Практическое задание 9

по учебному курсу «Пожарная безопасность технологических процессов»

Вариант ____ (при наличии)

Студент	(И.О. Фамилия)
Группа
Ассистент	(И.О. Фамилия)
Преподаватель	(И.О. Фамилия)

Тольятти 20__

Бланк выполнения задания 9

Расчет концентрации для каждого вредного вещества в помещении.

1. …..

2. …..

3. …..

4. …...

5. ……

6. ……

Таблица 9.4

Время достижения ПДКсс и ПДКмр вредных веществ

№ п/п	Вредное вещество	Время наступления ПДКсс, мин	Время наступления ПДКмр, мин
1	Оксид углерода, CO
2	Оксид азота, (NO2)
3	Твердые вещества
4	Оксид серы, SO2
5	Бензапирен

Практическое задание № 10. Расчёт минимальной флегматизирующей концентрации газовоздушных смесей (ГВС) и пылевоздушных смесей (ПВС)

Тема 3.2. Пожарная безопасность процессов транспортировки горючих веществ и материалов

Цель работы. Научиться рассчитывать концентрационные пределы распространения пламени и концентрацию флегматизатора для предотвращения пожара или взрыва.

Теоретический материал

Концентрационные пределы воспламенения (КПВ) – это концентрация горючих газов, при которой уже возможен взрыв при воздействии импульса воспламенения.

Нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПВ) –минимальная концентрация горючего в окислителе, способная воспламениться от высокоэнергетического источника с последующим распространения горения на всю смесь.

Верхний концентрационный предел распространения пламени (ВКПВ) –максимальная концентрация горючего в окислителе, способная воспламениться от высокоэнергетического источника с последующим распространения горения на всю смесь.

Если известны концентрационные пределы воспламенения при температуре Т₁, то при температуре Т₂ они вычисляются по формулам:

; (1)

, (2)

где , – нижний концентрационный предел воспламенения соответственно при температурах Т₁ и Т₂;

, – верхний концентрационный предел воспламенения соответственно при температурах Т₁ и Т₂;

Т_Г – температура горения смеси.

При определении НКПВ температуру горения смеси –Т_Г приближенно принимают равным 1550 К, при определении ВКПВ – 1100 К.

При разбавлении газовоздушной смеси инертными газами (N₂, CO₂, пары H₂O и т. д.) область сужается – верхний предел снижается, а нижний возрастает. Концентрация инертного газа (флегматизатора), при которой нижний и верхний пределы воспламенения смыкаются, называется минимальной флегматизирующей концентрацией (МФК) .

Содержание кислорода в такой системе называют минимальным взрывоопасным содержанием кислорода (МВСК) .

Расчет указанных параметров проводят по формулам:

; (3)

; (4)

, (5)

где – стандартная теплота образования горючего, Дж/моль;

, , – константы, зависящие от вида химического элемента в молекуле горючего и вида флегматизатора;

– количество атомов i-го элемента (структурной группы) в молекуле горючего.

Расчет этих параметров может проводиться по другой физически более прозрачной методике – решением уравнения теплового баланса при следующих двух условиях:

1. в точке флегматизации горючая смесь имеет предельную температуру горения примерно 1500 К;

2. смесь является стехиометрической при окислении углерода до CO₂, водорода – до H₂O.

Уравнение теплового баланса в случае разбавления нейтральным газом представляем в виде

, (6)

где – предельная теплота сгорания, кДж/м³;

– предельная температура горения примерно 1500 К;

, – соответственно, теплоемкость i-го продукта горения и нейтрального газа (флегматизатора), кДж/(моль·К);

– объём, т.е. количество молей i-го продукта горения стехиометрической смеси, моль/моль;

– объём, количество молей нейтрального газа в точке флегматизатора, моль/моль.

Из (6) объём флегматизатора будет равен:

. (7)

Приняв объем всех компонентов газовоздушной смеси за 100 %, определяется концентрация (% об.) каждого из них, (минимальная флегматизирующая концентрация в стехиометрической смеси):

. (8)

Следствие из закона Гесса о расчете тепловых эффектов химических реакций по теплотам образования – стандартный тепловой эффект химической реакции равен разности теплоты образования продуктов реакции и теплоты образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов (количества молей) реагентов. Рассчитываем низшую теплоту химической реакции по формуле (9):

кДж/моль. (9)

Рекомендации по выполнению задания

1. Изучить теоретический материал и образец выполнения задания (пример 1,2).

2. Выбрать вариант выполнения задания (таблица 10.1). Выбор – произвольный, за исключением, вещество «Ацетон» (вариант 1) – не выбирать, он приведён в качестве примера.

3. Расcчитать безопасную концентрацию кислорода при разбавлении углекислым газом смеси паров взрывоопасного вещества (по варианту из таблицы 10.1) в воздухе аналогично примеру 1.

4. Рассчитать параметры точки флегматизации аналогично примеру 2:

1. МФК (минимальной флегматизирующей концентрации) – ;

2. МВСК (концентрация кислорода в точке флегматизации) – ;

3. концентрацию горючего ( при разбавлении газовоздушной смеси (по номеру варианта) диоксидом углерода.

5. Оформить отчёт на бланке выполнения задания 10 в соответствии с образцом.

Таблица 10.1

Данные для вариантов заданий

Номер варианта	Вещество	Химическая формула	Теплота образования, кДж/моль	Температура кипения, °C	Размеры помещения axbxh, м
1	Ацетон	C3H6O	248,1	56,24	4,0x3,5x3,0
2	Трет-амиловый спирт	C5H12O	359,1	102,3	5,0x4,0x2,5
3	Трет-бутилбензол	С10H14	33,1	168,0	4,5x4,0x3,0
4	Этанол	C2H6O	278,2	78,4	5,5x4,0x3,0
5	Этилбензол	С8H10	33,2	136	6,0x4,5x3,0
6	Пропиловый спирт	C3H8O	307,1	97,2	7,0x5,0x3,5
7	Нитроэтан	C2H5NO2	144,1	114,1	6,5x4,0x3,0
8	н-Пентан	C5H12	184,4	37	7,5x5,0x4,0
9	Анилин	C6H7N	29,7	184,4	8,0x5,5x4,0
10	н-Гексан	С6H14	167,2	68,7	8,5x5,0x4,0
11	н-Гептан	С9H20	239,7	98	7,5x4,0x4,0
12	Глицерин	С10H14	675,4	245	8,0x5,0x3,5
13	Диоксон	C4H8O2	375,4	116	9,0x5,5x4,0
14	Фтор-изоамиловый спирт	C5H12O	359,1	112,0	9,5x5,0x4,0
15	Изобутиловый спирт	C11H12O	341,5	107,8	6,5x6,0x4,0
16	Изогексиловый спирт	C6H14O	385,1	151,6	10,0x6,0x3,5
17	Метанол	CH4O	239	64	9,5x6,0x4,0
18	Пропанол	C3H8O	307,1	97	10,0x4,5x3,0
19	Толуол	C7H8	4,19	110,6	6,0x5,0x2,5
20	Диметиловый эфир	C2H6O	207,8	25	8,5x4,0x3,0

Таблица 10.1.1

Значение параметров для расчета минимальной флегматизирующей концентрации инертных газов

		Значения параметров при разбавлении смеси
Параметры		азотом	водяным паром	двуокисью углерода
f,	моль/Дж	0,864×10-5	0,800×10-5	0,735×10-5
ф		1,256	0,780	0,579
с		2,5277	1,651	1,251
н		0,7592	0,527	0,418
о		0,197	1,446	0,542
N		–0,151	–0,147	–0,135
c-c		1,500	1,500	1,500
		2,800	2,236	2,020
с		5,946	5,000	4,642
н		1,486	1,250	1,160
о		–2,973	–2,500	–2,321
с-с		0	0	0
N		0	0	0

Образец выполнения задания 10

Пример 1. Расcчитать безопасную концентрацию кислорода при разбавлении углекислым газом смеси паров ацетона в воздухе.

Решение. По справочнику находим теплоту образования ацетона 248,1 10³ Дж/моль. Из химической формулы ацетона (C₃H₆O) следует, что m_C = 3, m_H = 6, m_O = 1.

Значения остальных параметров, необходимые для расчета формуле (3) выбираем по таблице 10.1.1 для двуокиси углерода (CO₂):

= 0,735·10^-5;

= 0,579;

( = 1,251; = 0,418; = 0,542);

= 2,020;

( = 4,642;

= 1,160;

= –2,321.

Произведем расчет по формулам 3–5:

.

.

Пример 2. Рассчитать параметры точки флегматизации:

1. МФК (минимальной флегматизирующей концентрации) – ;

2. МВСК (концентрация кислорода в точке флегматизации) – ;

3. концентрацию горючего ( при разбавлении бутановоздушной смеси диоксидом углерода.

Решение.

Расчет проведем по уравнениям (6)–(8).

Запишем уравнение химической реакции окисления бутана до CO и H₂O.

Таблица 10.2

Теплоты образования веществ

Вещество	CH4 (газ) (метан)	CO (газ)	C (графит)	H2O (газ)
Количество молей	1	2	3	2
, кДж/моль	–74,85	–112,7	0	–244,2

Из табл.10.2 находим теплоты образования продуктов реакции и рассчитываем низшую теплоту химической реакции Q_H:

.

Имея данные по теплоемкости продуктов горения и нейтрального газа при температуре 1500 К (таблица 10.3), рассчитываем количество молей диоксида углерода в точке флегматизации по формуле (7).

Таблица 10.3

Теплоёмкость некоторых продуктов горения

Вещество	Удельная теплоёмкость, кДж/(кмоль·К)
Диоксид углерода, СО2	50,749
Диоксид серы, SO2	51,08
Вода (пар), H2O	39,85
Азот, N2	31,81
Оксид углерода, СО	33,73
Водорода, Н	30,107

МФК диоксида углерода определим по формуле (6):

Рассчитываем минимальное взрывоопасное содержание кислорода МВСК по аналогии с формулой (8), где количество молей кислорода берём из уравнения химической реакции окисления бутана.

Далее рассчитывается концентрация горючего в точке флегматизации.

.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Тольяттинский государственный университет»

____________________________________________________________

(институт)

____________________________________________________________

(кафедра)