Учебное пособие: Практикум по теории горения

Определить, образуется ли взрывоопасная концентрация насыщенных паров над поверхностью резервуара, содержащего 60% диэтилового эфира и 40% этилового спирта, при температуре 245К?

Решение: концентрация паров будет взрывоопасной, если

ц_н^см_? ц_нп^см_? ц_в^см.

(ц_в^см-концентрация насыщенных паров смеси жидкостей). Очевидно, что в результате различной летучести веществ состав газовой фазы будет отличаться от конденсированной. Содержание компонентов в газовой фазе по известному составу жидкой определим по закону Рауля для идеальных растворов жидкостей.

1. Определим мольный состав жидкой фазы:

мi=;

где мi-мольная доля -того вещества,весовая доля ??-того вещества,молекулярная масса ??-того вещества (Мдэ=70, Мэс=46)

мД.З(Ж)= =0,496

мЭ.С.(Ж) =1-0,496=0,504

2. По табл. 7 приложения определим давление насыщенного пара при 245К над индивидуальными жидкостями:

Р_нп(дэ) =53,34ГПа

Р_{нп(дэ) =1,33+ =}15,00 Гпа

3. .По закону Рауля, парциальное давление насыщенных паров -той жидкости над смесью равно произведению насыщенного пара над чистой жидкостью на ее мольную долю в жидкой фазе, т.е.

Р пар(дэ)=53,34•0,496=26,46ГПа;

Р пар(ас)=15.00•0,504=7,56ГПа.

4. Приняв сумму давлений насыщенных паров диэтилового эфира и этилового спирта (26,46+7,56),равной 100%, определим:

концентрацию паров в воздухе:

ц_нп^см=

мольный состав газовой фазы(закон Рауля- Дуэртье)

м_д.э(r)=

м_э.с(п)=1,00-0,781=0,222

5. Определив расчетом или по справочным данным (табл.5 приложения)КПВ индивидуальных веществ (диэтиловый эфир 1,7+49%,этиловый спирт 3,6+19%),по правилу Ле-Шателье рассчитаем КПВ паровой фазы:

ц_н^см==1,93%;

ц_в^см==36,28%

6. Сравнивая полученные в п.4а концентрацию паровоздушной смеси с КПВ, делаем заключение, что при 245К над данной жидкой фазой образуется взрывоопасная концентрация насыщенных паров в воздухе.

Рассчитать безопасную концентрацию кислорода при разбавлении углекислым газом смеси паров ацетона в воздухе

Решение: По табл.3 приложения находим теплоту образования ацетона 248,1•10³Дж/моль. Из химической формулы ацетона (С₃Н₆О)следует, что m_с=3, m_n=6, m₀=1.Значение остальных параметров выбираем из табл.2 для двуокиси углерода:

цф=100•0,735•10⁵•248,1•10³+0,584+1,292•3+0,427•6+0,570•1 =48,1%

2,020-1+4,642•3+1,160•6-2,321•1

ц_О2==10,7; ц_{О2 без}=1,2•10,7-4,2=8,6%.

Следовательно, при снижении концентрации кислорода в четырехкомпонентной системе, состоящей из паров ацетона, двуокиси углерода, азота и кислорода, до 8,6% смесь является взрывобезопасной. При содержании же кислорода, равном 10,7% эта смесь будет предельной по взрываемости.

Согласно справочным данным, МВСК ацетоно-оздушной смеси при разбавлении ее двуокисью углерода составляет14,9%. Определим относительную ошибку расчета: ?==-28%

Таким образом, результаты расчета МВСК занижены на 28%

Контрольные задачи

1. По предельной теплоте сгорания определить, как изменяется нижний концентрационный предел воспламенения в воздухе от положения предельных углеводородов(этан, пропан, бутан, пентан, пропан, гексан) в гомологическом ряду. Построить график зависимости НКПВ от молекулярной массы горючего.

2. По аппроксимационной формуле рассчитать, как изменяются концентрационные пределы жирных спиртов (метиловый, этиловый, гексиловый, октиловый) в гомологическом ряду. Построить график зависимости нижнего и верхнего пределов воспламенения от молекулярной массы горючего.

3. Определить концентрационные пределы воспламенения сероуглерода при атмосферном давлении, равном 990ГПа, если его температурные пределы составляют 223+299К

4. Рассчитать концентрационные пределы воспламенения бензола, если температурные пределы равны 259+283К. Определить ошибку.

5. Определить концентрационные пределы воспламенения парогазовой смеси, состоящей из 20% этана, 60% этилена и 20% паров этилового спирта.

6. Определить концентрационные пределы воспламенения в воздухе смеси паров, состоящей из 50%бензола,35% толуола и 15% фенола, при увеличении температуры с 298 до 373К.

7. Определить, образуется ли взрывоопасная концентрация при испарении в помещении объемом 220м³ 15кг деканола, если температура 310К, давление 1105 ГПа?

8. Определить возможно ли образование взрывоопасной концентрации при температуре 298 К над поверхностью жидкой фазы, состоящей из 25% уксуснометилового эфира,40% уксусного ангидрида, 35% амилового спирта?

9. Определить состав двухкомпонентной газовой смеси, состоящей из паров аммиака и сероводорода, если известно, что ее нижний концентрационный предел воспламенения в воздухе составляет 5,8%.

10. Определить безопасную концентрацию кислорода при разбавлении паров уксуснопропилового эфира (?Н⁰_??=513,7•10³Дж/моль)в воздухе двуокисью углерода, водяным паром и азотом. Объяснить причину различной флегматизирующей эффективности инертных газов.

Домашнее задание 4

Рассчитать концентрационные пределы воспламенения паров i-го вещества в воздухе. Результаты расчета сравнить с имеющимися справочными данными и определить относительную ошибку (табл. 3.2)

Таблица 3.2

4. Температурные параметры пожарной опасности веществ

Температурные пределы распространения пламени (ТПРП)

Давление насыщенного пара определяется его концентрацией и зависит от температуры жидкости. При определенных температурах концентрация насыщенного пара жидкости становится равной нижнему или верхнему концентрационному пределу распространения пламени. Таким образом, пожарную опасность горючих жидкостей можно оценивать не по концентрации ее пара, а по температуре самой жидкости. Таким образом, вместо концентрационного предела можно указать температуру жидкости, при которой эта концентрация образуется.

Такие температуры называются температурными пределами распространения пламени. Как и для концентрационных пределов можно определить нижний и верхний температурный предел распространения пламени.

Температурными пределами распространения пламени (нижним -НТПРП или верхним - ВТПРП) называют такие температуры жидкости, при которых над ее поверхностью образуется насыщенный пар в концентрации, равной (соответственно нижнему или верхнему) концентрационному пределу распространения пламени.

При температурах ниже нижнего температурного предела концентрация насыщенного пара имеет величину ниже нижнего концентрационного предела распространения пламени, то есть является безопасной.

При температуре выше верхнего температурного предела жидкость образует насыщенный пар, концентрация которого выше верхнего концентрационного предела, и горения такого пара не будет. Однако, такая смесь насыщенных паров является пожароопасной, так как при выходе из емкости в воздух она может гореть в диффузионном режиме.

Для обеспечения пожаровзрывобезопасности процессов производства, переработки, хранения и транспортировки жидкостей определяют безопасную нижнюю t_нб и безопасную верхнюю t_вб рабочую температуру.

Для упрощенных расчетов безопасные температуры можно определить по формулам:

t_нб< 0,9 (t_н - К_без)

t_вб ? 1,1(t_в - К_без)

где К_без - коэффициент безопасности, равный:

для индивидуальных веществ и нефтепродуктов 10,5°С,

для технических и реакционных смесей 14°С.

Температурные пределы, равно как и концентрационные, не являются постоянными величинами и зависят от ряда факторов внешней среды. Характерные области температур жидкости и концентраций ее паров схематически изображены на рисунке:

Использование ТПРП, как показателя пожарной опасности жидкостей, значительно упрощает работу по определению степени пожарной опасности горючих жидкостей, поскольку в отличие от концентрационных пределов не требует применения сложных приборов.

С помощью ТПРП можно:

1) провести сравнительную оценку степени пожарной опасности двух жидкостей.

Например, из трех жидкостей: гексанол (ТПРП составляет 57ч92°С), метанол (5ч39°С), ацетон (-20ч6°С) наиболее безопасным является гексанол, так как он образует опасные концентрации насыщенного пара лишь при повышенных температурах.

2) определить область взрывобезопасных температур работы технологического оборудования. Для обеспечения пожарной безопасности технологических процессов нужно выбирать температурный режим работы аппаратов с таким учетом, чтобы рабочие концентрации находились вне зоны опасных концентраций. Таким образом,рабочие температуры должны быть ниже нижнего безопасного или выше верхнего безопасного температурного предела распространения пламени.

tраб < tнб и tраб > tвб

3) определить степень пожарной опасности паров в емкостях и закрытых технологических аппаратах при фактической температуре.

Например, при фактической температуре 20°С гексанол является безопасным, метанол -- взрывоопасным, а ацетон -- взрывобезопасным, но пожароопасным.

Условия загорания жидкостей в открытом пространстве.

Температура вспышки

Если жидкость испаряется в открытое пространство, то часть пара все время диффундирует в окружающее пространство. При этом концентрация пара постепенно изменяется по высоте.

Непосредственно над поверхностью жидкости она равняется концентрации насыщенного пара, а на большом расстоянии -- снижается практически до нуля (кривая 1). Для жидкостей в закрытом пространстве концентрация пара не зависит от расстояния (прямая 2).

Рис. 1.

где ц_ф - концентрация пара в заданной точке;

- расстояние от поверхности жидкости.

Часто бывает необходимо оценить степень пожарной опасности фактической концентрации ц?ф, образовавшейся в производственном помещении при испарении горючей жидкости в открытое пространство.

Для этого достаточно разделить массу испарившейся жидкости mисп на объем помещения Vпом:

ц?_ф = m_исп / V_пом

Для того, чтобы рассчитать площадь разлива, с которой происходит испарение, можно применить соотношение:

где m_жидк - масса разлившейся при аварии жидкости;

с_жидк - плотность жидкости при заданных условиях;

h_жидк -толщина слоя жидкости, разлившейся при аварии.

В практических расчетах, для определения интенсивности испарения жидкости, пользуются эмпирической формулой: