводом значения DН_гор, кДж/моль в Q_н, кДж/кг или кДж/м³. Для веществ сложного элементного состава низшая теплота горения может быть определена по формуле Д.И. Менделеева. 
 
 

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