1. Записываем реакцию горения:
С3Н8 + О2 = СО2 + Н2О
2. В молекуле пропана 3 атома углерода, из них образуется 3 молекулы углекислого газа.
С3Н8 + О2 = 3СО2 + Н2О
3. Атомов водорода в молекуле пропана 8, из них образуется 4 молекулы воды:
С3Н8 + О2 = 3СО2 + 4Н2О
4. Подсчитаем число атомов кислорода в правой части уравнения
2×3 + 4 = 10
5. В левой части уравнения так же должно быть 10 атомов кислорода. Молекула кислорода состоит из двух атомов, следовательно, перед кислородом нужно поставить коэффициент 5.
С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О
Коэффициенты, стоящие в уравнении реакции, называются стехиометрическими коэффициентами и показывают, сколько молей (киломолей) веществ участвовало в реакции или образовалось в результате реакции.
Стехиометрический коэффициент, показывающий число молей кислорода, необходимое для полного сгорания вещества, обозначается буквой b.
В первой реакции b = 5.
Горение глицерина в кислороде
1. Записываем уравнение реакции горения.
С3Н8О3 + О2 = СО2 + Н2О
2. Уравниваем углерод и водород:
|
|
С3Н8О3 + О2 = 3СО2 + 4Н2О.
3. В правой части уравнения 10 атомов кислорода.
В составе горючего вещества есть 3 атома кислорода, следовательно, из кислорода в продукты горения перешли 10 – 3 = 7 атомов кислорода.
Таким образом, перед кислородом необходимо поставить коэффициент 7: 2 = 3,5
С3Н8О3 +3,5О2 = 3СО2 + 4Н2О.
В этой реакции b = 3,5.
Чаще всего в условиях пожара горение протекает не в среде чистого кислорода, а в воздухе. Воздух состоит из азота (78 %), кислорода (21 %), окислов азота, углекислого газа, инертных и других газов (1 %). Для проведения расчетов принимают, что в воздухе содержится 79 % азота и 21 % кислорода. Таким образом, на один объем кислорода приходится 3,76 объемов азота (79:21 = 3,76).
В соответствии с законом Авогадро и соотношение молей этих газов будет 1: 3,76. Таким образом, можно записать, что молекулярный состав воздуха (О2 + 3,76N2).
Составление реакций горения веществ в воздухе аналогично составлению реакций горения в кислороде. Особенность состоит только в том, что азот воздуха при температуре горения ниже 20000С в реакцию горения не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения.
Горение водорода в воздухе
Н2 + 0,5(О2 + 3,76N2) = Н2О + 0,5×3,76N2 b = 0,5.
Обратите внимание, что стехиометрический коэффициент перед кислородом 0,5 необходимо поставить и в правой части уравнения перед азотом.
Горение пропанола в воздухе
С3Н7ОН + 4,5(О2 + 3,76N2) =3СО2 + 4Н2О +4,5×3,76N2
b = 4,5.
В составе горючего есть кислород, поэтому расчет коэффициента b проводят следующим образом: 10 – 1 = 9; 9: 2 = 4,5.
2.4. Расчет теоретического объема воздуха, необходимого для горения индивидуального вещества | Пример. Какой теоретический объем воздуха необходим для полного сгорания 1 кг диэтилового эфира С2Н5ОС2Н5? Температура 100С, давление 1,2 ат. |
Теоретический объем воздуха, необходимый для горения рассчитывается по уравнению реакции горения.
|
|
1. Записываем уравнение реакции горения
1 кг х м3
С2Н5ОС2Н5 + 6(О2 + 3,76N2) =4СО2 + 5Н2О +6×3,76N2
М = 74 кг 6×4,76 × Vм =
=6×4,76×19,35 м3
2. Записываем в уравнении известные и неизвестные величины с указанием размерности.
3. Молярная масса диэтилового эфира 74 кг/кмоль. Записываем эту величину под формулой эфира.
4. При нормальных условиях молярный объем (Vм) любого газообразного вещества составляет 22, 4 л/моль или 22,4 м3/кмоль.
Если условия отличаются от нормальных, то необходимо определить, какой объем будет занимать 1 кмоль любого газообразного вещества при данных условиях. Расчет VМ ведут по формуле объединенного газового закона:
, где
Р и Т – данные в задаче температура и давление.
Рассчитаем, какой объем занимает 1 кмоль воздуха (как и любого другого газообразного вещества) при данных температуре и давлении.
м3/кмоль
Записываем данную величину под формулой воздуха, умножив ее на стехиометрический коэффициент (6×4,76).
5. По уравнению реакции найдем теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания эфира:
Vвтеор = 7,5 м3
2.5. Расчет объема и процентного состава продуктов горения индивидуального вещества | Пример. Определить объем и состав в объемных % продуктов горения, образовавшихся при сгорании 3 кг бензола С6Н6. Температура 200С, давление 770 мм рт.ст. |
В случае индивидуального химического соединения объем и состав продуктов горения рассчитывается по уравнению реакции горения.
1. Записываем уравнение реакции горения
3 кг х1 м3 х2 м3 х3 м3 х4 м3
С6Н6 + 7,5(О2 + 3,76N2) = 6СО2 + 3Н2О + 7,5×3,76N2
М = 78 кг 7,5×4,76 × Vм = 6×Vм = 3×Vм = 7,5×3,76×Vм =
=7,5×4,76×23,7 м3 =6×23,7 м3 =3×23,7 м3 =7,5×3,76×23,7 м3
2. Рассчитаем, какой объем занимает 1 кмоль газообразных веществ при заданных температуре и давлении.
м3/кмоль
При нормальных условиях Vм = 22,4 м3/кмоль.
3. Теоретический объем продуктов горения (VПГ) определяем по уравнению реакции.
VПГ = 33,9 м3
4. Иногда возникает необходимость рассчитать объем отдельных компонентов продуктов горения и их процентный состав.
В этом случае по уравнению реакции определяем объем СО2, Н2О и N2.
V(СО2) = х2 = = 5,47 м3
V(Н2О) = х3 = = 2,73 м3
V(N2) = х4 = = 25,71 м3
Объемная концентрация каждого компонента смеси рассчитывается следующим образом:
jоб (СО2) = = = 16,1 %
jоб (Н2О) = = = 8,1 %
jоб (N2) = = = 75 ,8 %
Обратите внимание, что более половины объема всех продуктов горения – это азот воздуха, израсходованного на горение. Если же горение протекает с коэффициентом избытка воздуха a > 1, то избыточный воздух также составляет значительную часть продуктов горения.
2.6. Расчет стехиометрической концентрации | Пример. Рассчитать стехиометрическую концентрацию пропана С3Н8 в % и г/м3 при температуре 250С и давлении 95 кПа. |
Стехиометрической концентрацией называется такая концентрация, когда реагирующие вещества взяты в эквивалентных отношениях, при этом коэффициент избытка воздуха a = 1.
Расчет стехиометрической концентрации производится по уравнению реакции горения индивидуального вещества. Общие формулы для вычисления объемной и массовой стехиометрической концентрации следующие:
jстехобъем = , %
jстехмасс = , г/м3.
1. Уравнение реакции горения пропана.
С3Н8 + 5(О2 + 3,76 N2) = 3СО2 +4Н2О + 5· 3,76 N2
b = 5
jстехобъем = = 4,03 %
2. Молярная масса М (С3Н8) = 46 г/моль (кг/кмоль);
Vм = = 26,1 м3/кмоль
jстехмасс = = 71,0 г/м3.
2.7. Расчет концентрационных пределов распространения пламени | Пример. Рассчитать КПР газа пропана С3Н8. |
Концентрационные пределы распространения пламени (область воспламенения) для газо- и паровоздушных смесей могут быть рассчитаны по следующей формуле
|
|
, %,
где
j Н(В) - нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени (НКПР и ВКПР), %;
b - число молекул кислорода (коэффициент перед кислородом в уравнении реакции горения вещества);
a и b - константы, имеющие значения, приведенные в таблице 4.
Таблица 4.
Значения коэффициентов “ а ” и “ b ” для расчета концентрационных