Практична робота №7

Тема: Визначення максимального тиску парів речовини.

Мета: ознайомити студентів з порядком визначення тиску вибуху.

 

7.1. Поняття тиску вибуху

Технологічні процеси, пов’язані із застосуванням чи синтезом горючих газів та рідин, можуть супроводжуватися утворенням сумішей горючих газів та парів з повітрям. Такі суміші є особливо небезпечними, оскільки можуть спровокувати виникнення пожеж та вибухів. 

Горючі гази та пари, які знаходяться у закритій посудині чи апараті, не змішані з повітрям, не здатні горіти. Якщо ж такі пари і гази випустити з посудини в атмосферу і в місці витоку їх підпалити, то вони горітимуть у вигляді факела. В цьому випадку швидкість горіння набуває максимальних значень. Згоряння сумішей з такою швидкістю супроводжується виділенням значної кількості тепла за одиницю часу і, відповідно нагріванням продуктів горіння до високої температури.

Вибух – це надзвичайно швидке хімічне або фізичне перетворення речовин, що супроводжується виділенням великої кількості теплової енергії, газів, як наслідок, різким зростанням тиску і виникнення ударної (вибухової) хвилі, що в результаті призводить до травмування людей, виникнення пожеж та руйнування конструкцій.

Виходячи з процесів, що викликають вибух, розрізняють фізичний, хімічний та ядерний вибухи. У курсі вивчення дисципліни мова йдеться про хімічні вибухи, тобто ті, що пов’язані з горінням.

Вибух складається з трьох стадій:

1)              перетворення хімічної енергії реакції на теплову енергію;

2)              перетворення теплової енергії на енергію сильно стисненого газу;

3)              поширення стисненого газу у вигляді ударної хвилі.

Горюче середовище може спалахнути не лише при введенні його в нагріту посудину. Можливий і інший режим займання, вже не самовільного, а вимушеного – при нагріванні горючого середовища в посудині з холодними стінками шляхом швидкого стиснення. При достатньому нагріванні починається реакція, що самоприскорюється, тобто відбувається тепловий вибух. Таке спалахування унаслідок нагрівання адіабатичним стисненням інколи називають адіабатичним займанням.

В цьому випадку газ нагрівається внаслідок стиснення ударною хвилею, що виникає при швидкому згорянні.

До параметрів тиску вибуху, що враховуються при характеристиці речовин та матеріалів, відносять максимальний тиск вибуху і швидкість його наростання.

Під максимальним тиском вибуху розуміють найбільший тиск, який виникає при дефлаграційному згорянні найбільш пожежовибухонебезпечної газо-, паро-, пилоповітряної суміші у замкнутій посудині при її початковому тискові 101,3 кПа.

 

7.2. Методика визначення максимального тиску вибуху

Тиск при вибуху газоповітряної суміші в закритому об’ємі визначається температурою вибуху і відношенням числа молекул продуктів згоряння до числа молекул початкової суміші. При вибуху газових сумішей тиск в більшості випадків не перевищує 101,3 кПа, при умові, що початковий тиск суміші був нормальним.

Тиск при вибуху газоповітряних сумішей визначають за формулою:

 

де Т₀– початкова температура суміші, К;

Т_виб– температура вибуху, К; Р₀– початковий тиск суміші, кПа;

n_пг – кількість молів продуктів реакції горіння, моль/моль; n_пс – кількість молів початкової суміші, моль/моль.

Максимальну температуру вибуху Т_виб розраховують за наступних припущень:

ü    горіння протікає при стехіометричній концентрації  α=1;

ü    початкова температура суміші дорівнює 298,15 К;

ü    відбувається адіабатичне горіння суміші при постійному

об’ємі;

ü    відбувається повне згоряння речовини без дисоціації продуктів горіння.

Температура вибуху визначається за методом лінійної інтерполяції, як і температура горіння при постійному тискові. Відмінність полягає у тому, що при визначенні температури горіння при постійному тискові обрахунок проводять за тепловмістом продуктів горіння, а при розрахунку температури вибуху – за внутрішньою енергією продуктів вибуху:

 

де Т_1, Т₂ – температура вибуху в першому та другому наближенні

відповідно, К;

U_виб – внутрішня енергія вибуху суміші, кДж/моль;

U_пг1, U_пг2 – внутрішня енергія продуктів вибуху при температурі Т₁ і Т₂ відповідно, кДж/моль/

Температуру вибуху в першому наближенні Т_1,визначають за значенням середньої енергії продуктів вибуху U_ср, орієнтуючись на внутрішню енергію азоту.Як і при визначенні температури горіння, температуру вибуху приймають дещо нижчою, ніж за азотом.

Середню енергію продуктів вибуху визначають за формулою:

де U_виб – внутрішня енергія вибуху суміші, кДж/моль, визначається за формулою:

 

де Q_н – нижня теплота згоряння, кДж/моль;

R – універсальна газова стала, 8,314×10 ^–3 кДж/моль×К;

T₀ – початкова температура суміші, К;

Δn – різниця між числом молів продуктів горіння та початкової суміші, моль/моль.

Для визначення температури вибуху в другому наближенні Т₂, необхідно порівняти значення середньої енергії продуктів вибуху при температурі Т_1, зі значенням енергії вибуху:

ü    якщо U_пг1 < U_виб, то Т₂> Т_1,;

ü    якщо U_пг1> U_виб, то Т₂<Т₁.

Внутрішню енергію продуктів вибуху при температурі Т_1,іТ₂  визначають за формулою:

 

де U_пгі1(2) – внутрішня енергія і-го компонента продуктів згоряння при температурі Т_1,іТ₂ відповідно, кДж/моль;

n_пгі – кількість молів і-го компонента продуктів згоряння, моль/моль.

 

Приклад 7.1:

Визначити максимальний тиск при вибуху парів метилацетату (С₃Н₆О₂), якщо початкова температура суміші 20 °С, а тиск становить 100 кПа. Теплота утворення метилацетату – ΔН⁰_f = –409,1 кДж/моль.

Вирішення:

1.              Складаємо рівняння реакції горіння метилацетату:

С₃Н₆О₂ + 3,5(О₂ + 3,76N₂) = 3×СО₂ + 3×Н₂О+ 3,5×3,76N₂.

 

2.              Визначаємо теоретичне число молів продуктів горіння: n_пгі = 3 + 3 + 3,5×3,76 = 19,16 моль/моль.

 

3.              Визначаємо теоретичне число молів початкової суміші: n_пс = 1 + 3,5×4,76 = 17,66 моль/моль.

 

4.              Визначаємо нижчу теплоту згоряння метилацетату:

5.              Визначаємо різницю між числом молів продуктів горіння та початкової суміші: D n = n_пгі - n_пс = 19,16 – 17,66 = 1,5 моль/моль.

 

6.              Визначаємо внутрішню енергію вибуху горючої суміші:

7.              Визначаємо середню енергію продуктів вибуху.

8.              Орієнтуючись на внутрішню енергію нітрогену, визначаємо температуру вибуху у першому наближенні: Т_1, = 3000 К.

 

9.              Визначаємо внутрішню енергію вибуху при температурі вибуху Т₁:

10.          Визначаємо температуру вибуху у другому наближенні Т₂. Враховуючи те, що внутрішня енергія продуктів вибуху при температурі Т₁ виявилася більшою за енергію початкової суміші, то температура Т₂ повинна бути меншою за Т₁. Отже:

Т₂ = 2800 К.

 

11.          Визначаємо внутрішню енергію продуктів вибуху при температурі Т₂:

12.          Визначаємо температуру вибуху за допомогою методу лінійної інтерполяції:

13.          Визначаємо максимальний тиск вибуху метилацетату:

 

Відповідь: максимальний тиск вибуху парів метилацетату при початковій температурі суміші 20 °С та тискові 100 кПа становить 950,9 кПа.