Правила составления уравнения реакции горения

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Академия гражданской защиты» МЧС ДНР

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К выполнению индивидуального задания

по дисциплине

«Теория горения и взрыва»

(для студентов, обучающихся по направлению подготовки

20.03.01 «Техносферная безопасность»

и по специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность»)

Рассмотрено на заседании кафедры

естественнонаучных дисциплин

Протокол № от г.

Утверждено на заседании учебно-издательского совета ГОУВПО «Академия гражданской защиты» МЧС ДНР

Протокол № от г.

Донецк

2017

содержание

		Стр.
	ВВЕДЕНИЕ	4
1.	Общие указания по выполнению контрольной работы.	6
2.	Правила составления уравнения реакции горения.	8
3.	Примеры решения типовых задач	15
4.	Тип 1. Расчет материального баланса процесса горения.	15
5.	Тип 2. Расчет теплового баланса процесса горения.	31
6.	Тип 3. Расчёт концентрационных пределов распространения пламени.	42
7.	Тип 4. Расчет температуры вспышки и температурных пределов распространения пламени.	47
8.	Тип 5. Расчетное определение температуры самовоспламенения.	50
9.	Тип 6. Расчет параметров взрыва парогазовых смесей.	56
10.	Варианты Заданий для самостоятельного решения	59
11.	ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ	59
12.	ЗАДАЧИ	61
13.	Список рекомендуемой литературы	85
14.	Приложения	86

Введение

Предметом изучения дисциплины «Теория горения и взрыва» являются физические и химические процессы и явления, связанные с горением на стадии его возникновения, развития и прекращения.

Использование знаний о механизмах протекания горения дает возможность управлять горением на пожаре, организовывать профилактические меры против возникновения самовоспламенения, самовозгорания, воспламенения, меры по снижению интенсивности горения на пожаре, его локализации и тушению. Глубокое понимание явления горения обеспечивает успешную борьбу с пожарами.

Цель дисциплины «Теория горения и взрыва» состоит в изучении теории возникновения горения и взрыва, приобретении умений и навыков по практическому применению теоретических знаний.

Задачами дисциплины являются:

- изучение теории теплового и цепного взрыва, зажигания и распространения пламени, детонации и ударных волн;

- изучение условий возникновения и распространения горения, условий перехода горения во взрыв, параметров горения газов, жидкостей и твердых горючих материалов;

- изучение методов расчета объема и состава продуктов горения, теплоты и температуры горения, основных показателей пожарной опасности.

Знание химической и физической сути горения необходимо для успешно работы инженера пожарной безопасности в любой области его деятельности.

Методические рекомендации по выполнению контрольной работы по дисциплине «Теория горения и взрыва» предназначены для использования слушателями факультета заочного обучения и соответствуют:

- федеральному образовательному стандарту высшего профессионального образования третьего поколения;

- современному уровню развития знаний с точки зрения методов исследования, теорий, гипотез, фактов.

Методические рекомендации ориентируют обучающегося на самостоятельное использование научных методов при решении задач теории и практики; содержат методический аппарат, развивающий их творческие способности и организующий самостоятельную работу.

Издание включает все основные типы задач по дисциплине "Теория горения и взрыва". В нем приведены подробные алгоритмы решения типовых задач, даны методические рекомендации по выполнению контрольной работы.

В издании соблюдена Международная система единиц (СИ).

1. Общие указания по выполнению контрольной работы

Контрольная работа является важной формой контроля знаний, развития умений и навыков по дисциплине «Теория горения и взрыва» слушателей факультета заочного обучения. В соответствии с учебным планом слушатели факультета заочного обучения обязаны выполнить одну контрольную работу по дисциплине "Теория горения и взрыва".

Контрольная работа выполняется с целью изучения теоретических вопросов основных разделов курса и освоения методики решения задач, используемых в практической деятельности работников пожарной охраны.

Основные задачи контрольной работы:

- систематизация и закрепление теоретических знаний по основным разделам дисциплины;

- развитие навыков самостоятельной работы;

- совершенствование практических навыков расчета объема и состава продуктов горения, теплоты сгорания и температуры горения;

- совершенствование методов оценки основных показателей пожарной опасности веществ и материалов.

Контрольная работа выполняется слушателем самостоятельно.

В результате выполнения контрольной работы слушатели должны закрепить полученные знания, умения и навыки:

- о физико-химической природе явлений горения и взрыва;

- условий самовоспламенения, самовозгорания и зажигания;

- условий распространения пламени и природы пределов его распространения;

- условий перехода нормального горения во взрыв;

- проведения анализа изменения параметров горения в зависимости от различных факторов.

Контрольная работа выполняется по индивидуальному заданию.

Вариант задания выбирается по двум последним цифрам номера зачётной книжки (Приложение 1 табл. 1).

Контрольная работа выполняется в ученической тетради с полями, содержащей не менее 18 листов. На титульном листе тетради должны быть указаны звание, фамилия, имя, отчество, номер зачётной книжки и домашний адрес слушателя. Работа выполняется аккуратно, разборчивым почерком через строчку. В задании должны быть представлены номер и полный текст вопросов.

Ответы на теоретические вопросы должны быть конкретными, развернутыми, полными. Все рисунки, схемы должны быть выполнены карандашом по линейке, пронумерованы и названы. Задачи должны быть оформлены в соответствии со следующей схемой: номер задачи, формулировка задачи, дано, найти, решение, ответ.

В ответах на вопросы и решении задач даются ссылки на использованные справочные данные и соответствующий литературный источник. Литература, используемая слушателем в процессе выполнения задания, приводится в конце работы. Список литературы составляется с учетом правил оформления библиографии (Приложение 1).

Подробно правила оформления контрольных работ изложены в методических рекомендациях [6].

Выполненная и правильно оформленная контрольная работа представляется преподавателю на рецензию.

Контрольная работа зачитывается, если ответы на вопросы и решение всех задач даны принципиально правильно и отвечают перечисленным выше требованиям. В случае, если работа не зачтена преподавателем, слушатель, после рецензии преподавателя, выполняет работу над ошибками в той же тетради и представляет работу на повторное рецензирование.

Правила составления уравнения реакции горения

При решении практически всех задач по дисциплине «Теория горения и взрыва» необходимо составить уравнение реакции горения. Поэтому очень важно научиться делать это правильно. Изучите изложенные ниже правила составления уравнений реакции горения, разберите примеры.

Правило № 1. В левой части уравнения записываем горючее вещество и окислитель [воздух в виде (O₂ + 3,76N₂) ].

Правило № 2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, учитывая, что:

углерод (С), содержащийся в горючем веществе, превращается в CO ₂,

сера (S), содержащаяся в горючем веществе, превращается в SO ₂,

фосфор (Р), содержащийся в горючем веществе, превращается в P ₂ O ₅,

водород (Н), содержащийся в горючем веществе, превращается в H ₂ O,

хлор (Cl), содержащийся в горючем веществе, превращается в HCl,

фтор (F), содержащийся в горючем веществе, превращается в HF,

бром (Br), содержащийся в горючем веществе, превращается в HBr,

йод (I), содержащийся в горючем веществе, превращается в HI,

кислород (О), содержащийся в горючем веществе, входит в состав образующихся оксидов (C O ₂, S O ₂, H₂ O), как и кислород воздуха.

азот (N) при температуре горения ниже 2000 ^оС не вступает в реакцию. Поскольку в условиях реального пожара температура не превышает значения 1500 – 1600 ^оС, то принимают, что азот выделяется в свободном виде (N ₂). Следовательно, 3,76 моль N₂ из воздуха переходят в неизменном виде в продукты горения.

Если горючее вещество содержит другие элементы, то они переходят в высшие оксиды, как указанные выше углерод, водород и фосфор.

Правило № 3. Атомы кислорода, входящие в состав молекул горючего вещества (например, C₂H₆OS - 2-тиолэтанол), участвуют в реакции горения в качестве окислителя, как кислород воздуха.

Правило № 4. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения для того, чтобы в исходных веществах (левая часть уравнения) и получившихся из них продуктах реакции (правая часть уравнения) содержалось одинаковое количество атомов данного вида. При подсчете количества атомов данного вида стехиометрические коэффициенты и индексы, указывающие количество атомов в молекуле, перемножаются.

Рекомендуется придерживаться следующей последовательности действий.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1, так как все расчеты ведут на 1 моль горючего вещества.

б) Перед формулой углекислого газа ставится коэффициент, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества.

в) Уравниваем число атомов элементов в правой части уравнения, входящих в состав молекул горючего вещества, за исключением Н, О и N.

г) Уравниваем число атомов водорода, учитывая их содержание в молекулах галогеноуглеводородов и воды.

д) Уравниваем число атомов кислорода, рассчитав их количество в правой части уравнения и учитывая атомы кислорода, содержащиеся в молекуле горючего вещества.

е) Коэффициент, поставленный перед молекулой кислорода, переносим в правую часть уравнения и ставим перед 3,76N₂. Уравниваем число атомов азота, содержащихся в молекуле горючего вещества.

Пример 1. Составить уравнение реакции горения С₆Н₄N₂О₄ в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

С₆Н₄ N ₂ О₄ + (О₂ + 3,76 N ₂)

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + N ₂ + 3,76 N ₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, азот выделился в свободном виде - N₂. Азот, содержащийся в воздухе, также не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + N₂+ 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 6, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

1С ₆ Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6 СО₂ + Н₂О + N₂+ 3,76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекулы горючего вещества, за исключением Н и О. В данном случае уравниваем число атомов азота. В состав горючего вещества входят два атома азота. В составе выделившейся молекулы азота тоже два атома, поэтому перед молекулой азота в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

1С₆Н₄N ₂ О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + Н₂О + 1 N₂+ 3,76 N₂

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. В состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед формулой воды ставим коэффициент 2:

1С₆Н ₄ N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + 2 Н₂О + 1N₂+ 3,76 N₂

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе двух молекул воды: 2 ∙ 1 = 2;

итого: 12 + 2 = 14 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 4 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (14 – 4 = 10). Затем делим полученное число на 2 (количество атомов водорода в Н₂О) (10/2 = 5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

1С₆Н₄N₂О ₄ + 5 (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + 2Н₂О + 1N₂+ 3,76 N₂

е) коэффициент 5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

1С₆Н₄N₂О ₄ + 5(О₂ + 3,76 N₂) = 6СО₂ + 2Н₂О + 1N₂+ 5 ∙ 3,76 N₂

Чтобы убедиться в правильности составленного уравнения реакции горения, рассчитаем количество атомов одних и тех же элементов в его правой и левой частях:

С – слева 6, справа 6 ∙ 1 = 6;

Н – слева 4, справа 2 ∙ 2 = 4;

N – слева: в горючем веществе 2, в воздухе 5∙ 3,76 = 18,8, итого 20,8;

справа 2 + 5∙ 3,76 = 20,8;

О - слева: в горючем веществе 4, в воздухе 5 ∙ 2 = 10, итого 14;

справа: в углекислом газе 6 ∙ 2 = 12, в воде 2 ∙ 1 = 2, итого 14.

Вывод: уравнение реакции горения составлено верно.

Пример 2. Составить уравнение реакции горения п-дихлорбензола С₄Н₄Сl₂в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

С₄Н₄С l ₂ + (О₂ + 3,76 N ₂)

С₄Н₄Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + HCl + 3,76 N ₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, хлор превратился в хлороводород. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 С₄Н₄Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + HCl+ 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 4, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

1С ₄ Н₄Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 4 СО₂ + Н₂О + HCl+ 3,76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О, N. В данном случае уравниваем число атомов хлора. В состав горючего вещества входят два атома хлора. В составе выделившейся молекулы хлороводорода один атом Cl, поэтому перед молекулой хлороводорода в продуктах реакции ставим коэффициент 2:

1С₄Н₄Сl ₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 4СО₂ + Н₂О + 2 HCl+ 3,76 N₂

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. Из них два атома водорода уже вошли в состав двух молекул хлороводорода. Оставшиеся два атома водорода перейдут в состав молекулы Н₂О. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

1С₄Н ₄ Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 4СО₂ + 1 Н₂О + 2HCl+ 3,76 N₂

в составе четырех молекул углекислого газа: 4 ∙ 2 = 8;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 8 + 1 = 9 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода. Следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (9 /2 = 4,5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

1С₄Н₄Сl₂ + 4,5 (О₂ + 3,76 N₂) → 4СО₂ + 1Н₂О + 2HCl+ 3,76 N₂

е) коэффициент 4,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

1С₄Н₄Сl₂ + 4,5(О₂ + 3,76 N₂) = 4СО₂ + 1Н₂О + 2HCl+ 4,5 ∙ 3,76 N₂

Пример 3. Составить уравнение реакции горения ацетилена С₂Н₂в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N ₂)

С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + 3,76 N ₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 2, равный количеству атомов углерода в молекуле ацетилена:

1 С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 2 СО₂ + Н₂О + 3,76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О и N. В данном случае таких элементов нет.

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества - два атома водорода. В состав молекулы воды входит также два атома водорода. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

1 С₂Н ₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 2СО₂ + 1 Н₂О + 3,76 N₂

в составе двух молекул углекислого газа: 2 ∙ 2 = 4;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 4 + 1 = 5 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода, следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (5/2 = 2,5) и ставим данный коэффициент перед воздухом:

1 С₂Н₂ + 2,5 (О₂ + 3,76 N₂) → 2СО₂ + 1Н₂О + 3,76 N₂

е) коэффициент 2,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

1 С₂Н₂ + 2,5(О₂ + 3,76 N₂) = 2СО₂ + 1Н₂О + 2,5 ∙ 3,76 N₂

Пример 4. Составить уравнение реакции горения C₆Н₈SО₃ в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух: C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N ₂)

C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + SO ₂ + 3,76 N ₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, сера образовала оксид SO₂. Азот воздуха не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + SO₂+ 3,76 N₂

1 C ₆ Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6 СО₂ + Н₂О + SO₂+ 3,76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О и N. В данном случае уравниваем число атомов серы. В состав молекулы горючего вещества входит один атом серы. В составе выделившейся молекулы SO₂тоже один атом, поэтому перед молекулой SO₂ в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

1 C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + Н₂О + 1 SO₂+ 3,76 N₂

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества восемь атомов водорода, а в состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 4:

1 C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + 4 Н₂О + 1SO₂+ 3,76 N₂

в составе шести молекул углекислого газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе четырех молекул воды: 4 ∙ 1 = 4;

в составе одной молекулы оксида серы: 1∙ 2 = 2

итого: 12 + 4 + 2 = 18 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 3 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (18 – 3 = 15). Делим полученное число на 2 (15 /2 = 7,5) и ставим данный коэффициент перед воздухом:

1 C₆Н₈SО₃ + 7,5 (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + 4Н₂О + 1SO₂+ 3,76 N₂

е) коэффициент 7,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

1 C₆Н₈SО₃ + 7,5(О₂ + 3,76 N₂) = 6СО₂ + 4Н₂О + 1SO₂+ 7,5 ∙ 3,76 N₂