Тема 2. Материальный и тепловой баланс процесса горения.

Цель: изучить основы материального и теплового баланса реакции горения, научиться рассчитывать объем воздуха, необходимого для горения, объем и состав выделившихся продуктов реакции и температуру горения.

Учебные вопросы:

1. Уравнение материального баланса процесса горения.

2. Объем и состав продуктов горения веществ и материалов.

3. Теплота горения, её расчёт и определение.

4. Температура горения. Расчёт и способы её определения.

 

Методические рекомендации по изучению темы

Данная тема раскрываете общие положения расчётов  материального и теплового баланса процессов горения газообразных и конденсированных веществ, характера свечения пламени, температуры горения, а также в рамках темы рассматриваются примеры решения типовых задач.

В данной теме предусмотрено изучение теоретического материала, решение практических задач, выполнение лабораторной работы.

1.  Изучите данную тему с использованием материала лекций и учебной литературы.

2. Заучите определения основных понятий.

3. Обратите внимание на понятия теплоты и температуры горения, способы их расчета и измерения. Разберитесь, в чем состоит отличие низшей и высшей теплоты сгорания. Изучите виды температуры горения, в чем между ними разница, для чего необходимо знать теплоту и температуру горения.

4. Разберите правила составления реакции горения. Это особенно важный момент, так как практически все расчеты по дисциплине «Теория горения и взрыва» начинаются с составления реакции горения. Попробуйте самостоятельно составить реакции горения различных веществ, приведенных в справочнике [2], используя правила составления уравнений реакций горения:

При решении практически всех задач по дисциплине "Теория горения и взрыва" необходимо составить уравнение реакции горения. Поэтому очень важно научиться делать это правильно. Изучите изложенные ниже правила составления уравнений реакции горения, разберите примеры.

Правило № 1. В левой части уравнения записываем горючее вещество и окислитель [воздух в виде (O₂ + 3,76N₂) ].

Правило № 2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, учитывая, что:

углерод (С), содержащийся в горючем веществе, превращается в CO ₂,

сера (S), содержащаяся в горючем веществе, превращается в SO ₂,

фосфор (Р), содержащийся в горючем веществе, превращается в P ₂ O ₅,

водород (Н), содержащийся в горючем веществе, превращается в H ₂ O,

хлор (Cl), содержащийся в горючем веществе, превращается в HCl,

фтор (F), содержащийся в горючем веществе, превращается в HF,

бром (Br), содержащийся в горючем веществе, превращается в HBr,

йод (I), содержащийся в горючем веществе, превращается в HI,

кислород (О), содержащийся в горючем веществе, входит в состав образующихся оксидов (C O ₂, S O ₂, H₂ O) как и кислород воздуха.

азот (N), при температуре горения ниже 2000 ^оС не вступает в реакцию. Поскольку, в условиях реального пожара температура не превышает значения 1500 – 1600 ^оС, то принимают, что азот выделяется в свободном виде (N ₂). Следовательно 3,76 молей N₂ из воздуха переходят в неизменном виде в продукты горения.

Если горючее вещество содержит другие элементы, то они переходят в высшие оксиды, как указанные выше углерод, водород и фосфор.

Правило № 3. Атомы кислорода, входящие в состав молекул горючего вещества (например, C₂H₆OS - 2-тиолэтанол), участвуют в реакции горения в качестве окислителя, как кислород воздуха.

Правило № 4. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения для того, чтобы в исходных веществах (левая часть уравнения) и получившихся из них продуктах реакции (правая часть уравнения) содержалось одинаковое количество атомов данного вида. При подсчете количества атомов данного вида стехиометрические коэффициенты и индексы, указывающие количество атомов в молекуле, перемножаются.

Рекомендуется придерживаться следующей последовательности действий.

Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1, так как все расчеты ведут на 1 моль горючего вещества;

Перед формулой углекислого газа ставится коэффициент равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества.

Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекул горючего вещества, за исключением Н, О и N.

Уравниваем число атомов водорода, учитывая их содержание в молекулах галогеноуглеводородов и воды.

Уравниваем число атомов кислорода, рассчитав их количество в правой части уравнения и учитывая атомы кислорода, содержащиеся в молекуле горючего вещества.

Коэффициент, поставленный перед молекулой кислорода, переносим в правую часть уравнения и ставим перед 3,76N₂. Уравниваем число атомов азота, содержащиеся в молекуле горючего вещества.

 

Пример 1. Составить уравнение реакции горения С₆Н₄ N ₂ О₄ в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

С₆Н₄ N ₂ О₄ + (О₂ + 3,76 N ₂)

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + N ₂ + 3,76 N ₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, азот выделился в свободном виде - N₂. Азот, содержащийся в воздухе, также не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + N₂ + 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 6, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

1С ₆ Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6 СО₂ + Н₂О + N₂ + 3,76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекулы горючего вещества, за исключением Н и О. В данном случае уравниваем число атомов азота. В состав горючего вещества входят два атома азота. В составе выделившейся молекулы азота тоже два атома, поэтому перед молекулой азота в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

1С₆Н₄N ₂ О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + Н₂О + 1 N₂ + 3,76 N₂

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. В состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед формулой воды ставим коэффициент 2:

С₆Н ₄ N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + 2 Н₂О + 1N₂ + 3,76 N₂

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе двух молекул воды: 2 ∙ 1 = 2;

итого: 12 + 2 = 14 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 4 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (14 – 4 = 10). Затем делим полученное число на 2 (количество атомов водорода в Н₂О) (10/2 = 5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

С₆Н₄N₂О ₄ + 5 (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + 2Н₂О + 1N₂ + 3,76 N₂

е) коэффициент 5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

С₆Н₄N₂О ₄ + 5(О₂ + 3,76 N₂) = 6СО₂ + 2Н₂О + 1N₂ + 5 ∙ 3,76 N₂

Чтобы убедиться в правильности составленного уравнения реакции горения, рассчитаем количество атомов одних и тех же элементов в его правой и левой частях:

С – слева 6, справа 6 ∙ 1 = 6;

Н – слева 4, справа 2 ∙ 2 = 4;

N – слева: в горючем веществе 2, в воздухе 5∙ 3,76 = 18,8, итого 20,8;

  справа 2 + 5∙ 3,76 = 20,8;

О - слева: в горючем веществе 4, в воздухе 5 ∙ 2 = 10, итого 14;

  справа: в углекислом газе 6 ∙ 2 = 12, в воде 2 ∙ 1 = 2, итого 14.

Вывод: уравнение реакции горения составлено верно.

 

Пример 2. Составить уравнение реакции горения п-дихлорбензола С₄Н₄С l ₂ в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

С₄Н₄С l ₂ + (О₂ + 3,76 N ₂)

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

С₄Н₄Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + HCl + 3,76 N ₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, хлор превратился в хлороводород. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 С₄Н₄Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + HCl+ 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 4, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

С ₄ Н₄Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 4 СО₂ + Н₂О + HCl+ 3,76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О, N. В данном случае уравниваем число атомов хлора. В состав горючего вещества входят два атома хлора. В составе выделившейся молекулы хлороводорода один атом Cl, поэтому перед молекулой хлороводорода в продуктах реакции ставим коэффициент 2:

С₄Н₄Сl ₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 4СО₂ + Н₂О + 2 HCl+ 3,76 N₂

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. Из них два атома водорода уже вошли в состав двух молекул хлороводорода. Оставшиеся два атома водорода перейдут в состав молекулы Н₂О. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

С₄Н ₄ Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 4СО₂ + 1 Н₂О + 2HCl+ 3,76 N₂

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе четырех молекул углекислого газа: 4 ∙ 2 = 8;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 8 + 1 = 9 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода. Следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (9 /2 = 4,5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

С₄Н₄Сl₂ + 4,5 (О₂ + 3,76 N₂) → 4СО₂ + 1Н₂О + 2HCl+ 3,76 N₂

е) коэффициент 4,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

С₄Н₄Сl₂ + 4,5(О₂ + 3,76 N₂) = 4СО₂ + 1Н₂О + 2HCl+ 4,5 ∙ 3,76 N₂

 

Пример 3. Составить уравнение реакции горения ацетилена С₂Н₂ в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N ₂)

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + 3,76 N ₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 2, равный количеству атомов углерода в молекуле ацетилена:

 С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 2 СО₂ + Н₂О + 3,76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О и N. В данном случае таких элементов нет.

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества - два атома водорода. В состав молекулы воды входит также два атома водорода. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

 С₂Н ₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 2СО₂ + 1 Н₂О   + 3,76 N₂

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе двух молекул углекислого газа: 2 ∙ 2 = 4;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 4 + 1 = 5 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода, следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (5/2 = 2,5) и ставим данный коэффициент перед воздухом:

 С₂Н₂ + 2,5 (О₂ + 3,76 N₂) → 2СО₂ + 1Н₂О + 3,76 N₂

е) коэффициент 2,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

 С₂Н₂ + 2,5(О₂ + 3,76 N₂) = 2СО₂ + 1Н₂О + 2,5 ∙ 3,76 N₂

 

Пример 4. Составить уравнение реакции горения C ₆ Н₈ S О₃ в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:   C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N ₂)

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + SO ₂ + 3,76 N ₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, сера образовала оксид SO₂. Азот воздуха не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + SO₂ + 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 6, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

 C ₆ Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6 СО₂ + Н₂О + SO₂ + 3,76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О и N. В данном случае уравниваем число атомов серы. В состав молекулы горючего вещества входит один атом серы. В составе выделившейся молекулы SO₂ тоже один атом, поэтому перед молекулой SO₂ в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

1 C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + Н₂О + 1 SO₂ + 3,76 N₂

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества восемь атомов водорода, а в состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 4:

C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + 4 Н₂О + 1SO₂ + 3,76 N₂

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе четырех молекул воды: 4 ∙ 1 = 4;

в составе одной молекулы оксида серы: 1∙ 2 = 2

итого: 12 + 4 + 2 = 18 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 3 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (18 – 3 = 15). Делим полученное число на 2 (15 /2 = 7,5) и ставим данный коэффициент перед воздухом:

 C₆Н₈SО₃ + 7,5 (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + 4Н₂О + 1SO₂ + 3,76 N₂

е) коэффициент 7,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

 C₆Н₈SО₃ + 7,5(О₂ + 3,76 N₂) = 6СО₂ + 4Н₂О + 1SO₂ + 7,5 ∙ 3,76 N₂

 

4. Многообразие реакций горения не исчерпывается рассмотренными в данном разделе примерами. Однако, используя описанные правила, можно самостоятельно составить реакцию горения многих других горючих веществ. Написание уравнений реакций горения является важной составной частью при решении многих задач в курсе «Теория горения и взрыва».

 

5. Важно учитывать влияние коэффициента избытка воздуха на состав продуктов горения и температуру горения, так как они определяют пожароопасные характеристики веществ и материалов, дают возможность оценивать реальную обстановку на пожаре и правильно организовывать деятельность пожарных.