Дано: вещество – ацетон (брутто-формула – C3H6O), начальное давление Pн = 101200 Па; начальная температура tн = 22 °C; температура взрыва tвзр = 2530 °C; масса вещества m = 6 кг; коэффициент избытка воздуха α = 1,2.
Найти: показатели пожарной опасности: группу горючести, температуру вспышки; концентрационные пределы распространения пламени (в % и г/м3) при t = 25, 45 и 65 °C, построить график зависимости КПР от температуры; температурные пределы распространения пламени, низшую теплоту сгорания по следствию из закона Гесса; максимальное давление взрыва, тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва в технологическом оборудовании. Рассчитать объем воздуха, объем и процентный состав компонентов продуктов горения.
Ответ
объем воздуха, необходимый для сгорания 6 кг ацетона равен 57,3 м3, объем выделившихся в результате горения продуктов равен 62,3 м3, процентное содержание углекислого газа равно 12,07 %, воды – 12,07 %, азота – 72,64 %, избыточного кислорода – 3,23 %; температура вспышки ацетона равна –15,9 °C; КПР при стандартной температуре составляют: 2,6 – 10,4 об. %, 60,4 – 246,2 г/м3; при температуре 45 °C область воспламенения составит: 2,5 – 10,7 об. %, 55,7 – 236,5 г/м3; при температуре 65 °С область воспламенения составит: 2,5 – 10,9 об. %, 51,6 – 227,7 г/м3. Таким образом, с увеличением температуры НКПР ацетона незначительно уменьшается, как и ВКПР. Изменение ВКПР приблизительно равно изменению НКПР. Температурные пределы распространения пламени равны: от –22,15 до 2,34 °C; низшая теплота сгорания равна 1687,7 кДж/моль; максимальное давление при взрыве равно 1191888 Па; тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва паров ацетона при взрыве в технологическом оборудовании составит 38,6 кг тротила.
Решение
Составим уравнение реакции горения ацетона в воздухе и найдем коэффициент β (коэффициент перед кислородом):
C3H6O + 4(O2 + 3,76N2) → 3CO2 + 3H2O + 9∙3,76N2
Коэффициент перед кислородом β = 4.
Найдем объем, занимаемый 1 кмоль воздуха при заданных условиях, используя следующее выражение (объединенный газовой закон):
Vt=22,4∙tн∙P0Pн∙T0,
где P0 и To – давление и температура при нормальных условиях; 22,4 – константа, выражающее занимаемый объем одним моль идеального газа, м3/кмоль. Тогда:
Vt=22,4∙tн∙P0Pн∙T0=22,4∙295∙101325101200∙273=24,24 м3/кмоль.
Молярная масса ацетона M = 12∙3+6∙1+16∙1 = 58 кг/кмоль.
Объем воздуха, необходимый для полного сгорания заданной массы ацетона, рассчитывают по следующему выражению:
Vв=4,76∙β∙m∙Vt∙αM,
где 4,76 – сумма молей в воздухе кислорода и азота (основных его компонентов). Тогда:
Vв=4,76∙β∙m∙Vt∙αM=4,76∙4∙6∙24,24∙1,258=57,29 м3.
Определим избыточное количество вещества кислорода и азота:
nO2 изб.=βα-1=41,2-1=0,80;
nN2 изб.=3,76∙βα-1=3,76∙41,2-1=3,01.
Общее количество продуктов горения:
nпг=nCO2+nH2O+nN2+nN2 изб.+nO2 изб.=3+3+4∙3,76+3+0,8=24,84 моль.
Общий объем образующихся продуктов горения рассчитывают, используя выражение:
Vп. г.=Vt∙m∙nп. г.M=24,24∙6∙24,8458=62,29 м3.
Мольный процентный состав компонентов продуктов горения, принимая, что сумма продуктов горения, равная 24,84 моль, является 100 %, а количество вещества одного продукта реакции – φ %.
φCO2=nCO2∙100nп. г.=3∙10024,84=12,07 %;
φH2o=nH2O∙100nп. г.=3∙10024,84=12,07 %;
φN2=(nN2+nN2 изб.)∙100nп. г.=(4∙3,76+3,01)∙10024,84=72,64 %;
φO2 изб.=nO2 изб.∙100nп. г.=0,8∙10024,84=3,23 %.
Группа горючести ацетона:
K=4nC+4nS+nH+nN-2nO-2nCl-3nF-5nBr,
где nC, nS, nH, nN, nO, nCl, nF и nBr – число атомов углерода, серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора, брома в молекуле вещества соответственно
. Тогда:
K=4nC+4nS+nH+nN-2nO-2nCl-3nF-5nBr=4∙3+6-2∙1=18-2=16.
Следовательно, так как коэффициент горючести K ≥ 2, вещество является горючим.
Температура вспышки, учитывая, что температура кипения tкип. = 56,15 °C, рассчитывается по следующей формуле (формула Элея):
tвсп.=tкип.-18∙K=56,15-1816=-15,85 °C.
Рассчитаем нижний φ0н и верхний φ0в концентрационный предел распространения пламени ацетона при стандартных условиях по формуле:
φн(в)0=100a∙β+b,
где a и b – константы (для нижнего концентрационного предела: a = 8,64; b = 4,679; для верхнего: при β > 7,5 a = 0,768; b = 6,554). Тогда:
φн0=100a∙β+b=1008,64∙4+4,679=2,55 об. %;
φв0=100a∙β+b=1000,768∙4+6,554=10,39 об. %.
Рассчитаем нижний φtн и верхний φtв концентрационный предел распространения пламени ацетона при заданных условиях, используя следующие формулы:
φнt=φн0∙1-T-298,151550-298,15;
φвt=φв0∙1+T-298,151110-298,15,
где T – заданная температура. Тогда рассчитаем при 45 и 65 °C соответственно:
φн318,15=φн0∙1-T-298,151550-298,15=2,55∙1-318,15-298,151251,85=2,51 об. %;
φн338,15=φн0∙1-T-298,151550-298,15=2,55∙1-338,15-298,151251,85=2,47 об. %;
φв318,15=φв0∙1+T-298,151110-298,15=10,39∙1+318,15-298,151110-298,15=10,65 об. %;
φв338,15=φв0∙1+T-298,151110-298,15=10,39∙1+338,15-298,151110-298,15=10,90 об. %.
Построим график зависимостей концентрационных пределов распространения (КПР) от температуры:
Определим мольный объем паров ацетона при заданных температурах T:
Vt298,15=22,4∙tн∙P0Pн∙T0=22,4∙298,15∙101325101200∙273,15=24,48 м3/кмоль;
Vt318,15=22,4∙tн∙P0Pн∙T0=22,4∙318,15∙101325101200∙273,15=26,12 м3/кмоль;
Vt338,15=22,4∙tн∙P0Pн∙T0=22,4∙338,15∙101325101200∙273,15=27,76 м3/кмоль.
Рассчитаем нижний φ’н и верхний φ’в концентрационный предел распространения пламени ацетона при заданных условиях в г/м3, используя следующие формулы:
φн 298,15'=10∙φнT∙MVtT=10∙2,55∙5824,48=60,42 г/м3;
φн 318,15'=10∙φнT∙MVtT=10∙2,51∙5826,12=55,74 г/м3;
φн 338,15'=10∙φнT∙MVtT=10∙2,47∙5827,76=51,61 г/м3.
φв 298,15'=10∙φнT∙MVtT=10∙10,39∙5824,48=246,17 г/м3;
φв 318,15'=10∙φнT∙MVtT=10∙10,65∙5826,12=236,49 г/м3;
φв 338,15'=10∙φнT∙MVtT=10∙10,90∙5827,76=227,74 г/м3.
Определим давление насыщенного пара на нижнем Ptниж
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
