Горение пропана в кислороде

 

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 × V_м =

=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 (V_м) 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 V_М 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:

V_в^теор = 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 × V_м = 6×V_м = 3×V_м = 7,5×3,76×V_м =

=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 V_м = 22,4 м³/кмоль.

3. Теоретический объем продуктов горения (V_ПГ) определяем по уравнению реакции.

V_ПГ = 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:

 

j^об (СО₂) = = = 16,1 %

j^об (Н₂О) = = = 8,1 %

j^об (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:

 

j_стех^объем = , %

 

j_стех^масс = , г/м³.

 

1. Уравнение реакции горения пропана.

 

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

b = 5

 

j_стех^объем = = 4,03 %

 

2. Молярная масса М (С₃Н₈) = 46 г/моль (кг/кмоль);

 

V_м = = 26,1 м³/кмоль

j_стех^масс = = 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