Расчёт КПРП для смеси горючих веществ

 

В том случае, если горючее вещество представляет из себя смесь веществ с известными КПРП, то пределы распространения пламени для такой смеси при 25 ^оС можно установить, пользуясь формулой Ле-Шателье, %

смн(в)		,	(46)

i

 

i н(в)

 

где _I – мольная доля i –го вещества в смеси;

_{i н(в)} – значение НКПРП или ВКПРП i –го вещества.

 

Данная формула справедлива для большинства горючих смесей, хотя в некоторых случаях могут наблюдаться отклонения, связанные с химическим взаимодействием веществ. Пересчѐт КПРП для температуры, отличной от 298 К, также осуществляется по формулам (42, 43).

 

ПРИМЕР: Определить КПРП смеси,состоящей из45об. %метана и55об.%бутана при температуре 37 ^оС.

Решение:

 

1. Значения КПРП индивидуальных веществ (метана и бутана) находим в таблице приложения 4:

для метана

н = 5 %; в = 15 %.

для бутана

н = 1,86 %; в = 8,41 %.

Рассчитываем КПРП по формуле Ле-Шателье, %

смн

2,56%

;

0,45

0,55

i

i н

1,86

смв

10,52%.

0,45

0,55

i

_{i в} 15 8,41

5. По формулам пересчитываем значения КПРП при температуре

37+273 = 310 К:

н Т	н Т (1		Т 298	)	2,56 (1	310 298	) 2,53 %;

 

 

в Т	в	298 (1		Т 298	)	10,52 (1	310 298	) 10,67 %.

 

Ответ:КПРП газовой смеси при37^оС составляют2,53 –10,67 %.

 

 

РАСЧЁТ МИНИМАЛЬНОЙ ФЛЕГМАТИЗИРУЮЩЕЙ КОНЦЕНТРАЦИИ И МИНИМАЛЬНОГО ВЗРЫВООПАСНОГО

 

СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА

 

Область воспламенения горючей смеси сужается при введении в неѐ негорючих компонентов – так называемых флегматизаторов, чаще всего инертных негорючих газов (диоксида углерода, азота, аргона, гелия, паров воды).

 

Изменение КПРП при этом зависит от природы и концентрации негорючего вещества, используемого в качестве флегматизатора. Влияние флегматизаторов на КПРП зависит от тепловых характеристик газов – теплоѐмкости и теплопроводности. Чем выше теплоѐмкость газа при одной и той же теплопроводности, тем выше эффективность его действия.

 

При увеличении концентрации флегматизатора в горючей смеси ВКПРП уменьшается, а НКПРП, как правило, незначительно увеличивается. При некоторой определѐнной для каждого флегматизатора концентрации нижний и верхний концентрационные пределы сливаются (рис. 1). Эта точка называется экстремальной точкой области распространения пламени или точкой флегматизации. Концентрация флегматизатора, при которой происходит слияние нижнего и верхнего пределов, называется минимальной флегматизирующей концентрацией (МФК) –наименьшая концентрацияфлегматизатора в смеси с горючим и окислителем, при которой смесь становится неспособной к распространению пламени при любом соотношении горючего и окислителя. По сути МФК - это минимальное количество флегматизатора, которое необходимо ввести в газовоздушную смесь стехиометрического состава, чтобы сделать еѐ негорючей.

 

 

Рис. 1. Зависимость концентрационных пределов распространения пламени от концентрации флегматизатора в газовоздушной смеси.

 

Максимальную флегматизирующую концентрацию можно рассчитать исходя из того, что адиабатная температура горения смеси стехиометрического состава не может быть меньше 1500 К.

 

Уравнение для расчѐта адиабатной температуры горения стехиометрической смеси, содержащей флегматизатор, имеет вид:

Т Г	Т		Q н		,	(47)
с рiV ПГ i
			с р ф V ф

где V _{ПГ i} –объѐм i –го продукта горения,моль/моль; V _ф–объѐм флегматизатора,моль/моль.

Тогда объѐм флегматизатора будет равен:

V	Q н(Т Г	Т 0 ) с рi V ПГ i	,	(48)
ф	(Т Г	Т 0) с р
		ф

а его минимальная флегматизирующая концентрация в стехиометрической смеси

ф			V ф		.	(49)
V ГВ	V O2
	V N2 V ф

Концентрация горючего в смеси, соответствующая точке флегматизации, рассчитывается по уравнению:

ф			V
ГВ			ГВ		.	(50)
V ГВ	V O2	V N2 V ф

 

Концентрация кислорода в этой же смеси (в точке флегматизации) называется минимальным взрывоопасным содержанием кислорода (МВСК) - такая концентрация кислорода в горючей смеси, состоящей из горючего вещества, воздуха и флегматизатора, меньше которой распространение пламени

 

в горючей смеси становится невозможным при любой концентрации горючего

в смеси, разбавленной данным флегматизатором.

МВСК рассчитывается по формуле, %

 

ф		ф	.	(51)
О 2	4,844

Значения МВСК для некоторых газовоздушных смесей приведены в приложении 4.

 

Безопасная концентрация кислорода принимается с некоторым запасом и рассчитывается по формуле:

без = 1,2·	О2	ф – 4,2.	(52)
О 2

ПРИМЕР: Определить значение МФК и безопасную концентрацию кислородапри разбавлении пропановоздушной смеси водяным паром.

 

Построить зависимость концентрационных пределов распространения пламени от концентрации флегматизатора.

 

Решение:

Минимальную флегматизирующую концентрацию находим из условия

минимальной адиабатной температуры горения стехиометрической

пропановоздушной смеси, где ТГ = 1500 К.	ф			V ГВ		.
V ГВ	V O2	V N2 V ф

Низшая теплота сгорания пропана Q _{н .} = 2049 кДж/моль (см табл.

приложения 4).

 

Согласно уравнению материального баланса

С₃Н₈ + 5 (О₂ + 3,76 N₂) = 3СО₂ + 4Н₂О + 5 3,76 N₂.

 

V _CO2= 3моль/моль; V _Н2О= 4моль/моль; V _N2= 5·3,76моль/моль.

 

Значения теплоѐмкостей можно взять в табл. 6. Объем флегматизатора в предельной по горючести стехиометрической смеси рассчитывается по формуле, моль/моль

	(1500	273)(3 5,08 10			3,99 10		5 3,76	3,18 10		2)
V ф																				30,7.
				(1500	273)3,99 10
Минимальная флегматизирующая концентрация паров воды
	ф				V ф100								30,7 100			55,3 %;
	V ГВ	V O2 V N2	V ф					5 3,76		30,7
Концентрация горючего в точке флегматизации
	ГВ	ф		V ГВ100									1 100				2,8%.
		V ГВ V O2 V N2	V ф			5 3,76	30,7

КПРП пропана в воздухе равны 2,37 – 9,5 об. %. По полученным данным строим зависимость КПРП от концентрации флегматизатора (рис. 2.).

МВСК (концентрация кислорода в точке флегматизации)

 

ф		ф	100 55,3	9,2 %.
О 2
4,844		4,844

Значение безопасной концентрации кислорода для пропановоздушной

 

смеси с водяным паром

 

 

О 2

 

без = 1,2·

 

 

О2ф – 4,2 = 1,2 · 9,2 – 4,2 = 6,8 %.

 

 

 

Рис. 2. Зависимость КПРП пропана от концентрации флегматизатора (водяной пар)