Горение веществ

Теоретически  необходимый объем воздуха для  сгорания 1 м³ горючих газов определяется по формуле

V°_B = n/m (3)

Пример 1. Определить объем воздуха, необходимый для сгорания 1 кг бензола при 20 ^оС и давлении 99992 Па. Составляем уравнение реакции горения бензола в воздухе

C₆H₆ + 7,5O₂ + 7,5.3,76N₂ = 6CO₂ + 3H₂O + 28,2N₂

Согласно  уравнению реакции на горение 1 кмоля  бензола требуется n=7,5+7,5-3,76=35,7 кмоля воздуха. Молекулярная масса бензола 78.

По уравнению (1) определяем теоретически необходимый объем воздуха для сгорания 1 кмоля бензола при нормальных условиях

 м³/кг.

При заданных условиях этот объем  будет равен [уравнение (2)}

  м³/кг.

Пример 2. Определить объем воздуха, необходимый для сгорания 4 м³ ацетилена. Составляем уравнение реакции горения ацетилена в воздухе

С₂Н₂ + 2,5О₂ + 2,5-3,76Nj = 2СО_г + Н₂О+ 9,4N₂

Согласно  уравнению реакции, на горение 1 кмоля  ацетилена необходимо 2,5+2,5-3,76=11,9 кмолей воздуха. Определяем объем воздуха, необходимый для горения 4 м³ ацетилена

.

Горючее вещество — сложная смесь химических соединений. Такими веществами являются древесина, торф, каменный уголь и др. Для определения теоретически необходимого объема воздуха нужно знать элементный состав горючего вещества, выраженный в массовых процентах, т. е. содержание С, Н, О, S, N, золы (А), влаги (W). Элементный состав вещества определяют в аналитической лаборатории. Чтобы рассчитать , запишем уравнение реакции горения углерода, водорода и серы и массовое соотношение реагирующих веществ

 С + О₂ = СО_{2 à}+ О₂ = 2Н₂О  S + О₂ = SO₃

12+32=44 4 + 32 = 36   32 + 32 = 64

Если для  сгорания 12 кг углерода требуется 32 кг кислорода, то для 0,01 кг углерода, т. е. 1% (масс.) его потребуется кислорода 0,01-32/12 = 0,01-8/3 кг, для водорода соответственно потребуется 0,01-32/4 = 0,01-8 кг и для серы 0,01 -32/32 =0,01•1 кг кислорода.

Для полного  сгорания 1 кг горючего вещества потребуется кислорода (в кг)

             ,

где   [С],   [Н],   [S],   [О]—содержание углерода,  водорода,  серы и кислорода в горючем веществе, %  (масс).

На вычисленное  количество кислорода в воздухе приходится в 77/23 раза больше азота. Сумма азота и кислорода составляет массу воздуха L\  (в кг), необходимую для горения 1 кг вещества

После преобразования получим

. (4)

Чтобы выразить количество воздуха в объемных единицах, нужно правую часть выражения (4) разделить на массу 1м³ воздуха при нормальных условиях, т. е. на 1,293 кг/м³. В результате получим

. (5)

Пример 3. Определить объем воздуха, необходимый для сгорания 5 кг торфа, состоящего из 40,0% С, 4,0% Н, 13,0% О и 20,0% N; А= 10%; W=13,0%. Азот, зола и влага горючего вещества при определении количества воздуха не учитываются, так как они не принимают участия в реакции. Объем воздуха, необходимый для сгорания 1 кг торфа, определяем по формуле (5)

       м³/кг.

Для  сгорания  5 кг торфа потребуется  воздуха 4,3^.5=21,5  м³.

Горючее вещество — смесь газов. К этой группе веществ относятся горючие газы, например природный, доменный, коксовый и др. Все они в том или ином количестве содержат СО, СН₄, Н₂, H₂S, C₂H₄ и др. Состав горючих газов обычно выражают в объемных процентах. Для вывода формулы расчета V_I напишем уравнение реакции горения наиболее распространенных газов:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О H₂S + 1, 5О₂ = Н₂О + SO₂

2СО + О₂ = 2СО₂ 2Н_а + О₂ = 2Н₂О

Если для  сгорания 1 м³ метана требуется 2 м³ кислорода, как это видно из уравнения, то для сгорания 0,01 м³ метана, т. е. 1% (об.) потребуется 0,01^.2 м³ кислорода. Для сгорания 1 м³ оксида углерода потребуется 0,01/2 м³ кислорода, такое же количество кислорода потребуется для сгорания 1 м³ водорода, а для сгорания сероводорода необходимо 0,01^.1,5 м³ кислорода.

Для полного  сгорания 1 м³ горючего газа потребуется кислорода (в м³)

   ,

 

где [СН₄], [Н₂], [СО], [H₂S] и [О₂] — содержание метана, водорода, оксида углерода, сероводорода и кислорода, % (об.).

В воздухе  на этот объем кислорода приходится в 79/21 раза больше азота. Сумма азота и кислорода составляет объем (м³) воздуха, необходимый для сгорания 1 м³ газа

.

После преобразования получим

  (6)

Как видно из уравнения (6), числа в его числителе есть коэффициенты при кислороде в  уравнениях реакций горения. Поэтому если в составе газа будут другие горючие компоненты, они могут быть поставлены в уравнение (6) с коэффициентами, взятыми из их уравнений горения.

Пример 4. Определить объем воздуха при 15°С и давлении 101325 Па, необходимый для сгорания 1 м³ природного газа, содержащего 86,5% СН₄; 3% С₂Н₆; 1% С₃Н₈; 7,3% СО₂ и 2,2% N₂. Определяем коэффициенты для этана и пропана

С₂Н₆ + 3,5О₂ = 2СО₂ + ЗН₂О С₃Н₈ + 5О₂ =. ЗСО₂ + 4Н₂О

Объем воздуха  определяем по уравнению (6)

м³.

Приводим  объем к заданной температуре  (уравнение 2)

 м³.

Практически при горении во время пожара расходуется воздуха значительно больше теоретически необходимого. Разность между количеством воздуха, практически расходуемым на горение, и теоретически необходимым, называется избытком воздуха. Отношение же количества воздуха, практически расходуемого на горение (V_B.np), к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается

. (7)

Таким образом, в условиях пожара, когда горение протекает с естественным притоком воздуха, коэффициент избытка воздуха в большинстве случаев больше единицы и колеблется в широких пределах (2—20 и выше). Коэффициент избытка воздуха можно определить по составу продуктов сгорания, если произвести их газовый анализ. Учитывая, что концентрация кислорода в воздухе составляет 21% (об.), а процентное содержание свободного кислорода в продуктах сгорания определится из анализа, можно легко найти коэффициент избытка воздуха

(8).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция 

Продукты  сгорания. Дым

 

Продуктами  сгорания называют газообразные, жидкие и твердые вещества, образующиеся в результате соединения горючего вещества с кислородом в процессе горения. Состав их зависит от состава горящего вещества и условий его горения. В условиях пожара чаще всего горят органические вещества (древесина, ткани, бензин, керосин, резина и др.), в состав которых входят главным образом углерод, водород, кислород и азот. При горении их в достаточном количестве воздуха и при высокой температуре образуются продукты полного сгорания: СО₂, Н₂О, N₂. При горении в недостаточном количестве воздуха или при низкой температуре кроме продуктов полного сгорания образуются продукты неполного сгорания: СО, С (сажа).

Продукты  сгорания называют влажными,  если при расчете их состава учитывают содержание паров воды, и сухими, если содержание паров воды не входит в расчетные формулы.

Реже во время  пожара горят неорганические вещества, такие как сера, фосфор, натрий, калий, кальций, алюминий, титан, магний и др. Продуктами сгорания их в большинстве случаев являются твердые вещества, например Р2О5, Na₂O₂, CaO, MgO. Образуются они в дисперсном состоянии, поэтому поднимаются в воздух в виде плотного дыма. Продукты сгорания алюминия, титана и других металлов в процессе горения находятся в расплавленном состоянии.

Дым представляет собой дисперсную систему, состоящую из мельчайших твердых частиц, взвешенных в смеси продуктов сгорания с воздухом. Диаметр частиц дыма колеблется от 1 до 0,01 мкм. Объем дыма, образующегося при горении единицы массы (кг) или объема (м³) горючего вещества в теоретически необходимом объеме воздуха (а=1), приведен ниже:

Горючее вещество	Объем дыма, м3/кг	Горючее  вещество	Объем дыма, мЗ/мЗ
Ацетон	8,14	Ацетилен	12,40
Бензин	2,59	Бутан	33,44
Бумага	4,21	Водород	2,88
Древесина (сосна): Воздушносухая (W = 20%)    в конструкциях  зданий	4,40 4,90	Метан	10,52
Природный газ (W = 7%)	10,40	Оксид  углерода	2,88
Керосин	12,80	Пропан	25,80
Резина	10,82	Этан	18,16

 

            

В составе  дыма, образующегося на пожарах при  горении органических веществ, кроме продуктов полного и неполного сгорания, содержатся продукты термоокислительного разложения горючих веществ. Образуются они при нагреве еще негорящих горючих веществ, находящихся в среде воздуха или дыма, содержащего кислород. Обычно это происходит перед факелом пламени или в верхних частях помещений, где находятся нагретые продукты сгорания.

Состав продуктов  термоокислительного разложения зависит от природы горючих веществ, температуры и условий контакта с окислителем. Так, исследования показывают, что при термоокислительном разложении горючих веществ, в молекулах которых содержатся гидроксильные группы, всегда образуется вода. Если в составе горючих веществ находятся углерод, водород и кислород, продуктами термоокислительного разложения чаще всего являются углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны и органические кислоты. Если в составе горючих веществ, кроме перечисленных элементов, есть хлор или азот, то в дыме находятся также хлористый и цианистый водород, оксиды азота и другие соединения. Так, в дыме, при горении капрона, содержится цианистый водород, при горении линолеума «Релин» — сероводород, диоксид серы, при горении органического стекла — оксиды азота. Продукты неполного сгорания и термоокислительного разложения, в большинстве случаев являются токсичными веществами, поэтому тушение пожаров в помещениях производят только в кислородных изолирующих противогазах.

Вид формулы  для расчета объема продуктов  полного сгорания при теоретически необходимом количестве воздуха зависит от состава горючего вещества.

Горючее вещество — индивидуальное химическое соединение. В этом случае расчет ведут, исходя из уравнения реакции горения. Объем влажных продуктов сгорания единицы массы (кг) горючего вещества при нормальных условиях рассчитывают по формуле

         , (9)

где Vn,c — объем влажных продуктов сгорания, м³/кг; m(co₂). M(h₂O), m(N₂). m_гор. — число киломолей диоксида углерода, паров воды, азота и горючего вещества в уравнении реакции горения; М — масса горючего вещества, численно равная молекулярной массе, кг.

Пример 5. Определить объем сухих продуктов сгорания 1 кг ацетона при нормальных условиях. Составляем уравнение реакции горения ацетона в воздухе

СН₃СОСН₃ + 4О₂ + 4 • 3,76N₂ = ЗСО₂ + ЗН₂О + 4 • 3,76N₂

Определяем  объем сухих продуктов сгорания ацетона

            м³/кг.

Объем влажных  продуктов сгорания 1 м³ горючего вещества (газа) можно рассчитать по формуле

  (10),

где Vn.c — объем влажных продуктов сгорания 1 m^s горючего газа, м³/м³; т(со₂); т(Н₂О), m(N₂), т_гор. — число молей диоксида углерода, паров воды, азота и горючего газа.

Пример   6. Определить объем  влажных продуктов сгорания 1 м³ метана. Составляем уравнение горения метана в воздухе

СН₄ + 2О₂+ 2-3,76N₂ = СО₂+ 2Н₂О + 2-3,76N₂

Определяем объем влажных продуктов  сгорания метана

 м³/м³

Горючее вещество — сложная смесь химических соединений. Если известен элементный состав сложного горючего вещества, то состав и количество продуктов сгорания 1 кг вещества можно определить по уравнению реакции горения отдельных элементов. Для этого составляют уравнения реакции горения углерода, водорода, серы и определяют объем продуктов сгорания, приходящийся на 1 кг горючего вещества. Уравнение реакции горения углерода имеет вид

С + О_а + 3,76N₂ = СО₂ + 3,76N₂

При сгорании 1 кг углерода получается 22,4/12=1,86 м³ СО₂ и 22,4-3,76/12 = 7,0 м³ N₂.

Аналогично  определяют объем (в м³) продуктов сгорания 1 кг серы и водорода. Полученные данные приведены ниже

СО₂          N₂          H₂O          SO₂

Углерод                          1,86      7,0       —              —