Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
5
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Утверждено
на заседании кафедры пожарной
и производственной безопасности
27 сентября 2003г.
Исследование закономерностей влияния
флегматизаторов
воспламенения смеси паров
жидкости с воздухом
к лабораторной работе №2
Ростов – на – Дону
2004
УДК 614.841
Исследование закономерностей влияния флегматизаторов на концентрационные пределы воспламенения смеси паров жидкости с воздухом. Методические указания к лабораторной работе № 2. Ростов-на-Дону: Рост. гос. строит. ун-т, 2004. — 10 с.
В методических указаниях содержатся экспериментальные и расчетные методы для изучения изменения концентрационных пределов воспламенения (КПВ) при разбавлении паровоздушных смесей инертным газом (флегматизатором).
Предназначены для студентов специальностей "Пожарная безопасность" и "Защита чрезвычайных ситуаций".
Составители: д-р техн. наук, проф.
Е.И.Богуславский,
ст.преп. Е.А.Чикалова .
-----------------------------------------------------------------------------------------------
Подписано в печать 16.09.04. Формат 60х84/16.
Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд. л. 0,9
Тираж 50 экз. Заказ 253
────────────────────────────────────────────────
Редакционно-издательский центр
Ростовского государственного строительного университета
344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162
© Ростовский государственный
строительный университет, 2004
Цель работы. Экспериментальным и расчетным методами изучить изменение концентрационных пределов воспламенения (КПВ) при разбавлении паровоздушных смесей инертным газом (флегматизатором).
В основе горения как сложного физико-химического процесса лежит быстро протекающая экзотермическая химическая реакция. Химическая реакция может быть реакцией горения только в том случае, если она удовлетворяет двум условиям:
- протекает с выделением тепла (экзотермичность);
- скорость не ниже некоторого предельного значения.
Как известно, скорость химической реакции определяется концентрацией реагирующих веществ (закон действующих масс) и температурой, при которой протекает реакция (закон Аррениуса):
(1)
где – скорость реакции;
и – концентрации веществ, вступающих в химическое взаимодействие (горючее и окислитель);
m, n – порядок химической реакции по реагирующим компонентам;
к – предэкспоненциальный коэффициент;
Е – энергия активации химической реакции;
R – универсальная газовая постоянная;
Т – температура протекания химической реакции.
Согласно уравнению (1) не допустить возникновения горения или прекратить его можно, если понизить концентрацию горючего или окислителя или температуру реакции, под которой в данном случае понимается температура горения.
Температура горения зависит от концентрации реагирующих веществ и может быть определена из уравнения теплового баланса:
, (2)
где Т0 – начальная температура;
Q – теплота химической реакции по недостающему компоненту;
– коэффициент полноты выделения энергии (коэффициент полноты сгорания);
ср – теплоемкость i-го продукта сгорания;
nnri – объем i-го продукта сгорания;
с'р – теплоемкость избыточного компонента;
n' – объем не вступившего в реакцию избыточного компонента.
Из уравнения (2) следует, что чем сильнее смеси отличаются от эквимолекулярного (стехиометрического) состава, тем больше объем не прореагировавшего избыточного компонента реакции n', тем ниже температура горения.
Таким образом, понижая концентрацию одного из реагирующих компонентов – горючего или окислителя, можно скорость реакции снизить до уровня, когда возникновение горения или его распространение станет невозможным. Так, понижение адиабатической температуры горения органических соединений до 1500К (действительная температура 900-1000С) за счет снижения концентрации горючего в газовоздушной смеси приводит к прекращению горения. Эта смесь не воспламеняется даже от мощного источника зажигания.
Если с этих позиций рассмотреть понятие так называемого "треугольника горения", то можно отметить, что его определение нуждается в уточнении: горение возможно лишь в том случае, если в системе одновременно присутствуют источник зажигания, горючее и окислитель при определенных соотношениях друг с другом. Соотношение горючего и окислителя, при котором возможно воспламенение и горение, называется областью воспламенения. Минимальная концентрация горючего, при которой возможно воспламенение и горение его смесей с окислителем, называется нижним концентрационным пределом воспламенения (НКПВ). Соответственно максимальная концентрация горючего – верхним концентрационным пределом воспламенения (ВКПВ). Горючие смеси, находящиеся между НКПВ и стехиометрической концентрацией, содержат избыток окислителя и называются бедными. Смеси, находящиеся между стехиометрической концентрацией и ВКПВ, содержат избыток горючего и называются богатыми. Понятно, что стехиометрические смеси имеют максимальную температуру горения и наиболее пожароопасны.
Концентрационные пределы воспламенения, которые разделяют смеси на горючие и негорючие, являются одними из важнейших показателей пожарной опасности веществ.
В настоящее время разработаны экспериментальные и расчетные методы определения КПВ. Эти величины определяются не только видом горючего и окислителя, но и зависят от различных условий: начальной температуры, давления, мощности источника зажигания, концентрации в смеси инертных и химически активных веществ и т.п. На практике это находит широкое применение для снижения пожарной опасности веществ. Уменьшая, например, давление в химическом аппарате или вводя инертные газы, можно горючие смеси переводить в негорючее состояние.
Концентрационные пределы воспламенения можно определить:
по аппроксимационной формуле
, (3)
где – нижний (верхний) предел воспламенения;
– количество молей кислорода, необходимого для полного окисления одного моля горючего, стехиометрический коэффициент;
а, в – коэффициенты по предельной теплоте сгорания
, (4)
где – предельная теплота сгорания 1830 кДж/м3;
– низшая теплота сгорания горючего, кДж/м3;
по температурным пределам воспламенения (ТПВ)
, (5)
где – давление насыщенных паров жидкости, соответствующее нижнему (верхнему) ТПВ, Па;
– общее (атмосферное) давление, Па.
При введении в паровоздушную смесь инертных газов (флегматизаторов) – двуокись углерода, азот, пары воды, гелий, аргон и т.п., область воспламенения сужается – нижний предел возрастает, а верхний понижается. При некотором количестве флегматизатора, называемом минимальной флегматизирующей концентрацией , верхний и нижний пределы смыкаются, образуя точку флегматизации (рис.1).
Концентрация горючего и инертного газа в точке флегматизации может быть рассчитана при следующих допущениях: адиабатическая температура горения равна 1500°К, соотношение горючего и окислителя – стехиометрическое.
Тогда из (2) следует:
(6)
В этом случае избыточным компонентом является флегматизатор, т.е. = n'.
Зная состав четырехкомпонентной смеси (горючее – , окислитель – n0 , азот воздуха – 3,76 n0 , флегматизатор – nф), можно определить их концентрацию:
(7)
Численные значения , n0 – устанавливаются из уравнения химической реакции горения, а nф – из (6).
Концентрацию флегматизатора можно рассчитать также по эмпирической формуле:
, (8)
где – энтальпия образования горючего;
– количество i-ых элементов;
, , – коэффициенты, зависящие от вида горючего и флегматизатора .
2. Экспериментальная часть
- значения верхнего и нижнего концентрационных пределов воспламенения паров исследуемой жидкости в воздухе;
- координаты точек флегматизации, т.е. рассчитать минимальную флегматизирующую концентрацию двуокиси углерода и концентрацию горючего в точке флегматизации.
3. По экспериментальным и расчетным результатам построить график зависимости КПВ паров жидкости в воздухе от содержания двуокиси углерода. По результатам исследования сделать выводы.
Экспериментальная
установка
Экспериментальная установка (рис.2) состоит из взрывной камеры 1 с впаянными электродами 2, которые через высоковольтный генератор 3 и выпрямитель 4 соединены с электрической сетью. Нижний конец пипетки с помощью крана 5 соединяется с атмосферой, а верхний ее конец через кран 6 и трехходовой кран 7 – с вакуумметром 8 и вакуумным насосом 9. Испытуемая жидкость заливается в сосуд 10, флегматизатор (двуокись углерода) храниться в резиновой камере 11.
Экспериментальное определение КПВ производится путем нахождения предельных концентраций, еще способных к воспламенению и распространению горения.
3. Порядок выполнения работы
1. Заполнить таблицу (табл.1) исходных данных.
Таблица 1
|
№ п/п |
Параметры |
Значение параметров |
|
1 2 3 4 5 |
Жидкость Атмосферное давление, Па Температура окружающей среды, С Концентрация двуокиси углерода, % Давление насыщенных паров жидкости, Па |
Горючая жидкость и концентрация флегматизатора задаются преподавателем, атмосферное давление и температура определяются по приборам. Давление насыщенного пара жидкости является функцией температуры (уравнение Клапейрона-Клаузиуса).
2. По формулам (3), (4), (5) рассчитать значения концентрационных пределов воспламенения, по формулам (7) и (8) – минимальную флегматизирующую концентрацию двуокиси углерода и концентрацию горючего в точке флегматизации. Результаты расчета занести в табл.2.
Таблица 2
|
№ п/п |
Расчетные параметры |
Значение параметра |
Среднее значение параметра |
|
1 2 3 4 |
НКПВ, % по формуле (3) по формуле (4) по формуле (5) ВКПВ, % по формуле (3) по формуле (5) Минимальная флегматизирующая концентрация, % Концентрация горючего в точке флегматизации, % |
3. Определить количество насыщенных паров горючей жидкости для первоначального введения во взрывную камеру. Отсчет производить по образцовому вакуумметру. Шкала вакуумметра составляет одну техническую атмосферу 1 кгс/см2 (98 000 Па или 735 мм рт. ст.) и разделена на 100 делений. Поскольку в камеру вводится не чистое вещество, а смесь его насыщенных паров с воздухом, то необходимо знать их давление pн.п (табл.1). По среднему расчетному значению НКПВ определить первоначальное количество насыщенных паров, вводимых в камеру, в делениях вакуумметра
, (9)
где – среднее расчетное значение НКПВ (табл.2).
Количество флегматизатора, вводимого в камеру, в делениях вакуумметра:
, (10)
где – заданное значение флегматизатора, % (табл.1).
4. Опыт проводить по следующей схеме:
Таблица 3
|
№ п/п |
Содержание флегматизатора |
Результат испытания |
Значение НКПВ, % |
|||
|
, % |
z ф |
z г |
г, % |
(да, нет) |
н |
5. По данным табл.2 и 3 построить график зависимости КПВ от содержания флегматизатора, определить область воспламенения (рис.1).
4. Контрольные вопросы
Бибилиографический список
1. Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е.В. Процессы горения: Учебное пособие. - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1984.
2. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров В.Е.. Физико-химические основы развития и тушения пожаров: Учебное пособие. – М.: ВИПТШ МВД СССР, 1980.
3. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. – М.: Химия, 1979.
4. Демидов П.Г., Шандыба З.А., Щеглов П.П. Горение и свойства горючих веществ. Учебное пособие. – М.: Химия, 1981.
5. Бусев А.И., Ефимов И.П. Определения, понятия, термины в химии: Словарь химических терминов. - М.: Просвещение, 1977.