Файл: Курсовая работа по дисциплине Теория горения и взрыва Вариант 27 Выполнил студент группы.doc
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 1332
Скачиваний: 37
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Академия гражданской защиты» Министерства по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий Донецкой Народной РеспубликиКафедра естественнонаучных дисциплинкУРСОВАЯ РАБОТАПо дисциплине: «Теория горения и взрыва»Вариант 27Выполнил студент группы _______________ ______________________________________(подпись) (Ф.И.О.)Проверил ___________________________(должность)____________________________________________ (подпись) (Ф.И.О) Донецк, 2023
Часть 1. Расчет параметров горения и взрыва
где n О2 , n N2 , nг – число кмолей кислорода, азота и горючего вещества вуравнении материального баланса, кмоль.Подставляя значения в формулу, получим:А для расчета объема продуктов горения:где N nСО2, nН2О, nN2 – количество кмолей веществ в правой части уравнения материального баланса, V N20– объем азота из воздуха, участвовавшего в горении, кмоль/кмоль.Рассчитываем объем продуктов горения:Общий объем продуктов горения определяется по формуле:Находим общий объем продуктов горения:Горючая газовоздушная смесь, соответствующая уравнению материального баланса называется стехиометрической. В такой смеси нет ничего лишнего, горючее и окислитель находятся в пропорции, обеспечивающей полное ее сгорание.Для 4-метил-2-этилпентанола стехиометрическая смесь состоит из 1 объема 4-метил-2-этилпентанола (пары в газообразном состоянии), 12 объемов кислорода и 12×3,76 объемов азота. При сгорании такой смеси в продуктах горения будет только СО2, Н2О и N2 в объемах, соответствующих правой части уравнения.При горении расход воздуха может отличаться от теоретически необходимого. Отношение количества воздуха, участвовавшего в горении ктеоретически необходимому, называется коэффициентом избытка воздухаДействительный расход воздуха на единицу горючего записывается как Vв =α Vв0 . Разность между действительным и теоретически необходимым количеством воздуха называется избытком воздуха:
∆V = Vв – Vв0,∆V = Vв0(α-1).Для стехиометрической смеси α = 1 и ΔVв =0.Так как α = 1, избыток воздуха ΔVв = 0, тогда полный объем продуктов горения равен:или м3 /м3Таким образом, для сгорания 1 м3 4-метил-2-этилпентанола требуется 57,12 м3 воздуха, объем продуктов сгорания при этом составит 62,12 м3 (при н.у.).1.1.2. В основе процесса горения лежит химическая реакция горючего вещества с окислителем, которая происходит с интенсивным тепловыделением. Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы количества горючего вещества (моль, кг или м3), называют низшей теплотой сгорания Qн.Если горючее имеет в своем составе водород, то при его сгорании образуется вода в газообразном состоянии, которая, охлаждаясь, будет конденсироваться. Так как в процессе конденсации паров тепло выделяется, то общее количество теплоты, полученное при сгорании вещества, будет больше на эту величину. Напомним, что количество теплоты, выделяющееся при конденсации паров, равно количеству теплоты, затраченному на парообразование. Тогда:Qв= Qн + r,где Qв – высшая теплота сгорания вещества, а r – удельная теплота парообразования воды. При расчетах температуры горения пользуются величиной Qн, так как при температуре горения вода находится в газообразном состоянии. Значения низшей теплоты сгорания вещества (тепловой эффект химической реакции) приводится в справочной литературе. Эта величина может быть рассчитана по закону Гесса, который говорит о том, что тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплоты образования продуктов реакции и теплоты образования исходных веществ:Qн=(Σ∆Н0fini)прод - (Σ∆Н0fini)исхИз курса химии: теплота образования сложного вещества равна количеству теплоты, выделившейся при его образовании из простых веществ. Теплота образования простого вещества (вещества, молекулы которого состоят из атомов одного элемента, например, N2, O2, H2,S, C...) принимается равной нулю. Теплота образования некоторых горючих веществ приведена в табл. II и III приложения. Адиабатическую температуру горения вещества находят при условии отсутствия теплопотерь (h = 0) для стехиометрической смеси горючего с воздухом, т. е. при α = 1.
При сгорании 4-метил-2-этилпентанола:C8 H18 O + 12О2 + 12∙ 3,76 N2 8СО2 + 9Н2О + 12 ∙ 3,76 N2Низшую теплоту сгорания этана рассчитаем по закону Гесса, взяв значения теплоты образования веществ из табл. III приложения. Учитывая, что кислород и азот – простые вещества и для них ∆Н0=0, получим выражение:Qн=∆Н0СО2 ∙ 8 + ∆Н0Н2О ∙ 9- ∆Н0С8Н18О ∙ 1.Подставляя значения теплоты образования CO2, Н2O и CH4 из табл. III приложения, окончательно получим:Qн= 396,6 ∙ 8 + 242,2 ∙ 9 - 344,2 ∙1=5008,4 кДж/моль.Так как теплопотери отсутствуют, то все выделившееся тепло идет на нагревание продуктов горения. Среднее теплосодержание продуктов горения будет составлять:Рассчитаем полученное значение, учитывая, что полный объем продуктов горения равен:Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры (табл. IV приложения), можно установить, какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать, ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения. Из табл. IV приложения видно, что при температуре 2400 0С теплосодержание азота 81,5 кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры. При Т1 = 2400 0СQ1= НСО2 ∙ VСО2 + НН2О ∙ VН2О + НN2 ∙ VN2подставляя численные значения теплосодержаний этих газов из табл. IV приложения, получим:Q1= 133,0∙ 8+109,6 ∙ 9 + 81,2 ∙ 45,12 = 5714,14 кДж/мольНо это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горенияQ1 > Qн.Поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2400 0С. Определим, сколько тепла потребуется для нагревания продуктов горения до 2300 0С.При Т2 = 2300 0СQ2 =126,9∙ 8+104,2 ∙ 9 + 77,8 ∙ 45,12 = 5463,34 кДж/мольНо это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горенияQ2 > Qн.Поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2300 0С. Определим, сколько тепла потребуется для нагревания продуктов горения до 2200 0С.При Т3 = 2200 0СQ3 =120,8∙ 8
+98,8 ∙ 9 + 74,1 ∙ 45,12 = 5198,99 кДж/мольНо это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горенияQ3 > Qн.Поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2200 0С. Определим, сколько тепла потребуется для нагревания продуктов горения до 2100 0С.При Т4 = 2100 0СQ4 =114,7 ∙ 8+ 93,4 ∙ 9 + 70,4 ∙ 45,12 = 4934,65 кДж/мольQ4 уже меньше, чем Qн, из этого можно сделать вывод, что температура горения имеет значение между 2100 0С и 2200 0С. Уточним эту температуру линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениямиТгад = Т4 + Тгад = 2100+ Таким образом, адиабатическая температура горения 4-метил-2-этилпентанола составляет 2127,9 К, низшая теплота сгорания низшей теплотой сгорания 5008,4 кДж/моль.1.2. Температуру взрыва находим тем же методом последовательных приближений, только в этом случае используют зависимость внутренней энергии продуктов горения (взрыва) от температуры (см. раздел 2.3.3 и пример 6).Начальная температура горючей смеси Т0 =273 К.Температуру взрыва находим при условии отсутствия теплопотерь (η = 0). Запишем уравнение химического превращения при взрыве (аналогично уравнению горения) 4-метил-2-этилпентанола:C8 H18 O + 12О2 + 12∙ 3,76 N2 8СО2 + 9Н2О + 12 ∙ 3,76 N2Объем продуктов взрыва составляет VСО2=8 моль/моль; VН2О= 9 моль/моль; V N20 = 12×3,76 = 45,12 моль/моль. Избыток воздуха ΔVв = 0, так как смесь стехиометрическая (α = 1).Низшую теплоту сгорания 4-метил-2-этилпентанола рассчитали по закону Гесса в п.1.1.2., она равна 5008,4 кДж/моль.Так как процесс взрыва адиабатно-изохорный (теплопотери отсутствуют и нагревание продуктов происходит без расширения газовой смеси), все выделившееся тепло расходуется на увеличение внутренней энергии системы. Среднее значение внутренней энергии продуктов взрыва составит:Воспользовавшись зависимостью внутренней энергии газов от температуры табл. V приложения), можно установить, какой температуре соответствует такое значение внутренней энергии. Сделаем это по азоту, так как его больше всего в продуктах взрыва. Из табл. V приложения следует,что при температуре 3000 К внутренняя энергия 1 моля азота составляет 78,9 кДж/моль. Проверим расчетом, какое количество тепла требуется для того, чтобы продукты взрыва нагреть до этой температуры.
| ЗАДАНИЕ ПО КУРСОВОЙ РАБОТЕ | |||
| Номер варианта | Вещество | Химическая формула | Размеры помещения a×b×h, м |
| 27 | 4-метил-2-этилпентанол (2-этилизогексанол) | C8 H18 O | 7,0×4,0×3,0 |
-
1. 1. При горении веществ в воздухе происходит быстрая химическая реакция между горючим веществом и кислородом воздуха с интенсивным тепловыделением. При написании уравнения горения и составлении материального баланса записывают только продукты полного окисления СО2 и Н2О.
где n О2 , n N2 , nг – число кмолей кислорода, азота и горючего вещества вуравнении материального баланса, кмоль.Подставляя значения в формулу, получим:А для расчета объема продуктов горения:где N nСО2, nН2О, nN2 – количество кмолей веществ в правой части уравнения материального баланса, V N20– объем азота из воздуха, участвовавшего в горении, кмоль/кмоль.Рассчитываем объем продуктов горения:Общий объем продуктов горения определяется по формуле:Находим общий объем продуктов горения:Горючая газовоздушная смесь, соответствующая уравнению материального баланса называется стехиометрической. В такой смеси нет ничего лишнего, горючее и окислитель находятся в пропорции, обеспечивающей полное ее сгорание.Для 4-метил-2-этилпентанола стехиометрическая смесь состоит из 1 объема 4-метил-2-этилпентанола (пары в газообразном состоянии), 12 объемов кислорода и 12×3,76 объемов азота. При сгорании такой смеси в продуктах горения будет только СО2, Н2О и N2 в объемах, соответствующих правой части уравнения.При горении расход воздуха может отличаться от теоретически необходимого. Отношение количества воздуха, участвовавшего в горении ктеоретически необходимому, называется коэффициентом избытка воздухаДействительный расход воздуха на единицу горючего записывается как Vв =α Vв0 . Разность между действительным и теоретически необходимым количеством воздуха называется избытком воздуха:
∆V = Vв – Vв0,∆V = Vв0(α-1).Для стехиометрической смеси α = 1 и ΔVв =0.Так как α = 1, избыток воздуха ΔVв = 0, тогда полный объем продуктов горения равен:или м3 /м3Таким образом, для сгорания 1 м3 4-метил-2-этилпентанола требуется 57,12 м3 воздуха, объем продуктов сгорания при этом составит 62,12 м3 (при н.у.).1.1.2. В основе процесса горения лежит химическая реакция горючего вещества с окислителем, которая происходит с интенсивным тепловыделением. Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы количества горючего вещества (моль, кг или м3), называют низшей теплотой сгорания Qн.Если горючее имеет в своем составе водород, то при его сгорании образуется вода в газообразном состоянии, которая, охлаждаясь, будет конденсироваться. Так как в процессе конденсации паров тепло выделяется, то общее количество теплоты, полученное при сгорании вещества, будет больше на эту величину. Напомним, что количество теплоты, выделяющееся при конденсации паров, равно количеству теплоты, затраченному на парообразование. Тогда:Qв= Qн + r,где Qв – высшая теплота сгорания вещества, а r – удельная теплота парообразования воды. При расчетах температуры горения пользуются величиной Qн, так как при температуре горения вода находится в газообразном состоянии. Значения низшей теплоты сгорания вещества (тепловой эффект химической реакции) приводится в справочной литературе. Эта величина может быть рассчитана по закону Гесса, который говорит о том, что тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплоты образования продуктов реакции и теплоты образования исходных веществ:Qн=(Σ∆Н0fini)прод - (Σ∆Н0fini)исхИз курса химии: теплота образования сложного вещества равна количеству теплоты, выделившейся при его образовании из простых веществ. Теплота образования простого вещества (вещества, молекулы которого состоят из атомов одного элемента, например, N2, O2, H2,S, C...) принимается равной нулю. Теплота образования некоторых горючих веществ приведена в табл. II и III приложения. Адиабатическую температуру горения вещества находят при условии отсутствия теплопотерь (h = 0) для стехиометрической смеси горючего с воздухом, т. е. при α = 1.
При сгорании 4-метил-2-этилпентанола:C8 H18 O + 12О2 + 12∙ 3,76 N2 8СО2 + 9Н2О + 12 ∙ 3,76 N2Низшую теплоту сгорания этана рассчитаем по закону Гесса, взяв значения теплоты образования веществ из табл. III приложения. Учитывая, что кислород и азот – простые вещества и для них ∆Н0=0, получим выражение:Qн=∆Н0СО2 ∙ 8 + ∆Н0Н2О ∙ 9- ∆Н0С8Н18О ∙ 1.Подставляя значения теплоты образования CO2, Н2O и CH4 из табл. III приложения, окончательно получим:Qн= 396,6 ∙ 8 + 242,2 ∙ 9 - 344,2 ∙1=5008,4 кДж/моль.Так как теплопотери отсутствуют, то все выделившееся тепло идет на нагревание продуктов горения. Среднее теплосодержание продуктов горения будет составлять:Рассчитаем полученное значение, учитывая, что полный объем продуктов горения равен:Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры (табл. IV приложения), можно установить, какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать, ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения. Из табл. IV приложения видно, что при температуре 2400 0С теплосодержание азота 81,5 кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры. При Т1 = 2400 0СQ1= НСО2 ∙ VСО2 + НН2О ∙ VН2О + НN2 ∙ VN2подставляя численные значения теплосодержаний этих газов из табл. IV приложения, получим:Q1= 133,0∙ 8+109,6 ∙ 9 + 81,2 ∙ 45,12 = 5714,14 кДж/мольНо это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горенияQ1 > Qн.Поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2400 0С. Определим, сколько тепла потребуется для нагревания продуктов горения до 2300 0С.При Т2 = 2300 0СQ2 =126,9∙ 8+104,2 ∙ 9 + 77,8 ∙ 45,12 = 5463,34 кДж/мольНо это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горенияQ2 > Qн.Поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2300 0С. Определим, сколько тепла потребуется для нагревания продуктов горения до 2200 0С.При Т3 = 2200 0СQ3 =120,8∙ 8
+98,8 ∙ 9 + 74,1 ∙ 45,12 = 5198,99 кДж/мольНо это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горенияQ3 > Qн.Поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2200 0С. Определим, сколько тепла потребуется для нагревания продуктов горения до 2100 0С.При Т4 = 2100 0СQ4 =114,7 ∙ 8+ 93,4 ∙ 9 + 70,4 ∙ 45,12 = 4934,65 кДж/мольQ4 уже меньше, чем Qн, из этого можно сделать вывод, что температура горения имеет значение между 2100 0С и 2200 0С. Уточним эту температуру линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениямиТгад = Т4 + Тгад = 2100+ Таким образом, адиабатическая температура горения 4-метил-2-этилпентанола составляет 2127,9 К, низшая теплота сгорания низшей теплотой сгорания 5008,4 кДж/моль.1.2. Температуру взрыва находим тем же методом последовательных приближений, только в этом случае используют зависимость внутренней энергии продуктов горения (взрыва) от температуры (см. раздел 2.3.3 и пример 6).Начальная температура горючей смеси Т0 =273 К.Температуру взрыва находим при условии отсутствия теплопотерь (η = 0). Запишем уравнение химического превращения при взрыве (аналогично уравнению горения) 4-метил-2-этилпентанола:C8 H18 O + 12О2 + 12∙ 3,76 N2 8СО2 + 9Н2О + 12 ∙ 3,76 N2Объем продуктов взрыва составляет VСО2=8 моль/моль; VН2О= 9 моль/моль; V N20 = 12×3,76 = 45,12 моль/моль. Избыток воздуха ΔVв = 0, так как смесь стехиометрическая (α = 1).Низшую теплоту сгорания 4-метил-2-этилпентанола рассчитали по закону Гесса в п.1.1.2., она равна 5008,4 кДж/моль.Так как процесс взрыва адиабатно-изохорный (теплопотери отсутствуют и нагревание продуктов происходит без расширения газовой смеси), все выделившееся тепло расходуется на увеличение внутренней энергии системы. Среднее значение внутренней энергии продуктов взрыва составит:Воспользовавшись зависимостью внутренней энергии газов от температуры табл. V приложения), можно установить, какой температуре соответствует такое значение внутренней энергии. Сделаем это по азоту, так как его больше всего в продуктах взрыва. Из табл. V приложения следует,что при температуре 3000 К внутренняя энергия 1 моля азота составляет 78,9 кДж/моль. Проверим расчетом, какое количество тепла требуется для того, чтобы продукты взрыва нагреть до этой температуры.