Вопрос № 1. Расчет теплового эффекта реакции горения (50 мин.)

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ

по дисциплине "ХИМИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ"

Для специальности 280705.65 – пожарная безопасность

СМК-УМК 4.4.2-40-2013

Тема 1.: Физико-химическая природа процессов горения

 

Занятие № 1.4: Температура горения (6 час.)

 

 

	Должность	Фамилия/ Подпись	Дата
Разработал	Проф.каф.ФХОПГиТ, к.х.н., доц.	Коробейникова Е.Г.
Проверил	Зам. начальника каф. ФХОПГиТ, к.т.н	Кожевин Д.Ф.

I. Цели занятия

1. Учебная: обучение и закрепление основных принципов расчетов тепловых эффектов реакций и температуры горения

2. Воспитательная: воспитывать у обучающихся ответственность за подготовку к практической деятельности; стремление к углубленному освоению материала по теме занятия; обучение методам самостоятельной работы с учебными материалами.

II. Расчет учебного времени

№	Основные вопросы	Содержание вопросов, методика проведения	Время
	ВВОДНАЯ ЧАСТЬ	Принятие доклада, проверка наличия слушателей, объявление темы занятия и основных вопросов. Тестирование, опрос.
	ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
	Учебные вопросы
1.	Расчет теплового эффекта реакции горения	Преподаватель объясняет алгоритм решения задач 1.1 Расчет теплового эффекта реакции по 1 следствию закона Гесса. 1.2. Расчет теплового эффекта реакции по формуле Менделеева Далее курсанты самостоятельно решают подобные задачи
2.	Расчет температуры горения	Преподаватель объясняет алгоритм решения задач 2.1 Расчет температуры горения индивидуальных веществ; 2.2. Расчет ТГ для веществ сложного элементного состава. Далее курсанты самостоятельно решают подобные задачи
	ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	Преподаватель характеризует работу курсантов на занятии, отвечает на вопросы. Курсанты записывают в тетрадь задание на самоподготовку по теме занятия. Преподаватель объявляет правила выполнения задания и срок его сдачи.

 

III. Учебно-материальное обеспечение

1. Технические средства обучения: мультимедийная система, компьютерная техника, интерактивная доска.

2. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева, демонстрационные плакаты, схемы.

 

IV. Методические рекомендации преподавателю

По подготовке и проведению практического занятия

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ (23 мин.)

Преподаватель проверяет наличие слушателей (курсантов), объявляет тему, учебные цели и вопросы занятия, последовательность их отработки, ориентировочное время выполнения задания и напоминает, что к концу занятия каждый слушатель должен выполнить.

Проводится тестирование, опрос.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ (235 мин.)

Тепловое воздействие – один из наиболее опасных факторов пожара, который вызывает основные разрушения, уничтожает материальные ценности, вызывает гибель людей, определяет обстановку на пожаре, создает огромные трудности при его ликвидации. Расчет тепловых явлений, сопровождающих горение, позволяет принять правильные и своевременные меры противопожарные защиты.

 

Уравнение теплового баланса процесса горения

Тепловой баланс процесса горения складывается из следующих составляющих:

Приход:

Основная статья приходной части теплового баланса – это теплота горения вещества Q_гор.

Вторая составляющая – Q_исх – теплота исходных веществ, т.е. теплосодержание горючего и окислителя. Эта величина зависит от агрегатного состояния и химической природы горючего. Например, для метана Q_исх < 1 %, а для древесины» 3%.

Расход:

Q_ПГ – теплота, уходящая с продуктами горения. Так как продукты горения создают конвективный поток над пламенем, то Q_ПГ называют также теплотой конвекции или конвективной теплотой. Q_ПГ колеблется в пределах 35 – 95 % от Q_гор.

Q_{недожог} – это часть химической энергии исходного горючего вещества, заключенная в продуктах неполного горения, уходящих из пламени. В зависимости от условий газообмена и вида горючего. Q_{недожог} составляет 5 – 25 % от Q_гор.

Q_излуч – теплота излучения пламени. Небольшая часть ее уходит с конвективным потоком, а также падает на горящую поверхность, основная часть излучается в окружающую среду. Величина Q_излуч достигает до 40 % от Q_гор.

С учетом перечисленных составляющих уравнение теплового баланса процесса горения будет выглядеть следующим образом:

 

Q_исх + Q_гор = Q_ПГ + Q_{недожог} + Q_излуч (1)

^{______________ ____________________________}

приход расход

 

Анализ этого уравнения показывает, что практически единственным источником тепловой энергии любого процесса горения, а значит, и любого пожара, является тепловой эффект химических реакций окисления в пламени, т.е. теплота горения, которая относится к важнейшим характеристикам пожарной опасности веществ и материалов.

 

Вопрос № 1. Расчет теплового эффекта реакции горения (50 мин.)

 

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.

Для индивидуальных веществ тепловой эффект реакции может быть рассчитан по I следствию закона Гесса.

 

Расчет теплового эффекта реакции горения индивидуального вещества

Пример 1. Рассчитать тепловой эффект реакции горения 1 моль бутана С4Н10.

 

1. Запишем уравнение реакции горения бутана.

С₄Н₁₀ + 6,5(О₂ +3,76 N₂) = 4СО₂ + 5Н₂О + 6,5×3,76 N₂

 

2. Выражение для теплового эффекта этой реакции по I следствию закона Гесса

DН⁰_р-и = 4DН⁰(СО₂) + 5DН⁰(Н₂О) - DН⁰(С₄Н₁₀).

 

3. По таблице 1 приложения находим значения энтальпий образования углекислого газа, воды (газообразной) и бутана.

DН⁰(СО₂) = -393,5 кДж/моль; DН⁰(Н₂О) = - 241,8 кДж/моль;

DН⁰(С₄Н₁₀) = - 126, 2 кДж/моль.

Подставляем эти значения в выражение для теплового эффекта реакции

DН⁰_р-и = 4×(–393,5) + 5×(–241,8) – (- 126,2) = - 2656,8 кДж

DН⁰_р-и = DН⁰_гор = - 1656,8 кДж/моль или Q_гор = + 2656,8 кДж/моль.

 

Таким образом, при сгорании 1 моля бутана выделяется 2656,8 кДж тепла.

 

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. Кроме того, для многих веществ значения низшей теплоты горения приведены в справочной литературе [ ], некоторые данные представлены в приложении 2.

 

Перевод значения энтальпии горения из кДж/моль в кДж/кг

Пример 2. Энтальпия горения этилацетата СН3СООС2Н5 равна DНгор = - 2256,3 кДж/моль. Выразить эту величину в кДж/кг.

 

Значение DН_гор = - 2256,3 кДж/моль показывает, что при сгорании 1 моля этилацетата выделяется 2256,3 кДж тепла, т.е. Q_гор = + 2256,3 кДж/моль.

1 моль СН₃СООС₂Н₅ имеет массу 88 г. Можно составить пропорцию

 

М (СН₃СООС₂Н₅) = 88 г/моль ¾ Q_гор = 2256,3 кДж/моль

1 кг = 1000 г ¾ Q_н кДж/кг

 

кДж/кг

 

В общем виде формула для перевода из размерности кДж/моль в кДж/кг выглядит следующим образом:

 

; кДж/кг (2)

 

Если необходимо осуществить перевод из размерности кДж/моль в кДж/м³, то можно воспользоваться формулой

, кДж/м³. (3)

 

Расчет низшей теплоты сгорания Qн по формуле Д.И. Менделеева

Пример 3. Вычислить низшую теплоту сгорания сульфадимезина С12Н14О2N4S по формуле Д.И. Менделеева.

 

Значения низшей теплоты сгорания веществ и материалов могут быть рассчитаны по формуле Д.И.Менделеева. Данная формула может быть использована для расчетов Q_н веществ сложного элементного состава, а также для любых индивидуальных веществ, если предварительно рассчитать массовую долю каждого элемента в соединении (w).

 

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,

(4)

где

w (С), w (Н), w (S), w (О),w (N) – – массовые доли элементов в веществе, %; w (W) – содержание влаги в веществе, %.

 

1. Для того, чтобы воспользоваться данной формулой, необходим расчет процентного состава каждого элемента в веществе (массовой доли).

Молярная масса сульфадимезина С₁₂Н₁₄О₂N₄S составляет 278 г/моль.

 

w(C) = (12×12)/278 = 144/278 = 0,518 ×100 = 51,8 %

w(H) = (1×14)/278 = 14/278 = 0,05 ×100 = 5,0 %

w(O) = (16×2)/278 = 32/278 = 0,115 ×100 = 11,5 %

w(N) = (14×4)/278 = 56/278 = 0,202 ×100 = 20,2 %

w(S) = 100 – (51,8 + 5,0 + 11,5 + 20,2) = 11,5 %

 

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

Q_Н = 339,4×51,8+1257×5,0-108,9×(11,5+20,2-11,5)-25,1×9×5,0 = 22741 кДж/кг.

 

Теплота горения смеси газов и паров определяется как сумма произведений теплот горения каждого горючего компонента (Q_н) на его объемную долю в смеси (j^об):

 

Q_н = , кДж/м³. (5)

 

Можно воспользоваться эмпирической формулой для расчета Q_н для газовой смеси:

Q_н = 126,5×j(СО) + 107,7×j(Н₂) + 358,2×j(СН₄) + 590,8×j(С₂Н₄) + 636,9×j(С₂Н₆) +

+ 913,4×j(С₃Н₈) + 1185,8×j(С₄Н₁₀) + 1462,3×j(С₅Н₁₂) + 234,6×j(Н₂S), кДж/м³ (6)

 

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: