Расчётно-теоретическое исследование параметров   взрыва газо-воздушных смесей

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ  И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

Академия Государственной противопожарной службы

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Физико-химические методы исследования  процессов горения и взрыва»

На тему: «Расчётно-теоретическое исследование параметров   взрыва газо-воздушных смесей»

Выполнил: ст. гр. 1115М3

Онда Г.О.

Вариант № 7

Москва 2016

№ вар	Состав смеси горючих газов,  % об.	, К	, кПа	Предельное давление для оборудования, , кПа
76	– 10%, – 60%, – 30%	298	102	950

1. Расчёт температуры взрыва.

Для определения температуры взрыва необходимо знать объём продуктов горения и количество теплоты, выделившейся при взрыве.

1.1.         Расчёт объёма продуктов горения.

Запишем уравнение материального баланса процесса отдельно для каждого компонента смеси горючих веществ

Рассчитаем количество молей каждого продукта горения, образующегося при сгорании 1 моля смеси горючих веществ по формуле:

       (1)

где  ; ; – число молей , образующихся при сгорании соответствующего компонента;

; ;  – процентное содержание каждого компонента в смеси горючих газов.

Подставляя численные значения в уравнение 1, получим

Аналогично найдём количество молей  и  в продуктах горения

При сгорании бедных смесей, т.е. содержащих избыточное количество воздуха в продуктах горения помимо , и  будет  содержаться воздух, не участвовавший в горении. 

Избыток воздуха

(2)

где - теоритическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 моля горючих веществ;

- коэффициент избытка воздуха.

Количество воздуха, необходимого для сгорания 1 моля смеси горючих газов равно:

Д ля смеси стехиометрического состава коэффициент избытка воздуха α =1, а избыток воздуха = 0. Для бедных смесей, содержащих избыточное количество воздуха, коэффициент α можно найти из соотношения

         (3)

где - концентрация горючего в газо-воздушной смеси

Для установления выбранных численных значений концентраций горючего необходимо найти НКПР и стехиометрическую концентрацию.  НКПР смеси горючих веществ найдём по формуле Ле-Шателье, а НКПР каждого отдельного горючего компонента можно найти по аппроксимационной формуле:

         (4)

где  - число молей кислорода, необходимого для полного сгорания 1 моля горючего вещества,

;  – эмпирические коэффициенты,;  

Выполним расчёты НКПР для каждого горючего вещества

1.     Для

2.     Для

3.     Для

По правилу Ле-Шателье НКПР смеси горючих газов определим по формуле:

       (5)

где - объемные доли соответствующего горючего элемента.

Получим:

Стехиометрическую концентрацию горючего определяют из соотношения:

        (6)

Получим:

Рассчитаем коэффициент избытка воздуха (α) по формуле 3, избыток воздуха () по формуле 2 и количество молей продуктов горения ()

Тогда количество молей продуктов горения определим по формуле:

       (7)

Получим:

Аналогичные расчёты произведем для других концентраций горючего:

1)   При концентрации горючего 1,2 Рассчитаем коэффициент избытка воздуха (α) по формуле 3, избыток воздуха () по формуле 2 и количество молей продуктов горения () по формуле (7)

Тогда количество молей продуктов горения равно:

2)    При концентрации горючего 1,4

Рассчитаем коэффициент избытка воздуха (α) по формуле 3, избыток воздуха () по формуле 2 и количество молей продуктов горения () по формуле (7)

Тогда количество молей продуктов горения равно:

3)    При концентрации горючего 0,8

Рассчитаем коэффициент избытка воздуха (α) по формуле 3, избыток воздуха () по формуле 2 и количество молей продуктов горения () по формуле (7)

Тогда количество молей продуктов горения равно:

4)    При концентрации горючего  

Рассчитаем коэффициент избытка воздуха (α) по формуле 3, избыток воздуха () по формуле 2 и количество молей продуктов горения () по формуле (7)

Тогда количество молей продуктов горения равно:

Полученные данные удобно представить в виде таблицы 1

таблица 1

Расчетные параметры		1,2	1,4
		2,56	2,98	1,84	2,3
	1,1	0,9	0,8	1,3	1
	4,2	-4,2	-8,4	12,6	0
	27,6	19,2	15	36	23,4

1.2.          Расчёт теплоты и температуры взрыва

Теплота взрыва, как и низшая теплота сгорания вещества равна тепловому эффекту химической реакции полного окисления этого вещества. Тепловой эффект химической реакции можно рассчитать, воспользовавшись законом Гесса.

Запишем уравнения химических реакций полного окисления компонентов горючей смеси

Согласно Закону Гесса тепловой эффект химической реакции равен разности между суммой теплоты образования продуктов реакции и суммой теплоты образования исходных веществ. Теплоты образования простых веществ, таких как , , , т.е. веществ, состоящих из атомов одного и того же элемента, приняты равными нулю.

В соответствии с этим теплоты взрыва , и   определим по формуле:

                      (8)

где - теплота образования i-го вещества.

Значения теплоты образования веществ приведены в таблице I приложения учебно-методического пособия.

Получим:

Теплоту взрыва 1 моля смеси горючих газов определим по формуле:

                 (9)

Получим:

Расчёт температуры взрыва проводят методом последовательных приближений. Температура взрыва зависит от содержания горючего в газовоздушной смеси, поэтому её значение необходимо рассчитать для всех выбранных концентраций горючего.

a)     При концентрации горючего

Определим среднее значение внутренней энергии, которую будет иметь 1 моль продуктов после взрыва. Для этого всю выделившуюся при взрыве теплоту разделим на количество молей продуктов взрыва:

             (10)

Получим:

По зависимости внутренней энергии продуктов горения от температуры (таблица II приложения) выберем, ориентируясь на азот (его больше всего в продуктах горения), первое значение температуры взрыва =2500 . При этой температуре полная внутренняя энергия продуктов взрыва составит:

  (11)

Из таблицы II приложения выберем значения внутренней энергии для , ,  и воздуха при  и рассчитаем величину

Мы получили, что    <  см , т.е. при = 2500  внутренняя энергия продуктов взрыва vtymit, чем то тепло, которое выделилось при взрыве. Это означает, что температура взрыва выше, чем 2500 . Выберем следующую температуру =2600  и рассчитаем, какое количество внутренней энергии продукты горения содержат при температуре 26000 .

Теперь     см, т.е. внутренняя энергия уже меньше, чем количество теплоты, выделившейся при взрыве. Из этого можно сделать вывод, что температура взрыва, которую мы ищем, находится между 2500  и 2600 . Найдём её значение линейной интерполяцией между  и .

       (12)

Получим:

b)    При концентрации горючего 1,2 Определим среднее значение внутренней энергии по формуле (10):

При температуре =     полную внутреннюю энергию продуктов взрыва определим по формуле (11):

Мы получили, что        см. Выберем следующую температуру =    и рассчитаем, какое количество внутренней энергии продукты горения содержат при температуре    .

Теперь        см. Температуру взрыва определим по формуле (12):

c)     При концентрации горючего 1,4

Определим среднее значение внутренней энергии по формуле (10):

При температуре =    полную внутреннюю энергию продуктов взрыва определим по формуле (11):

Мы получили, что       см. Выберем следующую температуру =    и рассчитаем, какое количество внутренней энергии продукты горения содержат при температуре     .

Теперь     см. Температуру взрыва определим по формуле (12):

d)    При концентрации горючего 0,8

Определим среднее значение внутренней энергии по формуле (10):

При температуре =2300  полную внутреннюю энергию продуктов взрыва определим по формуле (11):

Мы получили, что    >  см. Выберем следующую температуру =2200  и рассчитаем, какое количество внутренней энергии продукты горения содержат при температуре 2200 .

Теперь     см.

Мы получили, что    >  см. Выберем следующую температуру =2100  и рассчитаем, какое количество внутренней энергии продукты горения содержат при температуре 2100 .

   см .Температуру взрыва определим по формуле (12):

e)     При концентрации горючего  

Определим среднее значение внутренней энергии по формуле (10):

При температуре =2900  полную внутреннюю энергию продуктов взрыва определим по формуле (11):

Мы получили, что    <  см. Выберем следующую температуру =3000  и рассчитаем, какое количество внутренней энергии продукты горения содержат при температуре 3000 .

Теперь     см. Температуру взрыва определим по формуле (12):

Полученные данные удобно представить в виде таблицы 2

таблица 2

Расчетные параметры		1,2	1,4
% об		2,56	2,98	1,84	2,3
, К

2.         Расчёт давления взрыва при различных концентрациях горючего в газо-воздушной смеси.

               (13)

Количество молей в исходной горючей смеси определим по формуле:

                    (14)

где -практическое количество молей воздуха в газо-воздушной смеси.

Определим величины давления взрыва для всех выбранных концентраций горючего:

1.     При концентрации горючего

Определим количество молей в исходной горючей смеси:

Тогда, давление взрыва будет равно:

Таким образом, давление при взрыве смеси на нижнем концентрационном пределе возрастает в  раз.

2.     При концентрации горючего 1,2

Определим количество молей в исходной горючей смеси:

Тогда, давление взрыва будет равно:

Таким образом, давление при взрыве смеси на нижнем концентрационном пределе возрастает в  раз

3.     При концентрации горючего 1,4

Определим количество молей в исходной горючей смеси:

Тогда, давление взрыва будет равно:

Таким образом, давление при взрыве смеси на нижнем концентрационном пределе возрастает в  раз

4.     При концентрации горючего 0,8

Определим количество молей в исходной горючей смеси:

Тогда, давление взрыва будет равно:

Таким образом, давление при взрыве смеси на нижнем концентрационном пределе возрастает в  раз

5.     При концентрации горючего  

Определим количество молей в исходной горючей смеси:

Тогда, давление взрыва будет равно:

Таким образом, давление при взрыве смеси на нижнем концентрационном пределе возрастает в  раз

Полученные данные удобно представить в виде таблицы 3

таблица 3

Расчетные параметры		1,2	1,4
% об		2,56	2,98	1,84	2,3
, моль/моль	47		34.5	55.4	42.86
, кПа	521.2			469.2	355.3
	5

3.         Построение зависимости  и  и оценка возможности разрушения технологического оборудования при взрыве газо-воздушной смеси.

Для установления концентрационных границ взрыва газо-воздушной смеси горючих веществ заданного состава рассчитаем верхний концентрационный предел распространения пламени. Согласно справочным данным 

; ; ;

В соответствии с правилом Ле-Шателье верхний концентрационный предел распространения пламени определим по формуле:

                (15)

Получим:

Зависимости температуры и давления взрыва от концентрации горючего построим на основании расчётных данных, приведённых в таблицах 2 и 3.

, К

 % об

Рис. 1 Зависимость температуры взрыва от концентрации  горючего в газо-воздушной смеси

, кПа

 % об

Рис. 2 Зависимость давления взрыва от концентрации  горючего в газо-воздушной смеси

Из анализа полученных  расчётных зависимостей  и   можно сделать следующие выводы:

1. С увеличением содержания горючего в газо-воздушной смеси от концентрации, равной нижнему концентрационному пределу распространения пламени до стехиометрической концентрации температура и давление взрыва увеличиваются. Температура взрыва повышается в 2,48 раза, а давление взрыва в 2,3 раза. Максимальное значение давления взрыва для заданной газо-воздушной смеси составляет 966,96 кПа, что превышает начальное давление в 9,48 раз.

2. При взрыве газо-воздушной  смеси с концентрацией горючего выше 17 % давление взрыва превысит предельное значение, установленное для данного технологического оборудования, в связи, с чем возникнет опасность его разрушения

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бегишев И.Р., Курсовая работа  «Расчётно-теоретическое исследование параметров  взрыва газо-воздушных смесей»  ( для слушателей магистратуры очной и заочной формы обучения):  Учебно-методическое пособие. – М.: Академия ГПС МЧС России,  2013. –  25 с.

2. Андросов А.С., Салеев Е.П. Примеры и задачи по курсу «Теория горения и взрыва». Учеб. Пособие. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2008. – 80 с.

3. Корольченко А.Я.  Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник в 2-х частях. – М.:  Асс.: «Пожнаука», 2000. – 709 с.