Тема: исследование пожаровзрывоопасности горючих жидкостей
Жидкость: диэтилкетон (3-пентанон) C5H10O
Общие сведения
Кетоны — летучие жидкости или легкоплавкие твёрдые вещества, низшие представители хорошо растворимы в воде и смешиваются с органическими растворителями, некоторые (ацетон) смешиваются с водой в любых соотношениях. Невозможность образования межмолекулярных водородных связей обуславливает несколько большую их летучесть, чем у спиртов и карбоновых кислот с той же молекулярной массой.
Диэтилкетон (3-пентанон) C5H10O – бесцветная жидкость с характерным запахом ацетона. Представляет собой простой симметричный диалкилкетон. Температура плавления диэтилкетона –40°С. Температура кипения – +102°С. Пар тяжелее воздуха и может перемещаться по поверхности земли, возможно дистанционное воспламенение. Пар хорошо смешивается с воздухом, легко образуются взрывчатые смеси.
Интенсивно реагирует с окислителями. Приводит к появлению опасности пожара и взрыва. Разъедает многие пластики.
Оказывает неблагоприятное воздействие на организм человека и животных. Опасный уровень загрязнения воздуха может быть достигнут довольно быстро, т.к. вещество испаряется при 20°C. Оказывает раздражающее действие при попадании на слизистые (глаза, кожа, дыхательные пути) и вдыхании паров. При попадании на кожу может вызывать сухость и растрескивание.
Применяется в качестве растворителя при производстве лаков и красок. Также, может применяться для депарафинизации нефтепродуктов.
Определение характеристик горения
Определение характера свечения пламени
Для определения характера свечения пламени необходимо рассчитать массовые доли углерода и кислорода в веществе.
Определение молярной массы горючего вещества производится по формуле:
M=∑_(i=1)^k▒〖M(A_i )×n_i 〗, где
M – молярная масса вещества кг/кмоль;
М (А)– молярная масса атома i–химического элемента, кг/кмоль;
n – количество атомовi– элемента в молекуле горючего вещества;
k– количество элементов в молекуле горючего вещества.
M(C_5 H_10 O)=5×12+10×1+16×1=86 кг/моль
Определение массовых долей (ω) в веществе производится по формуле:
ω_i=(M(A_i)∙n_i)/M∙100
ω(C)=(5∙12∙100)/86=69,77%
ω(O)=(16∙1∙100)/86=18,61%
Массовая доля углерода <75%, а массовая доля кислорода <30%, следовательно, при горении диэтилкетона наблюдается яркое не коптящее пламя (в соответствии с таблицей 1).
Таблица 1. Характер свечения пламени
Теоретический и практический расход воздуха на горение
Расчет теоретического объема воздуха, необходимого для сгорания 1 киломоля и 1 кг диэтилкетона. Температура 30°С, давление 105 кПа
Записываем уравнение реакции сгорания диэтилкетона, условно представляя состав воздуха как (O2+3,76N2):
C5H10O+7(O2+3,76N2) →5CO2+5H2O+7∙3,76N2; β=7
Воспользуемся формулами, приведенными на рисунке 1.
Рисунок 1. Расчет объема воздуха для индивидуальных веществ
Для одного киломоля вещества число киломоль воздуха составят:
n_в^теор=β∙4,76=7∙4,76=33,32 кмоль
Для одного киломоля вещества при НУ теоретический объем воздуха:
V_в^теор=β∙4,76∙V_м=7∙4,76∙22,4=746,37 м^3
Необходимо рассчитать молярный объем при заданных условиях (температура, давление):
V_м=(P_0∙V_0)/T_0 ∙T/P=(101,3∙22,4∙(273+30))/(273∙105)=23,99% м^3/кмоль
Тогда для 1 киломоля диэтилкетона при заданных условиях теоретический объем воздуха составит (в соответствии с рисунком 1):
V_в^теор=7·4,76·23,99=799,35 м^3
Для 1 кг диэтилкетона при заданных условиях теоретический объем воздуха:
M(C_5 H_10 O)=5×12+10×1+16×1=86 кг/моль
V_в^теор=(m∙β∙4,76∙V_м)/M=(1∙7∙4,76∙23,99)/86=9,29 кг
Расчет практического объема воздуха
Горение протекает с избытком воздуха, поэтому следует рассчитать практический объем воздуха на горение:
V_в^практ=V_в^теор∙α=1,1∙799,35=879,29 м^3
Объем и состав продуктов полного сгорания
К продуктам полного сгорания диэтилкетона относятся: углекислый газ, образующийся при горении углерода, водяной пар, образующийся при горении водорода и испарения влаги, и азот.
Реальный выход продуктов горения количественно установить невозможно из-за чрезвычайной сложности их состава, поэтому материальный баланс процесса горения рассчитывается в предположении, что вещество сгорает полностью до конечных продуктов. При этом, в состав продуктов горения включают азот воздуха.
Стехиометрическая концентрация горючего вещества в паровоздушной смеси
Для определения стехиометрической концентрации необходимо составить уравнение реакции горения, определить стехиометрический коэффициент β (коэффициент перед воздухом).
Тогда, для сгорания 1 кмоля горючего, необходимо β кмоль воздуха, отсюда объемная стехиометрическая концентрация (%) равна:
φ_стех=100/((1+4,76β) )
Массовая стехиометрическая концентрация (кг/м3):
C_стех=M/[(1+4,76β)∙V_M ]
Уравнение реакции горения диэтилкетона:
C5H10O+7(O2+3,76N2) → 5CO2+5H2O+7∙3,76N2; β=7
φ_стех=100/((1+4,76∙7) )=2,91% приНУ
C_стех=(M∙φ_стех)/(V_M∙100)=(86∙2,91)/2240=0,11 кг/м^3 приНУ
Низшая теплота горения
Определение массовых долей элементов в молекуле диэтилкетона C5H10O:
ω(C)=(5∙12∙100)/86=69,77%
ω(O)=(16∙1∙100)/86=18,61%
ω(H)=(1∙10∙100)/86=11,62 %
Проверка: 69,77%+18,61%+11,62%=100%
Расчет по формуле Д.И. Менделеева низшей теплоты горения диэтилкетона:
Q_н=339,4∙ω(C)+1257∙ω(H)-108,9[(ω(O)+ω(N))-ω(S)]-25,1[9∙ω(H)+ω(W)]=339,4∙69,77+1257∙11,62-108,9∙18,61-25,1∙11,62=35 969,149 кДж/кг
Расчет температуры горения
Вычислить действительную температуру горения диэтилкетона (3-пентанон) C5H10O, если потери тепла излучением составляют 25%, а горение протекает с коэффициентом избытка воздуха 1,1.
Реакция горения диэтилкетона в воздухе:
C5H10O+7(O2+3,76N2) → 5CO2+5H2O+7∙3,76N2;
Количество кмоль продуктов горения:
n (CO2) = 5 кмоль
n (H2O) = 5 кмоль
n (N2) = 26,32 кмоль
Так как горение протекает с избытком воздуха, необходимо учесть остаточный кислород в продуктах сгорания и азот в избытке воздуха:
∆n (O_2 )=β∙(α-1)=7∙(1,1-1)=0,7 кмоль
∆n (N_2 )=3,76∙β∙(α-1)=3,76∙7∙(1,1-1)=2,632 кмоль
Общее количество продуктов сгорания при сжигании 1 киломоля горючего:
n (ПГ)практ = 5+5+28,952+0,7=39,652 кмоль
Теплота горения диэтилкетона составляет (п. 2.5.2):
Q_н=35 969,149 кДж/кг
M(C_5 H_10 O)=5×12+10×1+16×1=86 кг/моль
Необходимо перевести теплоту сгорания диэтилкетона в кДж/кмоль:
Q_гор^кмоль=M∙Q_гор^кг=86∙35 969,149=3 093 346,814 кДж/кмоль
Теплопотери составляют 25%, следовательно,
Q_ПГ=3 093 346,814∙(1-0,25)=2 320 010,111 кДж/моль
Среднее теплосодержание продуктов горения:
Q_ср=Q_ПГ/(n_ПГ^пр )=2 320 010,111/39,652=58 509,3 кДж
По справочными таблицам (таблица 2), ориентируясь на азот, определяем T1=1800℃.
Таблица 2. Теплоемкость газов при различных температурах
Рассчитываем теплосодержание продуктов горения:
Q_ПГ^1800=96579,5∙5+77598,8∙5+59539,9∙28,952+62766,2∙0,7=482 897,5+387 994+1 723 779,185+43 936,34=2 638 607,625 кДж
Q_ПГ^1800>Q_ПГ
Следовательно, выбираем T2= 1700℃.
Q_ПГ^1700=90545,9∙5+72445,1∙5+55936,5∙28,952+58953,3∙0,7=452 727,5+362 225,5+1 619 473,55+41 267,31= 2 475 693,858 кДж
Q_ПГ^1700>Q_ПГ
Следовательно, выбираем T3= 1600℃.
Q_ПГ^1600=84554,2∙5+67333,3∙5+52375∙28,952+55182,3∙0,7=2 314 426,11 кДж
Q_ПГ^1600
Методом интерполяции рассчитаем температуру горения:
T_ПГ=T_1+(Q_ПГ-Q_ПГ^1)/(Q_ПГ^2-Q_ПГ^1 )∙(T_2-T_1 )=1600+(2 320 010,111-2 314 426,11)/(2 475 693,858-2 314 426,11)∙(1700-1600)=1 634,63℃
Определение показателей пожарной опасности
Расчет температуры вспышки
Температуру вспышки жидкостей (tвсп) в закрытом тигле в ℃, имеющих нижеперечисленные виды связей (таблица 3), вычисляют по формуле:
t_всп=a_0+a_1∙t_кип+∑_(i=1)^n▒〖a_i∙l_i 〗,℃
Где: a0 – размерный коэффициент, равный -73,14℃;
a1 – безразмерный коэффициент, равный 0,659;
tкип – температура кипения исследуемой жидкости, ℃;
ai – эмпирические коэффициенты, приведенные в таблице 3 в зависимости от типа связей в структурной формуле вещества;
li – количество связей вида j в молекуле исследуемой жидкости.
