1. Практическое значение температуры - Web

Содержание
Теоретические вопросы .............................................................................................. 3
1. Практическое значение температуры самовоспламенения как показателя
пожарной опасности. От каких факторов зависит температура
самовоспламенения? ............................................................................................... 3
2. Какое горение называется тлением? Обязателен ли приток кислорода для
тления? Перечислить показатели пожарной опасности твердых горючих
материалов. .............................................................................................................. 5
Расчетная часть задания ........................................................................................... 10
1. Общие сведения................................................................................................. 10
2. Физико-химические свойства .......................................................................... 10
3. Расчет характеристик горения ......................................................................... 12
Вещество .................................................................................................................... 17
Список использованной литературы....................................................................... 18
Теоретические вопросы
1. Практическое значение температуры самовоспламенения как
показателя пожарной опасности. От каких факторов зависит
температура самовоспламенения?
Основными показателями пожарной опасности являются температура
самовоспламенения и концентрационные пределы воспламенения.
Температура
самовоспламенения
самая
-
низкая
температура
технологической среды, при которой в условиях специальных испытаний
происходит
резкое
увеличение
скорости
экзотермических
реакций,
заканчивающихся пламенным горением.
Перечень показателей пожарной опасности технологических сред
Показатель пожарной
опасности
технологической среды
Применяемость
показателя в
зависимости от
агрегатного состояния
вещества
г
Температура
самовоспламенения
ж
т
Область применения
п
При определении группы
взрывоопасной смеси для
выбора типа
взрывозащищенного
электрооборудования
Самовоспламенение - резкое увеличение скорости экзотермических
+
+
+
+
объемных реакций, сопровождающееся пламенным горением и/или взрывом.
Значение температуры самовоспламенения следует применять при
определении группы взрывоопасной смеси по ГОСТ 12.1.011 для выбора типа
взрывозащищенного электрооборудования, при разработке мероприятий по
обеспечению
пожаровзрывобезопасности
технологических
процессов
в
соответствии с требованиями ГОСТ. 12.1.004 и ГОСТ 12.1.010, а также
необходимо включать в стандарты или технические условия на вещества и
материалы.
3
Сущность
метода
определения
температуры
самовоспламенения
заключается во введении определенной массы вещества в нагретый объем и
оценке результатов испытания. Изменяя температуру испытания, находят ее
минимальное значение, при котором происходит самовоспламенение вещества.
Температура самовоспламенения зависит от фракционного состава и от
преобладания углеводородов того или иного класса. Чем ниже пределы
кипения той или иной фракции, т.е. чем она легче, тем она менее опасна с точки
зрения самовоспламенения, т.к. температура самовоспламенения уменьшается с
увеличением средней молекулярной массы нефтепродукта. Тяжелые нефтяные
остатки сомавоспламеняются при 300 - 350 0С, а бензины при температуре
выше 500 0С.
В производственных условиях самовозгораются каменный уголь, торф,
опилки, некоторые горючие жидкости, обычно в виде тонких пленок,
получающихся при нанесении жидкости на ворсистые поверхности (хлопок,
вата и т.п.). К этим жидкостям относятся растительные масла, скипидар. На
предприятиях имеются случаи самовозгорания обтирочных материалов,
промасленной спецодежды, поэтому спецодежду необходимо развешивать так,
чтобы обеспечить доступ воздуха, промасленные обтирочные материалы
собираются в несгораемую тару с крышками и ежесменно удаляются,
сжигаются или уничтожаются.
Самовозгорание угля и торфа обнаруживается по белому налету на их
поверхности, по появлению пара и дыма, по оседанию слоя угля или торфа в
месте их складирования, а зимой - по таянию снега. Опасные по
самовозгоранию угли хранятся в штабелях высотой не более 2.5 м (в подвале 1
м) и шириной до 20 метров. При укладке уголь послойно уплотняется катками.
4
2. Какое горение называется тлением? Обязателен ли приток
кислорода для тления? Перечислить показатели пожарной
опасности твердых горючих материалов.
Тление - беспламенное горение твердого вещества (материала) при
сравнительно низких температурах (400 - 600 °С), часто сопровождающееся
выделением дыма.
Горение
-
экзотермическая
реакция
окисления
вещества,
сопровождающаяся, по крайней мере, одним из трех факторов: пламенем,
свечением, выделением дыма.
Температура тления - температура вещества, при которой происходит
резкое
увеличение
скорости
экзотермических
реакций
окисления,
заканчивающихся возникновением тления.
Значение температуры тления следует применять при экспертизах причин
пожаров, выборе взрывозащищенного электрооборудования и разработке
мероприятий по обеспечению пожарной безопасности технологических
процессов, оценке пожарной опасности полимерных материалов и разработке
рецептур материалов, не склонных к тлению.
Сущность метода определения температуры тления заключается в
термостатировании исследуемого вещества (материала) в реакционном сосуде
при обдуве воздухом и визуальной оценке результатов испытания. Изменяя
температуру испытания, находят ее минимальное значение, при котором
наблюдается тление вещества (материала).
Тление не может происходить без притока кислорода и оттока продуктов
горения. У тления есть своя конвективная газовая струя.
5
Перечень показателей пожарной опасности технологических сред
Показатель пожарной
опасности
технологической среды
Для
твердых
материалов
Область применения
1
2
3
Группа горючести
+
Для определения способности
технологических сред к горению
Температура вспышки
-
При категорировании помещений по
взрывопожарной и пожарной
опасности; для обеспечения
пожарной безопасности
технологических процессов
Температура
воспламенения
+
При определении группы горючести
и оценки пожарной опасности
технологических сред
Температура
самовоспламенения
+
При определении группы
взрывоопасной смеси для выбора
типа взрывозащищенного
электрооборудования
Концентрационные
пределы распространения
пламени (воспламенения)
-
При определении концентраций
горючих газов, паров и пылей, при
которых возможно распространение
пламени
Температурные пределы
распространения пламени
(воспламенения)
-
При определении пожаробезопасных
температурных режимов работы
оборудования. Для расчетной оценки
концентрационных пределов
распространения пламени
Температура тления
+
При разработке мероприятий по
обеспечению пожарной
безопасности технологических сред,
склонных к тлению
Условия теплового
самовозгорания
+
При выборе безопасных условий
хранения и переработки
технологических сред, склонных к
самовозгоранию
6
Продолжение таблицы
1
2
3
Минимальная энергия
зажигания
-
При разработке мероприятий по
обеспечению пожарной
безопасности и электростатической
искробезопасности технологических
сред
Кислородный индекс
+
При обеспечении безопасности
технологических сред, связанных с
обращением полимерных материалов
Способность взрываться
и гореть при
взаимодействии с водой,
кислородом воздуха и
другими веществами
+
При определении категории
помещений по взрывопожарной и
пожарной опасности. При выборе
безопасных условий совместного
хранения и транспортирования
технологических сред. При выборе
средств пожаротушения
Нормальная скорость
горения смеси (для
пылей - эффективная
нормальная скорость
распространения
пламени)
-
При разработке и создании
огнепреградителей,
предохранительных мембран и
других разгерметизирующих
устройств
Удельная скорость
выгорания
-
При определении
продолжительности горения жидких
технологических сред в резервуарах,
интенсивности тепловыделения и
подачи огнетушащих веществ
Коэффициент
дымообразования
+
Для классификации технологических
сред по дымообразующей
способности
Индекс распространения
пламени
+
Для классификации технологических
сред по способности распространять
пламя по поверхности
Показатель токсичности
продуктов горения
полимерных материалов
+
Для оценки токсичности
технологических сред, содержащих
полимеры
7
Продолжение таблицы
1
2
3
Минимальное
содержание кислорода
-
При разработке мероприятий по
обеспечению пожарной
безопасности технологических сред с
пониженным содержанием
кислорода
Минимальная
флегматизирующая
концентрация
флегматизатора
-
При разработке мероприятий по
обеспечению пожарной
безопасности технологических сред с
наличием разбавителя
(флегматизатора, ингибитора)
Максимальное давление
взрыва
-
При определении категории
помещений по взрывопожарной и
пожарной опасности и разработке
мероприятий по обеспечению
пожаровзрывобезопасности
технологического оборудования
Скорость нарастания
давления взрыва
-
При разработке мероприятий по
взрывозащите технологического
оборудования (расчет
предохранительных клапанов,
мембран и т. п.)
Критическая
поверхностная плотность
теплового потока
+
При разработке мероприятий по
снижению способности
технологических сред
воспламеняться под действием
теплового излучения пламени и
определении категорий помещений
по пожарной опасности
Длина распространения
пламени по струе
аэрозоля
-
Для оценки пожарной опасности
жидких технологических сред в
распыленном состоянии
Предельная скорость
срыва диффузионного
факела
-
При оценке пожарной опасности
аварийного истечения
технологических сред
8
Продолжение таблицы
1
2
3
Минимальная
концентрация
негорючего разбавителя
в воздухе, при которой
существует
диффузионное пламя
+
При оценке последствий аварийного
истечения парогазовых
технологических сред
Удельная теплота
сгорания
+
При оценке пожарной опасности
технологических сред и определении
категорий помещений и наружных
установок по взрывопожарной и
пожарной опасности
Индекс пожаровзрывоопасности
-
Для оценки пожарной опасности
технологических сред в
технологическом оборудовании
Способность к
экзотермическому
разложению
+
Для термодинамически
нестабильных технологических сред,
способных вызвать резкий рост
температуры и давления при
разложении
Способность к
воспламенению при
адиабатическом сжатии
-
Параметр, характеризующий
способность технологической среды
к воспламенению при
адиабатическом сжатии в смеси с
воздухом или другим окислителем
Излучающая
способность пламени
+
Для оценки плотности теплового
потока от пламени при горении
технологических сред
Безопасный
При выборе степени взрывозащиты
экспериментальный
электрооборудования
максимальный зазор
Примечание. Знак “+” обозначает применяемость, знак “-” - неприменяемость
показателя пожарной опасности для технологической среды.
9
Расчетная часть задания
1. Общие сведения
Название вещества.
СН3ОН – Метиловый спирт, метанол, древесный спирт, гидроксильное
произведение метана СН4.
2. Физико-химические свойства
Агрегатное состояние; внешний вид, цвет, запах; плотность;. температура
плавления; температура кипения; растворимость в воде; коэффициент
молекулярной
диффузии
пара;
удельное
электрическое
сопротивление;
диэлектрическая проницаемость; предельно допустимая концентрация ПДК
(справочные данные).
Прозрачная бесцветная жидкость со слабым спиртовым запахом.
Смешивается с водой, ацетоном, спиртами во всех отношениях. Крайне ядовит:
10 – 20 мл метилового спирта вызывают слепоту, бОльшие количества –
смерть.
Температура кипения 64,9 0С. Диэлектрическая проницаемость 32,63.
Температура плавления -97,1 0С.
d 420  0,7914,
n D20  1,3286,  = 0,584 МПа·с (20
0
С), tкрит = 240,1
0
С,
ркрит = 7,977 МПа, dкрит = 272 кг/м3,  = 0,57·10-30 Кл·м,  = 32,63 (25 0С),
0
Н обр
 238,9 кДж / моль
(жидкость),
0
Н обр
 201,0  0,6 кДж / моль
(газ),
0
Н сгор
 715 кДж / моль .
Теплопроводность 202,3·10-3 Вт/(м·К) (жидкость), 150,7·10-4 Вт/(м·К)
(газ), теплоемкость 44,129 Дж/(моль·К).
Давление паров (кПа): 11,8 (20 0С), 32,5 (40 0С), 77,3 (60 0С), 320,65
(100 0С).
 22,55 мН/м (20 0С), 21,69 мН/м (30 0С).
10
Температура вспышки 15,6
0
С (в открытой чашке), температура
самовоспламенения 464 0С. КПВ = 6,70 – 36,5 %. ПДК = 5 мг/м3.
Свойства водных растворов метилового спирта в зависимости от его
концентрации
Показатель
Плотность, г/см3
Концентрация, % по массе
10
20
30
40
50
60
0,982
0,968
0,954
0,937
0,919
0,898
-6,5
-15,0
-26,0
-39,7
-55,4
-75,7
Температура
замерзания, 0С
2.1. Расчет относительной плотности паров по воздуху (Dвозд)
Масса паров метанола количеством 1 моль:
М = 12 + 3 + 16 + 1 = 32 г
mвозд = 29 г
Относительная плотность метанола по воздуху составляет:
Dв озд 
32
 1,10
29
2.2. Расчет плотности паров при нормальных условиях
(пар = М/Vм, кг/м3);
Плотность паров метанола при н. у.:
 пар 
32
 1,43 г / л
22,4
2.3. Расчет процентного элементного состава вещества.
Массовая доля углерода:
12
 100%  37,5%
32
11
Массовая доля кислорода:
16
 100%  50%
32
Учитывая, что метанол кроме углерода и кислорода содержит только
водород:
Н  (1  (0,375  0,5)) 100%  12,5%
2.4. Расчет коэффициента горючести.
Коэффициент горючести вычисляется по формуле:
,
где С, Н, S, О и т.д. - число атомов соответствующих элементов,
входящих в состав молекулы жидкости
(при К < 0 жидкость не горит, при К > 0 жидкость не горит).
К  4 1  1 4  2 1  6
3. Расчет характеристик горения
3.1. Определение характера свечения пламени.
Метанол служит растворителем и
промежуточным продуктом в
производстве красителей. Но главным потребителем его является производство
пластмасс, для которого нужны большие количества метаналя (формальдегида).
Метаналь же получается при окислении метанола кислородом воздуха. В
промышленности смесь паров метанола и воздуха при 400 0С пропускают над
медным или серебряным катализатором.
Чтобы смоделировать этот процесс, согнем в спираль кусочек медной
проволоки диаметром 0,5 - 1 мм и щипцами внесем его в несветящуюся зону
пламени горелки Бунзена. Проволока раскаляется и покрывается слоем оксида
меди (II). Поместим полученный нами раньше метанол (10 капель) в достаточно
широкую пробирку и опустим в него раскаленную медную спираль. Вследствие
нагревания метанол испаряется и под влиянием катализатора - меди 12
соединяется с кислородом с образованием метаналя (мы узнаем его по
характерному резкому запаху). При этом поверхность медной проволоки
восстанавливается. Реакция происходит с выделением тепла. При больших
количествах паров метанола и воздуха медь остается разогретой до тех пор,
пока реакция не завершится.
Яркость пламени определяется присутствием в нем твердых частиц продуктов горения и степенью их накала.
3.2. Низшая теплота сгорания
По формуле Д.И. Менделеева в кДж/кг.
P
Низшая теплота сгорания рабочего топлива ( QH ) жидкого и твердого
может быть определена по формуле Д.И. Менделеева (кДж/кг):



QHP  339,5C P  1256H P  25,8 9H PW P  109 O P  S AP

где: СР, НР и т.д. - содержание углерода, водорода и т.д. в топливе, % по
массе.
QHP  339,5  37,5  1256  12,5  25,8  9  12,5  25,51 кДж / кг
3.3. Уравнение реакции горения.
2СН 3  ОН  О2  2СН 2  О  2Н 2 О
3.4. Объем воздуха на горение (теоретический)
По уравнению реакции горения (для 1 кг горючего вещества при
нормальных условиях).
Определим количество вещества метанола:
 СН 3ОН 
mCH 3OH
1

 0,031 моль
M CH 3OH 32
13
Из уравнения реакции горения видно, что на 2 моль метанола требуется
1 моль воздуха:
 CH 3OH 2

 возд
1
 возд 
 СН 3ОН
2

0,031
 0,0155 моль
2
mвозд  0,0155  29  0,4495 кг
3.5. Объем и состав продуктов горения (теоретический)
По уравнению реакции горения (для 1 кг горючего вещества при
нормальных условиях).
2СН 3  ОН  О2  2СН 2  О  2Н 2 О
МО2 = 32 кг/моль, МСН2О = 30 кг/моль, МН2О = 18 кг/моль.
Из 64 кг СН2ОН получается 60 кг СН2О
Из 1 кг СН2ОН
х кг СН2О
х = 0,94 кг СН2О
При получении 60 кг СН2О образуется 36 кг Н2О
При получении 0,94 кг СН2О
у кг Н2О
у = 0,56 кг Н2О
3.6. Стехиометрическая концентрация в паровоздушной смеси
3.6.1. Объемная концентрация (%).
Стехиометрическая концентрация (об. %) определяется по формуле:
Сст 
100
100

 12,11%
1  4,84 1  4,84  1,5
3.6.2. Массовая концентрация (кг/м3, г/м3).
14
Массовое стехиометрическое отношение дает отношение массы воздуха к
массе топлива.
М ст 
29
 0,91
32
3.7. Концентрационные пределы распространения пламени
Нижний (верхний) концентрационный предел распространения пламени минимальное (максимальное) содержание горючего вещества в однородной
смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение
пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.
Значения
концентрационных
пределов
распространения
пламени
необходимо включать в стандарты или технические условия на газы,
легковоспламеняющиеся индивидуальные жидкости и азеотропные смеси
жидкостей, на твердые вещества, способные образовывать взрывоопасные
пылевоздушные
смеси
(для
пылей
определяют
только
нижний
концентрационный предел). Значения концентрационных пределов следует
применять при определении категории помещений по взрывопожарной и
пожарной опасности в соответствии с требованиями норм технологического
проектирования; при расчете взрывобезопасных концентраций газов, паров и
пылей
внутри
технологического
оборудования
и
трубопроводов,
при
проектировании вентиляционных систем, а также при расчете предельно
допустимых взрывобезопасных концентраций газов, паров и пылей в воздухе
рабочей зоны с потенциальными источниками зажигания в соответствии с
требованиями ГОСТ 12.1.010, при разработке мероприятий по обеспечению
пожарной безопасности объекта в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004.
Допускается использовать экспериментальные и расчетные значения
концентрационных пределов распространения пламени.
Сущность
метода
распространения пламени
определения
концентрационных
пределов
заключается в зажигании газо-, паро-
или
15
пылевоздушной смеси заданной концентрации исследуемого вещества в объеме
реакционного
сосуда и
распространения
пламени.
установлении
Изменяя
факта наличия
концентрацию
или
горючего
отсутствия
в
смеси,
устанавливают ее минимальное и максимальное значения, при которых
происходит распространение пламени.
Нижний предел (н) в % об. вычисляют по формулам
(43)
hf — эмпирический параметр теплоты образования вещества, моль·кДж-1;
Нf — стандартная теплота образования вещества в газообразном
состоянии при 25 0С, кДж·моль-1;
hj, hr, hs — коэффициенты, характеризующие вклад j-х атомов (С, Н, О, N,
C1), r и s-x структурных групп, влияющих на нижний предел;
mj, mr, ms — число атомов j-го элемента, r и s-x структурных групп в
молекуле вещества;
l, р, q — число химических элементов и типов структурных групп в
молекуле вещества.
hi составляет: hС = 9,134, hН = 2,612, hO = -0,522
hr = 0
hf = 0,0246
hs: hC-H = 4,47, hC-O = 0,90, hO-H = 0,52
 н  100 /(3  0,0246  (203,1)  (9,134  2,612  4  0,522))  5,86%
Верхний предел распространения пламени (в) в % об. вычисляют в
зависимости от величины стехиометрического коэффициента кислорода () по
формулам:
при   8
при   8
где hj, qs— коэффициенты, учитывающие химическое строение вещества;
т j — число связей j-го элемента;
16
mC, mH , mCl, mO — число атомов соответственно углерода, водорода,
хлора и кислорода в молекуле вещества.
 = m С + m S + 0,25(m H - m X ) - 0,5m O + 2,5m p , (36)
где m С , m S , m H , m X , m O , m p - число атомов соответственно углерода,
серы, водорода, галоида, кислорода и фосфора в молекуле жидкости.
  1  0,25  4  0,5  1,5
hi: hC-H = 1,39, hC-O = 1,40, hO-H = 1,25
qs = 9/1 = 9
 в  100 /(3  1,39  1,40  1,25)  9)  6,32%
3.8. Расчет давления насыщенного пара по уравнению Антуана (для
температуры 25 0С)
lgр = 7,3527 - 1660,454/(245,818 + t)
lgр = 7,3527 - 1660,454/(245,818 + 25)
lgp = 1,2217
р = 0,87
№
11
.
Вещество
Метанол
СН3ОН
Константы уравнения
Антуана
Диэлектр.
прониц.
tКИПЕНИЯ, 0С
lgр = 7,3527 1660,454/(245,818 + t)
32,63
64,9
Н
Н исп.кДж/моль
образ.кДж/мол
ь
- 203,1
35,28
17
Список использованной литературы
1.
ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов.
2.
Номенклатура показателей НПБ 23-2001. Пожарная опасность
технологических сред.
3.
Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. Учеб. пособ.
для вузов / Под ред. В.А. Рабиновича и Х.М. рубинов. – 23-е изд., испр. – Л.:
Химия, 1985. – 264 с.
4.
Глинка Н.Л. Общая химия: Учеб. пособ. для вузов. – 24-е изд., испр.
/ Под ред. В.А. Рабиновича. – Л.: Химия, 1985. – 704 с.
5.
Химия: Справ. материалы / Ю.Д. Третьяков, Н.Н. Олейников, Я.А.
Кеслер; Под. ред. Ю.Д. Третьякова. – 2-е изд., перераб. – М.: Просвещение,
1988. – 223 с.
6.
Хомченко И.Г. Решение задач по химии. – М.: Новая волна, 2002. –
7.
Хомченко П.Г. Пособие по химии для поступающих в вузы. – 4-е
256 с.
изд., испр. и доп. – М.: Новая волна, 2004. – 480 с.
18