Горение газо- и паровоздушных смесей

 

Расчет концентрационных пределов распространения пламени

Пример 4.1. Рассчитать КПР газа пропана С3Н8.

 

 

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

, %, (4.1)

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 4.1.

 

Таблица 4.1. Значения коэффициентов “ а ” и “ b ” для расчета концентрационных пределов распространения пламени

 

КПР	а	b
НКПР	8,684	4,679
ВКПР
b£ 7,5	1,550	0,560
b> 7,5	0,768	6,554

 

 

1. Составляем уравнение реакции горения этанола.

С₃Н₈ + 5(О₂ + 3,76 N₂) =3СО₂ + 4Н₂О + 5· 3,76 N₂

b = 5

2. j_н = НКПР = 2,07 %

 

j_в = ВКПР = 12,03%

 

Расчет безопасных концентрации газов и паров с использованием коэффициентов безопасности

Пример 4.2. Газоанализатор показал наличие 0,3 % паров амилацетата СН3СООС5Н11. Можно ли проводить сварочные работы?

 

Значения НКПР И ВКПР следует применять при расчетах безопасных концентраций газов и паров с использованием коэффициентов безопасности:

j_г.без. £ , где (4.2)

j_г.без. – безопасная концентрация горючих газов, паров или пылей, % объемных;

j _н – НКПР, % объемных;

К_б – коэффициент безопасности.

1. При расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей внутри технического оборудования, трубопроводов, вентиляционных систем.

К_б = 2.

2. При расчете предельно-допустимых взрывобезопасных концентраций газов, парво, пылей в воздухе рабочей зоны с потенциальными источниками зажигания

К_б = 20.

 

 

1. Составляем уравнение реакции горения амилацетата.

СН₃СООС₅Н₁₁ + 9,5(О₂ + 3,76 N₂) =7СО₂ + 7Н₂О + 9,5· 3,76 N₂

b = 9,5

2. j_н = НКПР = 1,14 %

 

3. Рассчитаем безопасную концентрацию:

j_г.без. = 0,05 %

0,3 > 0,05, следовательно, проводить сварочные работы нельзя.

 

Расчет стехиометрической концентрации

Пример 4.3. Рассчитать стехиометрическую концентрацию пропана С3Н8 в % объемных и г/м3 при температуре 250С и давлении 95 кПа.

 

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:

 

j_стех^объем = , % (4.3)

 

j_стех^масс = , г/м³. (4.4)

 

1. Уравнение реакции горения пропана.

 

С₃Н₈ + 5(О₂ + 3,76 N₂) = 3СО₂ +4Н₂О + 5· 3,76 N₂

b = 5

 

j_стех^объем = = 4,03 %

 

2. Молярная масса М (С₃Н₈) = 46 г/моль (кг/кмоль);

 

V_м = = 26,1 м³/кмоль

j_стех^масс = = 71,0 г/м³.

 

 

Расчет коэффициента избытка воздуха a на jн и jв

Пример 4.4. Рассчитать значение коэффициента избытка воздуха a для реакции горения пропана С3Н8 при концентрации газа, равной jн и jв.

 

 

1. В примере 7.1. были рассчитаны значения НКПР и ВКПР для пропана.

 

j_н = 2,07 %; j_в = 12,03%.

 

Это означает, что в 100 м³ пропано-воздушной смеси на НКПР содержится

2,07 м³ пропана и 97,93 м³ воздуха (V_в^пр); на ВКПР – 12,03 м³ пропана и 87,97 м³ воздуха.

 

2. Для НКПР рассчитаем теоретический объем воздуха, необходимый для сгорания 2,07 м³ пропана.

 

2,07 м³ х м³

С₃Н₈ + 5(О₂ + 3,76 N₂) = 3СО₂ +4Н₂О + 5· 3,76 N₂

V_м м³ 5×4,76×V_м м³

 

х = V_в^теор = 2,07 × 5 × 4,76 = 49,27 м³

 

3. Коэффициент избытка воздуха на нижнем концентрационном пределе распространения пламени составит

a = = 1,99

 

3. Аналогично рассчитаем для ВКПР V_в^теор и соответствующее значение a:

 

12,03 м³ х м³

С₃Н₈ + 5(О₂ + 3,76 N₂) = 3СО₂ +4Н₂О + 5· 3,76 N₂

V_м м³ 5×4,76×V_м м³

 

х = V_в^теор = 12,03 × 5 × 4,76 = 286,31 м³

 

a = = 0,31

 

Формула (4.1.) для расчета концентрационных пределов распространения пламени справедлива при температурах среды близкой к 20⁰С. Как было указано выше, КПР не являются постоянной величиной и зависят от многих факторов. С повышением температуры область КПР расширяется, и, следовательно, для повышенных температур необходимо производить расчет с учетом изменения температуры.

Приближенно это можно сделать с помощью следующих формул:

 

j_н(t) = j_н × (4.6)

 

j_в(t) = j_в × , где (4.7)

 

 

j_н, j_в – концентрационные пределы распространения пламени, рассчитанные или определенные экспериментально при ~ 20⁰С;

j_н(t),j_н(t) – концентрационные пределы распространения пламени при температуре Т;

1550 К, 1100 К – температура горения соответственно на НКПР и ВКПР.

 

Расчет КПР при повышенных температурах

Пример 4.5. Рассчитать КПР газа пропана С3Н8 при 3000С.

 

1. В примере 7.1. были рассчитаны значения НКПР и ВКПР для пропана при 20⁰С:

 

j_н = 2,07 %; j_в = 12,03%.

 

2. С учетом заданной температуры КПР составят:

 

j_н(t) = 2,07 × = 1,61 %

j_в(t) = 12,03 × = 16,20 %

Для определения КПР смесей газов и паров можно воспользоваться формулой Ле Шателье:

 

j_н(см) = , % (4.7)

 

j_в(см) = , % где (4.8)

 

j_н(см), j_н(см) – концентрационные пределы распространения пламени смеси;

j_н1, j_н2, j_н3 - НКПР каждого компонента газовой смеси;

j_в1, j_в2, j_в3 - ВКПР каждого компонента газовой смеси.

Расчет КПР газовой смеси

Пример 4.6. Рассчитать КПР смеси газов следующего состава:угарный газ СО – 10 %; водород Н2 – 60 %; метан СН4 – 30 %.

 

1. Определяем НКПР и ВКПР каждого горючего компонента (по справочным данным или расчетным путем):

 

для угарного газа j_н = 12,5 %; j_в = 74 %

для водорода j_н = 4 %; j_в = 75 %

для метана j_н = 5 %; j_в = 15 %

 

2. Определяем НКПР и ВКПР для смеси газов по формулам (4.6) и (4.7):

 

j_н(см) = = 4,58 %

 

j_в(см) = = 34 %.

При взрыве газо- и паровоздушных смесей протекает кинетическое горение в замкнутом объеме. Давление, развиваемое при взрыве в этих условиях, зависит от соотношения числа молей продуктов горения, числа молей исходных веществ и температуры взрыва. Для большинства горючих веществ давление при взрыве лежит в пределах 0,6 – 1 МПа.

Наименьшее давление при взрыве развивается при концентрациях горючего вещества, равных нижнему и верхнему концентрационным пределам распространения пламени. Оно обычно не превышает 0,3 МПа. Это объясняется низкой температурой взрыва. На НКПР она равна 1550 К, на ВКПР – 1100 К. Наибольшее давление при взрыве наблюдается при концентрации, близкой к стехиометрической.

Расчет максимального давления взрыва производится по следующей формуле:

 

Р_взр = , где (4.9)

 

Р₀ – начальное давление, кПа (МПа);

Т₀ – начальная температура, К;

Т_взр – температура взрыва, К;

m – число молей (киломолей) газообразных продуктов горения;

n – число молей (кисломолей) исходных газообразных веществ.

 

Расчет максимального давления взрыва газов и паров

Пример 4.7. Вычислить максимальное давление взрыва смеси гексана С6Н14 с воздухом, если начальное давление 101,3 кПа, начальная температура 273 К, температура взрыва 2355 К.

 

1. Уравнение реакции горения гексана в воздухе:

 

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

 

2. Рассчитаем число молей (киломолей) газообразных веществ до и после взрыва:

 

m = 6 + 7 + 9,5×3,76 = 48,72 моль

n = 1 + 9,5×4,76 = 46,22 моль

 

3. Максимальное давление взрыва составит:

 

Р_взр = = 921,1 кПа

 

Список расчетных задач

1.1.	Расчет коэффициента горючести
1.2.	Определение характера свечения пламени
3.1.	Составление уравнений реакции горения в кислороде
3.2.	Составление уравнений реакции горения в воздухе
3.3.	Расчет молей (киломолей) исходных веществ и продуктов реакции по уравнению реакции горения
3.4.	Расчет теоретического объема воздуха, необходимого для горения индивидуального вещества
3.5.	Расчет объема воздуха, необходимого для горения индивидуального вещества
3.6.	Расчет объема воздуха, необходимого для горения газовой смеси
3.7.	Расчет объема воздуха, необходимого для горения вещества сложного элементного состава
3.8.	Расчет объема и процентного состава продуктов горения индивидуального вещества
3.9.	Расчет объема и процентного состава продуктов горения газовой смеси
3.10.	Расчет объема и процентного состава продуктов горения вещества сложного элементного состава
3.11.	Расчет теплового эффекта реакции горения индивидуального вещества
3.12.	Перевод значения энтальпии горения из кДж/моль в кДж/кг
3.13.	Расчет низшей теплоты сгорания Qн по формуле Д.И. Менделеева
3.14.	Расчет действительной температуры горения индивидуального вещества
3.15.	Расчет действительной температуры горения сложного вещества с известным элементным составом
4.1.	Расчет концентрационных пределов распространения пламени
4.2.	Расчет стехиометрической концентрации
4.3.	Расчет коэффициента избытка воздуха a на НКПР и ВКПР
4.4.	Расчет КПР при повышенных температурах
4.5.	Расчет КПР газовой смеси
4.6.	Расчет максимального давления взрыва

Под общей редакцией

⇐ Предыдущая1234567

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: