Учебное пособие: Практикум по теории горения

I_исп = Р_нп м (0,734 + 1,637vв) ·10-6, кг/(мІс)

где м - молярная масса вещества кг/кмоль;

Р_нп - давление насыщенного пара при данной температуре, кПа.

v_в - скорость воздуха над поверхностью испарения, м/с.

В открытой системе, для того, чтобы достичь нижнего концентрационного предела распространения пламени для ненасыщенного пара, жидкость необходимо нагреть до температуры немного выше нижнего температурного предела распространения пламени, что позволит увеличить интенсивность испарения и компенсировать потери пара за счет диффузии. Если при этом к поверхности жидкости поднести источник зажигания, то образовавшийся пар вспыхнет.

Вспышка - быстрое сгорание паровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, которое сопровождается кратковременным видимым свечением. При вспышке стойкое горение не наступает, так как скорость испарения жидкости при данной температуре будет меньше скорости выгорания пара.

Температура вспышки - это наименьшая температура жидкости, при которой в условиях специальных испытаний над ее поверхностью образуется пар, способный вспыхивать в воздухе от источника зажигания, однако стойкое горение при этом не возникает.

Связь температуры вспышки t_всп с зависимостью концентрации пара цпар от температуры жидкости t_жидк схематически отображена на рисунке 2.

Рис. 2.

Жидкость, у которой фактическая температура ниже, чем температура вспышки не представляет пожарной опасности в случае кратковременного воздействия источника зажигания.

Температура вспышки принята за основу классификации жидкостей по степени их пожарной опасности. Различают горючие и легковоспламеняющиеся жидкости. К горючим (ГЖ) относят жидкости с температурой вспышки больше 61°С. Жидкости с температурой вспышки 61°С и ниже относят к классу легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ).

Легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки 28°С и ниже относят к особо опасным жидкостям.

Кроме температуры вспышки различают еще температуру зажигания - наименьшую температуру жидкости, при которой после воспламенения пара от источника зажигания устанавливается стационарное горение.

На практике очень часто приходится иметь дело со смесями жидкостей. При оценке степени пожарной опасности смеси, следует иметь в виду, что даже маленькие добавки ЛВЖ к ГЖ могут сильно снизить t_всп смеси.

4.1 Расчет температурных пределов воспламенения

Существует несколько полуэмпирических методов расчета ТПВ, однако они мало отличаются друг от друга по точности. Температурные пределы воспламенения жидкостей рассчитывают по температуре кипения:

t_н(в)= Кt_кип-;

где t_н(в)-нижний(верхний) температурный предел воспламенения,⁰С.

t_кип- температура кипения, ⁰С.

К, - константы для определенных групп(гомологических рядов) жидкостей.

Их значения приведены в табл.6 приложения.

Температурные пределы воспламенения могут быть определены по известным значениям концентрационных пределов:

Р_н(в)-давление насыщенного пара, соответствующее нижнему(верхнему)концентрационному пределу воспламенение;

ц _н(в)- нижний(верхний)концентрационный предел воспламенения;

Р_о-атмосферное давление достигается данное давление. Она будет являться соответственно нижним (верхним) пределом воспламенения.

По табл.7 приложения определяем температуру вещества, при которой достигается данное давление. Она будет являться соответственно нижним (верхним) пределом воспламенения.

Примеры решения задач

Определить ТПВ метилового спирта, если температура его кипения равна 65⁰С

Решение. Расчет проводим по формуле (4.1) значение констант определяем по табл. 6 приложения для нормальных жирных спиртов

t_H=0,5746)*65-33,7=3,6⁰С =276,6К

t_В=0,6928*65-15,0=30⁰С =303К

Определим относительную ошибку расчета. По табл.5 приложения находим, что ТПВ метилового спирта равны 280+312К:

?н = (276,6-280):280*100=-1,2%

?в = (303-312):312*100=-2,9%

Следовательно результаты расчета занижены менее чем на 3 %.

Определить ТПВ ацетона, если его концентрационные пределы в воздухе равны 2,2+13,0 %. Атмосферное давление - нормальное

Решение: По формуле(4.2) определим давление насыщенного пара ацетона, соответствующее нижнему и верхнему температурным пределам воспламенения:

Р_н= 2,2 *1013,25*100=22,3 ГПа;

Р_в= 13,0*1013,2*100=131,1Гпа

Из табл. 7 приложения следует, что НТПВ находится между температурами 241,9 и 252,2К, а ВТПВ- между 271,0 и 280,7К.

Линейной интерполяцией определим ТПВ:

t_H=241,9+ =248,8К;

t_в=271+ =280,4К.

Зная справочные значения ТПВ ацетона (253+279К, см. табл. 5 приложения), можно определить относительную ошибку расчета:

?н=(248,8-253):253*100=-1,7%;

?в=(280,4-279):279*100=0,5%

Контрольные задачи

1. Определить температурные пределы воспламенения в гомологическом ряду жирных углеводородов: бутан, пентан, гексан, октан, температуры кипения которых соответственно равны 273,5К, 309К, 341К, 398К. построить график изменения КПВ от положения горючего в гомологическом ряду.

2. Сравнить температурные пределы воспламенения н-бутиловых эфиров муравьиной и уксусной кислот. На основании полученных данных сделать вывод о их сравнительной пожарной опасности. Температура кипения бутил формиата равна 379,8 К, а бутилацетата-399К.

3. Определить температурные пределы воспламенения бутилбензола по его концентрационным пределам. Значения последних рассчитать по аппроксимационной формуле.

4. По концентрационным пределам воспламенеиия(значение которых установить по аппроксимационной формуле) определить температурные пределы воспламенения ацетона и метилэтилкетона. По результатам расчета сделать вывод о сравнительной пожарной опасности этих веществ.

4.2 Расчет температур вспышки и воспламенения

Температура вспышки - наименьшая температура горючего вещества, при которой пары над поверхностью горючего вещества способны вспыхивать при контакте с открытым источником огня; устойчивое горение при этом не возникает. Вспышка - быстрое сгорание газопаровоздушной смеси над поверхностью горючего вещества, сопровождающееся кратковременным видимым свечением. Как правило, при отсутствии указания на метод измерения используется метод Пенски-Мартенса.

По температуре вспышки из группы горючих жидкостей выделяют легковоспламеняющиеся. Легковоспламеняющимися называются горючие жидкости с температурой вспышки не более 61 °C в закрытом тигле (з.т.) или 66 °C в открытом тигле (о.т.).

Механизм. Для каждой горючей жидкости можно определить давление насыщенных паров. С повышением температуры оно растёт, таким образом, количество горючего вещества на единицу объёма воздуха над жидкостью также растет с ростом температуры. При достижении температуры вспышки содержание горючего вещества в воздухе становится достаточным для поддержания горения. Достижение равновесия между паром и жидкостью требует, однако, некоторого времени, определяемого скоростью образования паров. При температуре вспышки скорость образования паров ниже, чем скорость их горения, поэтому устойчивое горение возможно лишь при достижении температуры воспламенения.

Измерение. Температура зависит от условий тепломассообмена как внутри реакционного сосуда, так и самого сосуда с окружающей средой, объёма смеси, а также каталитической активности стенки сосуда и ряда других параметров.

Показатель применяется для определения допустимой температуры нагревания горючих веществ при различных условиях хранения и перевозки. Наиболее известным способом измерения температура вспышки является определение в закрытом тигле по Пенски-Мартенсу ASTM D93, ГОСТ 6356. Для температур ниже 20-50 градусов Цельсия используют другие методы.

Также существуют методы экспериментального определения температуры вспышки жидкостей в открытом тигле.

Наиболее распространенным и достаточно точным является расчет температур вспышки и воспламенения по формуле В. И. Блинова:

Т_вс(вп)=А/ Р_нп•D₀•n (4.3)

где Т_вс(вп)-температура вспышки(воспламенения)

Р_нп- давление насыщенного пара при температуре вспышки

D_0-коэффициент диффузии паров горючего в воздухе

n- стехиометрический коэффициент при кислороде- количество молей кислорода, необходимое для полного окисления(до СО₂, Н₂О,SO₂)одного моля горючего вещества

А- константа метода определения (табл4.1)

Таблица 4.1

При отсутствии данных по коэффициенту диффузии, последней определяют по формуле

D₀=10^-4: (4.4)

D_0-коэффициент диффузии, м²/с

- количество -того элемента в молекуле горючего вещества

атомные(элементные) составляющие(табл.4.2)

Таблица 4.2

Простым, но менее точным является расчет температуры вспышки в закрытом тигле по формуле Элея:

t_вс = t_кип -18 (4.5)

где t_вс--температура вспышки

t_кип - температура кипения

К - коэффициент, определяемый по формуле

К=4м_с+м_н+4м_s+м_N +2м₀+2м_CB+3м_F+5м_Br, (4.6)

где - м_с, м_н, м_s,м_N,м₀,м_C,м_F,м_{Br -}количество элементов углерода, водорода, серы, азота, брома в молекуле горючего вещества.

Температура вспышки в закрытом тигле может быть определена по нижнему температурному пределу воспламенения:

t_вс = (4.7)

Эта формула применима,если 0? t_вс160⁰С.

Примеры решения задач

По формуле Блинова определить температуру воспламенения бутилового спирта

Решение:

1. Определим значение стехиометрического коэффициента С₄Н₉ОН+6О₂=4СО₂+5Н₂О. следовательно, n=6

2. Определим значение коэффициента диффузии по формуле(4.4). Для этого по табл.4.2. устанавливаем, что ?М=25+3•4=37, тогда

D₀=10^-4: =75,8•10^-7м²/с

3. По табл.4.1. выберем значение А=53,3•10^-3 и по формуле(4.3) определим произведение:

Т_впР_нп=53,3•10^-2/75,8•10^-7•6=11,72•10³К•ГПа.

4. По табл. приложения задаемся температурой326,4К, давление насыщенного пара, при которой равно 53,33 ГПа, и определим: ТР=326,4•53,33=17,4•10³К•ГПа. Сравнивая, полученное значение с вычисленным в п.3. устанавливаем, что

Т_впР_нп<ТР.

5. Задаемся по табл.7 приложения задаемся температурой 314,5К. Давление насыщенного пара при этом равно 26,66ГПа.

ТР=314,5•26,66=8,4•10³К•ГПа.

6. Так как ТР>Т_впР_нп, линейной интерполяцией находим значение температуры воспламенения:

Т_вп=314,5+10³(11,72-8,4)(326,4-314,5)=319К

i. 10³(17,4-8,4)

Справочное значение температуры воспламенения составляет 314К. Погрешность расчета

?=•100=1,6%.

По формуле Элея определить температуру вспышки бензола в закрытом тигле

Решение: Для расчета по формуле(4.5) необходимо знать температуру кипения бензола (С₆Н₆) и значение коэффициента К. Температура кипения бензола 353К или 80⁰С. Величину К определим по формуле (4.6):

К=4•6+6=30

Определим искомую величину температуры вспышки:

t_BC=80-18-18,6⁰ илими254,4 К.

Согласно справочным данным, температура вспышки бензола равно 259К. Определим ошибка расчета:

? •100=-1,3%

Контрольные задачи

1. По формуле Блинова определить температуру вспышки в открытом сосуде уксуснометилового эфира.

2. По формуле Блинова рассчитать температуру воспламенения бензола.

3. По формуле Элея рассчитать температуру вспышки 2-метилгексана (t_кип=90).

4. Рассчитать температуру вспышки в закрытом тигле стирола (С₈Н₈)по формуле Блинова и Элея. Оценить точность расчета, если t_BCстирола по справочным данным равна 303 К.

5. Определить температуру вспышки в закрытом тигле акриловой кислоты по формуле Блинова и Элея.

Домашнее задание 5

Рассчитать температуру вспышки (воспламенения) i-того вещества по формуле В.И. Блинова и Элея. Значение Д₀ взять из справочной литературы или определить по формуле (4.4). Сравнить вычисление значения температуры вспышки (воспламенения) с имеющимися справочными данными и оценить погрешность расчета (табл.4.3).