Тип 3. Расчёт концентрационных пределов распространения пламени

Методика расчета концентрационных пределов распространения пламени (КПР) индивидуальных химических соединений и простых веществ

1. Составляем уравнение реакции горения вещества в воздухе и определяем стехиометрический коэффициент (b).

2. Рассчитываем нижний и верхний концентрационный пределы распространения пламени вещества при стандартных условиях по формуле:

, об. %

где

 и - нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени, % об.;

b - число молекул кислорода, необходимое для полного окисления молекулы горючего (стехиометрический коэффициент при О₂);

a и b – константы, определяемые по табл. 3.1.

Таблица 3.1

Константы a и b для расчета

концентрационных пределов распространения пламени

Область применения	a	b
Для расчета	8,64	4,679
Для расчета при b £ 7,5 при b > 7,5	1,550 0,768	0,560 6,554

 

3. Рассчитываем нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени вещества при заданной температуре по формулам:

 

где

 и  - концентрационные пределы распространения пламени (КПР) при стандартной температуре Т_ст.у.;

 и  - КПР при заданной температуре Т;

1550 К и 1110 К - температуры горения соответственно на нижнем и верхнем концентрационных пределах распространения пламени.

4. Рассчитываем КПР вещества в граммах на кубометр (j^/_н или j^/_в):

, г/м³

где

V_t – объем занимаемый 1 кмоль газа при заданной температуре и давлении, м³/кмоль, (при стандартных условиях V_t = 24,5 м³/кмоль);

М – молярная масса, кг/кмоль.

Методика расчета концентрационных пределов распространения пламени

смеси газов

1. Находим нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени веществ, входящих в состав смеси, при стандартных условиях.

2. Расчет нижнего и верхнего концентрационных пределов распространения пламени смеси нескольких паров или газов ведут по формуле Ле-Шателье, которая выражает правило смешения. В основу формулы положено предположение, что несколько газов, находящихся на Н(В)КПР, при смешении образуют смесь, также находящуюся на нижнем (верхнем) пределе воспламенения. Формула Ле-Шателье справедлива для подавляющего большинства смесей веществ, не вступающих в химическую реакцию.

, % (об.)

где

 - концентрации горючих компонентов в смеси, об. %;

 - НКПР или ВКПР каждого компонента в смеси, об. %.

 

Задача 7. Рассчитать концентрационные пределы распространения пламени смеси, состоящей из 30 об. % пропана и 70 об. % этана.

Дано:

Обозначим С₃Н₈ цифрой 1, С₂Н₆ – 2.

j₁ = 30 %; j₂ = 70 %.

Найти: , , ?

Решение:

1. Составляем уравнения реакции горения пропана и этана в воздухе:

С₃Н₈ + 5(О₂ + 3,76N₂) ® 3СО₂ + 4Н₂О + 5×3,76N₂               b=5

С₂Н₆ + 3,5(О₂ + 3,76N₂) ® 2СО₂ + 3Н₂О + 3,5×3,76N₂      b=3,5

 

2. Рассчитываем нижний и верхний концентрационный пределы распространения пламени пропана при стандартных условиях.

, об. %

 

= 2,08 % (об.);

Так как b = 5, что меньше 7,5, то для расчета ВКПР по таблице выбираем: а = 1,55 и b = 0,56

= 12,03 % (об.)

Рассчитываем нижний и верхний концентрационный пределы распространения пламени этана при стандартных условиях.

= 2,85 % (об.);

Так как b = 3,5, что меньше 7,5, то для расчета ВКПР по таблице выбираем:

а = 1,55 и b = 0,56

= 16,71 % (об.)

 

3. Рассчитываем нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени смеси пропана и этана по формуле Ле-Шателье:

, % (об.)

 

Ответ: расчётное значение концентрационных пределов распространения пламени пропана 2,08 – 12,03 % (об.), этана 2,85 – 16,71 % (об.); концентрационные пределы смеси, состоящей из 30% (об.) пропана и 70% (об.) этана 2,57 – 14,97 % (об.).

Задача 8. Рассчитать концентрационные пределы распространения пламени метана в г/м³ при температуре 134 ⁰С.

Дано: СН₄ - метан.

Найти: ^, ?

Решение:

1. Составляем уравнения реакции горения метана в воздухе.

СН₄ + 2(О₂ + 3,76N₂) ® СО₂ + 2Н₂О + 2×3,76N₂               b=2

 

2. Рассчитываем нижний и верхний концентрационный пределы распространения пламени метана при стандартных условиях.

, об. %

 

Так как b = 2, что меньше 7,5, то для расчета ВКПР по таблице выбираем: а = 1,55 и b = 0,56

 

3. Рассчитываем нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени метана при температуре 134 ⁰С:

 

4. Рассчитываем молярную массу метана: М = 12 ∙ 1 + 1 ∙ 4 = 16 кг/кмоль.

5. Определяем объем занимаемый 1 кмоль газа при заданной температуре:

= 33,4 м³/кмоль.

 

6. Рассчитываем концентрационные пределы распространения пламени метана в г/м³ при температуре 134 ⁰С:

, г/м³

Ответ: расчётное значение концентрационных пределов распространения пламени метана при температуре 134 ⁰С 19,88 – 148,4 г/м³.