Каталог

Помощь

Корзина

Теория горения и взрыва. Номер задания - 8. Номер варианта - 0. Задачи 2, 3, 5, 8, 9, 11, 13

Оригинальный документ?

Задача 2

Рассчитать объем воздуха и состав продуктов горения при сгорании горючего газа (водорода- Н2) при заданных условиях (температура T=100 C, объем V=10 м3), если горение происходит при избытке воздуха α=1,3.

Решение:

Сгорает индивидуальное горючее вещество, находящееся в газообразном состоянии.

1.  Запишем уравнение реакции горения водорода:
{Для практических расчетов принимаем, что воздух состоит из 21% кислорода и 79 % азота. Таким образом, объемное соотношение азота и кислорода в воздухе составит:

1. Запишем уравнение реакции горения водорода Для практических расчетов

где Формула -  соответственно объемное  (% об.) содержание азота и кислорода в окислительной среде.

Следовательно,  на 1 м3   (кмоль)   кислорода   в  воздухе   приходится 3,76 м3 (кмоля) азота}

Таким образом, уравнение примет вид: Н2+0,5(O2+3,76N2)→Н2О+0,5*3,76N2

2. Рассчитаем теоретический объем воздуха в расчете на 1 м3 горючего вещества

при нормальных условиях:

при нормальных условиях=(0,5+0,5*3,76)*22,4/1*2=7,48 3/кг)

Действительный объем воздуха при нормальных условиях с учетом коэффициента избытка воздуха α найдем по формуле: VВ=α*Формула

V возд(действ)=α*V возд(теор)=1,3*7,48=9,724(м3/кг)

3. Избыток воздуха составит: ΔVв= V возд(действ)- V возд(теор)=9,724-7,48=2,244 (м3/кг)

4. Находим теоретический объем продуктов сгорания для индивидуального горючего вещества в газообразном состоянии:

V пг(теор)=(1+1,88)/1=2,88 (м3/кг)

5. Учитывая коэффициент избытка воздуха α, а также то, что в реакции учавствует 10 м3 водорода, находим действительные объемы воздуха и продуктов сгорания:

Vв (действ)=7,69*10=769 (м3/кг)

Vв (теорет)=769/1,3=591,54 (м3/кг)

V пг(теор)=2,88*10=288 (м3/кг)

V пг(действ)= V пг(теор )+(α-1) V возд(теор)= 288+0,3*591,54=465,42 (м3/кг)

6.  Рассчитаем состав продуктов горения:

%Н2О=n(H2O)*100%/(n(H2O)+n(N2))=1*100%/(1+1.88)=34.72%

%N2= n(N2)*100%/(n(H2O)+n(N2))=1.88*100%/(1+1.88)=65.23%

Ответ: на сгорание 10 м3 водорода необходимо 769 м3 воздуха, при этом образуется 465,42 м3 продуктов горения, из которых H2O-34.72%,  N2-65,23%

  

Задача 3

Определить объем и состав продуктов  горения (в об.%) смеси газов объемом 3 м3, если горение происходит при коэффициенте избытка воздуха  α=1,3.

Состав смеси:

Оксид водорода (Н2О)-5%

Водород (Н2)-5%

Метан (СН4)-60%

Углекислый газ (СО2)-25%

Решение:

Кислород (О2)-5%

Горючее - смесь газов, поэтому для расчета теоретического объема воздуха, пошедшего на горение, воспользуемся формулой  РешениеКислород О2-5. Для определения стехиометрических коэффициентов при кислороде РешениеКислород О2-5 запишем уравнение реакций горения горючих компонентов в кислороде

СH4+2(О2+3,76N2)→СО2+2H2O+2*3.76N2

Н2+0,5(O2+3,76N2)→Н2О+0,5*3,76N2

тогда     Н20,5O23,76N2Н2О0,53,76N2=(2*60+0,5*5-5)/21 =   5,59 м33.

Для горения 3 м3 газовой смеси необходимый теоретический объем воздуха составит  Формула=3*5,59=16,77 м3. Практическое количество воздуха: VВ =1,3* Формула = =1,3*16,77= 21,8 м3.

Теоретический объем продуктов  горения    Vпг(теор)=((1+2+7,52)*60/100) + ((1+1,88)*5/100)+30/100=6,312+0,144+0,3=6,756 м3.

Практический (полный) объем продуктов горения состоит из теоретического объема продуктов горения и избытка воздуха

  Практический полный объем продуктов горения состоит из теоретического объема                                                         

Объем продуктов горения определим по формуле:

V(CO2)=1*(1*60+25)/100=0.85 м3/м3;

 V(H2O)=1*(2*60+1*5+5)/100=0.7 м33.

Так как газовая смесь содержит в составе кислород, он будет окислять часть горючих компонентов, следовательно, понизится расход воздуха.

В этом случае теоретический объем азота удобнее определять по формуле:

V(N2)=0.179*(2*60+0.5*5-5)/21=1 м33.

Теоретический объем продуктов горения

V(пг)0=0,85+0,7+1=2,55 м33.

Практический объем продуктов горения равен:

V(пг)= V(пг)0+Практический объем продуктов горения равен(α-1)=2,55+5,59*0,3=4,227 м33.

Ответ: Vпг(теор)= 6,756  м33,  Vпг(практ)= 4,227 м33.

 

 

Задача 5

Методом последовательных приближений рассчитать адиабиатическую температуру горения для стехиометрической смеси горючего вещества с воздухом

Горючее вещество- Бутанол-1 

Химическая формула - С4Н10O

Решение:   Адиабиатическую температуру горения вещества находим при условии отсутствия теплопотерь (η=0), для стехиометрической смеси горючего с воздухом, т.е. при α=1.

1. Для определения состава и объема продуктов горения запишем уравнение химической реакции горения бутилового спирта (бутанол-1):

С4Н10O+6(О2+3,76N2)→4CO2+5H2O+6*3.73N2

2. Объем продуктов горения составляет:  V(CO2)=4 моль/моль, V(Н2О)=5 моль/моль,  V(N2)=6*3.76=22.56 моль/моль. Объем продуктов горения: V=31.56 моль/моль.

3. Рассчитаем  низшую теплоту сгорания бутилового спирта по следствию из закона Гесса:

Qн = -(ΔH(CO2)*n(CO2) + ΔH(H2O) * n(H2O) -  ΔH(C4H10O)*n(C4H10O)) = -(4*(-396.9)+5*(-242.2)-(-332.18)) =

= -(-1587,6-1211+332.18) = 2466,42 (кДж/моль)

4. Так как теплопотери отсутствуют, то все выделившееся тепло идет на нагрев продуктов горения. Среднее теплосодержание 1 моля продуктов горения Hср будет составлять:

H ср=Qн/V=1672.62/31.56=53 (кДж/моль)

5. Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры (данные из приложения), можно установить, какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать, ориентируясь на азот, так как его больше  всего в продуктах горения. При температуре 22000 С теплосодержание азота 74,1 кДж/моль . Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до этой температуры.

При Т1 = 22000 С   Qн1 = H(CO2)*V(CO2)+ H(H2O)*V(H2O)+H(N2)*V(N2) = 4*120.8+5*98.8+22.56 *74.1 =

= 483.2+494+1671.7=2648.9 (кДж/моль)

Но это больше, чем выделилось тепла  в результате реакции горения Qн1≥ Qн, поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 22000 С. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов горения до 21000 С.

Qн2 =114,7*4+ 93,4*5+70,4*22,56 = 458,8+467+1588,2=2514 (кДж/моль)

Но и Qн2≥ Qн, значит Т2<21000 С.

При температуре  20000 С      Qн3 =108,6*4+ 88,1*5+66,8*22,56 = 434,4+440,5+1507=2381,9 (кДж/моль)

Qн3 уже меньше, чем Qн. Из этого можно сделать вывод о том, что температура горения бутанола-1 имеет значение между 20000 С и 21000 С. Уточним эту температуру линейной интерполяцией  между двумя этими ближайшими значениями:

 Т2=Т3+(Т2-Т3)*(Qн-Qн3)/( Qн2-Qн3)=2000+(2100-2000)*(2466,42-2381,9)/(2514-2381,9)=2000+8452/132,1=20640 С или 2337К

Ответ: Адиабиатическая температура горения бутанола-1 составила 20640 С или 2337К

 

Задача 8

Рассчитать концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) сложного состава  смеси (СH4- 45%, H2-25%, H2O-5%, C3H8-25%)  при заданных условиях среды (Т=350 С, Р=110кПа):

Решение:

СH4+2(О2+3,76N2)→СО2+2H2O+2*3.76N2, b=2

Н2+0,5(O2+3,76N2)→Н2О+0,5*3,76N2b=0,5

C3H8+5(O2+3,76N2)=CO2+4H2O+5*3,76N2, b=5

b<7,5

Для расчета концентрационных пределов воспламенения смесей горючих газов используют правило Ле-Шателье:

Для расчета концентрационных пределов воспламенения смесей горючих газов,

где  Формула - нижний (верхний) КПВ смеси газов, % об.; 

jн(в)i - нижний (верхний) предел воспламенения i-го горючего газа %, об.; 

mi - мольная доля i-го горючего газа в смеси.

mi - мольная доля i-го горючего газа в смеси=110/101,3=1,086

Значения КПРП индивидуальных веществ – метана, водорода  и пропана выбираем по таблице (приложение)

Для метана 5-15%

Для водорода 4-74,2%

Для пропана 2,37-9,5%

Рассчитываем КПРП по формуле Ле-Шателье:

Ψ1=1/(0,45/5*1,086+0,25/4*1,086+0,25/2,37*1,086)=1/(0,08+0,0575+0,097)=1/0,2345=4,26%

Ψ2=1/(0,45/15*1,086+0,25/74,2*1,086+0,25/9,5*1,086)=1/(0,027+0,0031+0,024)=1/0,0541=18,484%

По формулам пересчитываем значения КПРП при температуре 35+273=3080 С:

Ψ11= Ψ1*(1-(Т-298)/1250)=4,26*(1-10/1250)=4,26*0,9=3,834%

Ψ22= Ψ2*(1+(Т-298)/800)=18,484*(1-10/800)=18,484*0,9875=18,253%

Ответ: КПРП газовой смеси при 350 С составляют 3,834-18,253%.

 

  

Задача 9

Рассчитать минимальную флегматизирующую концентрацию инертного разбавителя, об.%, исходя из минимальной адиабатической температуры горения паровоздушной смеси вещества А (пропиловый спирт) при разбавлении ее флегматизатором Ф (диоксид углерода), а также минимальное взрывоопасное содержание кислорода и безопасную концентрацию кислорода.

Решение:

1. Минимальную флегматизирующую концентрацию находим из условия минимальной адиабатной температуры горения стехиометрической пропанол-воздушной смеси, гдеТr=1500K

Низшую теплоту сгорания пропилового спирта (пропанол-1) находим по табл. из приложения

Qн=1852 кДж/моль

С3H7OH+4.5(О2+3,76N2)→3CO2+4H2O+4.5*3.76N2

Объем флегматизатора: Vф = (1852 –(1500-273)*(3*5,08*10-2 + 4*3,99*10-2 + 4.5*3,76*3,18*10-2))/(1500-273)*5,08*10-2=1852-1227*(0,1524+0,1596+0,538) / (1227*0,0508)=1852-1227*0,85/62,332=1852-1042,95/62,332=809,5/62,332=12,98

Минимальная флегматизирующая концентрация в стехиометрической  смеси составит:

Ψф= Vф*100/(1+4,5+4,5*3,76+ Vф)=12,98*100/35,4=36,667%

Концентрация горючего в точке флегматизации:

 Ψгф= Vг*100/35,4=1*100/35,4=2,82%

КПРП пропанола в воздухе 2,1-13,5 об.%. По полученным данным строим зависимость КПРП от концентрации флегматизатора (рис.1)

2. Минимальное взрывоопасное содержание кислорода -МВСК (концентрация кислорода в точке флегматизации) определяется отношением:

Ψо2ф=(100- Ψф )/4,844=63,333/4,844=13,07%

3. Значение безопасной концентрации кислорода для пропанол-воздушной смеси с водяным паром составит: Ψо2без=1,2 Ψо2ф-4,2=1,2*13,07-4,2=11,484%

Ответ: 1. Ψф=36,667%, Ψгф=2,82%, 2. Ψо2ф=13,07%, 3. Ψо2без=11,484%.

Рисунок 1 к задаче 9

Рисунок 1 (к задаче 9)


Задача 11

Рассчитать температуру вспышки или температуру воспламенения горючей жидкости по формуле В.И.Блинова. Сравнить найденное значение с экспериментальным, взятым из справочника.

Жидкость- пропанол

Хим.формула-С3Н8O

Параметр-температура вспышки (з.т.)

Решение:

1. Находим значение коэффициента n. Для этого составляем уравнение реакции горения пропанола:

С3Н7ОН +4,5 (О2 +3,76N2)→ 3СО2 + 4 Н2О   + 4,5*3,76 N2

Откуда n=4,5

2. Вычисляем произведение: T всп P пп =А/Д0 n.

При определении Твсп в закрытом тигле параметр А=28 (К*Па*м2)/с

Поэтому Tвсп Pнп =28/8*10-6*4,5=0,777*106=777777,777 Па*К=777,77 кПа*К

3. Найдем такую температуру, при которой произведение РТ будет равно 777,77 кПа*К. Тогда найденное значение температуры будет соответствовать температуре вспышки. Воспользуемся для этого зависимостью насыщенного пара от температуры жидкости (таблица приложения).

Для пропанола-1  (н-пропиловый спирт)

при Т1=287,7К давление паров составляет Р1=1,333кПа, а Р1Т1=383,5кПа*К. Это меньше, чем T всп P всп

при Т2=298,3К давление паров составляет Р2=2,666кПа, а Р2Т2=795,27кПа*К. Это уже больше, чем T всп P всп.

Значит, Твсп имеет значении между Т1 и Т2. Найдем его методом интерполяции:

Твсп=Т1+(Т2-Т1)*(РнпТвсп-Р1Т1)/(Р2Т2-Р1Т1)=287,7+(298,3-287,7)*(777,77-383,5)/(795,27- 83,5)=287,7+10,6*394,277/411,77=287,7+10,15 = 297,85 К

Сравнение полученного значения с экспериментальным (296 К) показывает, что погрешность расчета по формуле В.И.Блинова составляет всего 1,85К.

Ответ: температура вспышки пропанола 297,85К



Задача 13

Сферический заряд ТНТ (тринитротолуол) массой W=28 кг взрывается при стандартных атмосферных условиях. Найти параметры падающей и нормально отраженной взрывной волны на расстоянии R =20 м от центра взрыва.

Решение:

1. Найдем параметр расстояния Z для R=20м

Z=R/W 1/3

Z=20/28 1/3=20/2.72=7,385 10 (м/кг 1/3)

2. С помощью номограммы №1 найдем параметры падающей взрывной волны. По шкале Z находим значение  101 и ведем вертикальную прямую вверх до пересечения с кривой Ps, после чего ведем перпендикуляр на ось Ps  и находим Ps=104 Па.

Аналогично ищем пересечение с кривыми   is/W1/3 ,   ta/W1/3 , Ts /W1/3   и на соответствующих шкалах  находим их значения. Для этого определяем цену деления и количество делений. При этом is/W1/3  =25 Па*с/кг1/3 (цена деления = (102-101)/12=7,5  Па*с/ кг1/3 , 2 деления)

Ts/ W1/3   = 0,021 с/ кг1/3 (цена деления = (10-1-10-2)/12=7,5 *10-3 Па*с/ кг1/3 , 1,5 деления)

ta/  W1/3   = 5.5* 10-3  с/ кг1/3 (цена деления =(10-2-10-3)/12=7,5 *10-4 Па*с/ кг1/3 6 делений).

Отсюда is ,   ta , Ts составят соответственно 75 Па*с, 0,0165*с, 0,063*с.  

3. С помощью номограммы №2 аналогично определяем параметры отраженной ударной волны: Pr=2.5*104 Па,  ir/W1/3 =55c/ кг1/3 отсюда ir=165 Па*с.

Ответ: is=75 Па*с,  ta =0,0165*с, Ts = 0,063*с, Ps=104 Па., Pr=2.5*104 Па, ir=165 Па*с.