Расчёт основных характеристик, параметров состояния и процессов газообразных углеводородов

По следствию из закона Гесса, которое позволяет рассчитывать тепловые эффекты химических реакций, стандартная энтальпия химической реакции равна разности стандартных энтальпий образования продуктов реакции и реагентов (с учетом стехиометрических коэффициентов): , где Δ_rH^о_Т – изменение энтальпии реакции (тепловой эффект реакции), ν_j, ν_i – стехиометрические коэффициенты перед формулами конечных и исходных веществ соответственно, Δ_fH^о_Т(В_j) – стандартная энтальпия образования продуктов реакции (конечных веществ), Δ_fH^о_Т(A_i) – стандартная энтальпия образования исходных веществ реакции.

Получаем:

Δ_rH^о_I, 298 = 4·Δ_f H^o₂₉₈(CО₂(г)) + 4·Δ_fH^o₂₉₈(H₂O(г)) – (Δ_fH^o₂₉₈(C₄Н₈(г)) + 6·Δ_fH^o₂₉₈(О₂(г))) = –393,51·4 + (–241,82)·4 – (–11,17 + 6·0) = –2530,15 (кДж∙моль^–1);

Δ_rH^о_II, 298 = 2·Δ_fH^o₂₉₈(CО₂(г)) + 3·Δ_fH^o₂₉₈(H₂O(г)) – (Δ_fH^o₂₉₈(C₂Н₆(г)) + 3,5·Δ_fH^o₂₉₈(О₂(г))) = –393,51·2 + (–241,82)·3 – (–84,67 + 3,5·0) = –1427,81 (кДж∙моль^–1);

Δ_rH^о_III, 298 = 3·Δ_fH^o₂₉₈(CО₂(г)) + 4·Δ_fH^o₂₉₈(H₂O(г)) – (Δ_fH^o₂₉₈(C₃Н₈(г)) + 5·Δ_fH^o₂₉₈(О₂(г))) = –393,51·3 + (–241,82)·4 – (–103,85 + 5·0) = –2043,96 (кДж∙моль^–1).

Все реакции экзотермичны (Δ_rH^о_1, 298 , Δ_rH^о_2, 298, Δ_rH^о_3, 298<< 0), согласно принципу Бертло-Томсена – самопроизвольны.

Учитывая, что х(C₄Н₈) = 0,043, х(C₂Н₆) = 0,677, х(C₃Н₈) = 0,28 рассчитываем тепловые эффекты реакций на 1 моль газовой смеси:

Δ_rH^о_I = Δ_rH^о_I, 298 · х(C₄Н₈) = –2530,15·0,043 = - 108,79 (кДж∙моль^–1),

Δ_rH^о_II = Δ_rH^о_II, 298 · х(C₂Н₆) = –1427,81 ·0,677 = -966,62 (кДж∙моль^–1).

Δ_rH^о_III = Δ_rH^о_II, 298 · х(C₃Н₈) = –2043,96 ·0,28 = -572,3 (кДж∙моль^–1).

Определение изменения энтропии и энергии Гиббса реакций сгорания углеводородов можно произвести также согласно следствию из закона Гесса: , где Δ_r S^о_Т – изменение стандартной энтропии реакции, ν_j, ν_i – стехиометрические коэффициенты перед формулами конечных и исходных веществ соответственно, S^о_Т(В_j) – абсолютная энтропия продуктов реакции (конечных веществ), S^о_Т(А_i) – абсолютная энтропия исходных веществ реакции.

, где Δ_r G^о_Т – изменение энергии Гиббса реакции, ν_j, ν_i – стехиометрические коэффициенты перед формулами конечных и исходных веществ соответственно, Δ_fG^о_Т(В_j) – стандартная энергия Гиббса образования продуктов реакции (конечных веществ), Δ_fG^о_Т (А_i) – стандартная энергия Гиббса образования исходных веществ реакции.

Получаем:

Δ_rS^o_I, 298 = 4·S^o₂₉₈(CО₂(г)) + 4·S^o₂₉₈(H₂O(г)) – (S^o₂₉₈(C₄Н₈(г)) + 6·S^o₂₉₈(О₂(г))) = 4·213,74 + 4·188,83 – (296,48 + 6·205,138) = 82,97 (Дж·моль^–1·К^–1);

Δ_rS^o_II, 298 = 2·S^o₂₉₈(CО₂(г)) + 4·S^o₂₉₈(H₂O(г)) – (S^o₂₉₈(C₂Н₆(г)) + 4,5·S^o₂₉₈(О₂(г))) = 2·213,74 + 3·188,83 – (229,5 + 3,5·205,138) = 46,49 (Дж·моль^–1·К^–1);

Δ_rS^o_III, 298 = 3·S^o₂₉₈(CО₂(г)) + 4·S^o₂₉₈(H₂O(г)) – (S^o₂₉₈(C₃Н₈(г)) + 5·S^o₂₉₈(О₂(г))) = 3·213,74 + 4·188,83 – (269,91 + 5·205,138) = 100,94 (Дж·моль^–1·К^–1);

D_rG^о_I, 298 = 4·D _f G^о₂₉₈(CО₂(г)) + 4·D_fG^о₂₉₈(Н₂О(г)) – D_fG^о₂₉₈(C₄Н₈(г)) – 6·D_fG^о₂₉₈(O₂(г)) = 4·(-394,36) + 4∙(–228,57) - 62,94 – 6·0 = –2554,66 (кДж∙моль^–1);

D_rG^о_II, 298 = 2·D_f G^о₂₉₈(CО₂(г)) + 4·D_fG^о₂₉₈(Н₂О(г)) – D_fG^о₂₉₈(C₂Н₆(г)) – 4,5·D_fG^о₂₉₈(O₂(г)) = 2·(-394,36) + 4·(–228,57) + 20,236 – 4,5·0 = –1682,76 (кДж∙моль^–1);

D_rG^о_III, 298 = 3·D_f G^о₂₉₈(CО₂(г)) + 4·D_fG^о₂₉₈(Н₂О(г)) – D_fG^о₂₉₈(C₃Н₈(г)) – 5·D_fG^о₂₉₈(O₂(г)) = 3·(-394,36) + 4·(–228,57) + 23,53 – 5·0 = –2073,83 (кДж∙моль^–1).

Δ_rS^o_I, 298, Δ_rS^o_II, 298, Δ_rS^o_III, 298 > 0, так как увеличивается число молекул газообразных веществ во всех реакциях.

D_rG^о_I, 298, D_rG^о_II, 298, D_rG^о_III, 298 << 0, следовательно, химические процессы термодинамически возможны, т.е. возможно самопроизвольное протекание процессов в прямом направлении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пожаровзрывоопасные свойства газообразных веществ, составляющих смесь, а также средства тушения  пожаров с их участием

 

Пожаровзрывоопасность веществ  и материалов - совокупность свойств, характеризующих их способность  к возникновению и распространению  горения. Следствием горения, в зависимости  от его скорости и условий протекания, могут быть пожар (диффузионное горение) или взрыв (дефлаграционное горение  предварительно перемешанной смеси  горючего с окислителем).

Знание пожаровзрывоопасных свойств веществ является основой инженерных методов обеспечения безопасности зданий и сооружений, технологических процессов и оборудования, безопасности людей. Эти данные необходимы для разработки мер предотвращения возникновения пожаров и взрывов, а также для оценки условий их развития и подавления.

Пожаровзрывоопасные вещества постоянно присутствуют в процессах, реализуемых в химической, нефтехимической, газовой, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности, на транспорте, в строительстве, т.е. практически во всех сферах деятельности человека.

Показатели пожаровзрывоопасности  веществ связаны с их физико-химическими  константами: температурой кипения, теплотой испарения, теплотами образования и сгорания. Существенное влияние на опасность веществ оказывает зависимость давления насыщенного пара от температуры.

Согласно данным моего  варианта газовая смесь состоит  из трёх компонентов: транс – 2 – бутена (C₄H₈), этана (C₂H₆) и пропана (C₃H₈).

Транс – 2 – бутен (C₄H₈)

Физико-химические свойства: Бесцветный газ. Молекулярная масса (в а.е.м.): 56,11 Температура плавления (в °C): -105,55 Температура кипения (в °C): 0,88 Растворимость (в г/100 г или характеристика): бензол: растворим вода: не растворим диэтиловый эфир: хорошо растворим этанол: хорошо растворим Плотность: 0,6269 (4°C, г/см³). Показатель преломления (для D-линии натрия): 1,3848 (-25°C). Стандартная энтальпия образования ΔH (298 К, кДж/моль): -10,06 (г) Стандартная энтропия образования S (298 К, Дж/моль·K): 296,5 (г) Стандартная мольная теплоемкость C_p (298 К, Дж/моль·K): 87,82 (г) Энтальпия кипения ΔH_кип (кДж/моль): 23,83 Теплота сгорания (кДж/моль): 2706,3.

 

Этан (C₂H₆):

Физико-химические свойства: Бесцветный газ. Молярная масса 30,07; плотность жидкого
этана 548,2 кг/м³ при - 90°С; температура кипения - 88,63°С; плотность газа по воздуху 1,0488;
коэффициент диффузии газа в воздухе 0,121 см²/с; теплота образования - 84,68 кДж/моль; теплота сгорания
- 1576 кДж/моль; в воде не растворяется.

Пожароопасные свойства: Горючий газ. Температура самовоспламенения 515°С; концентрационные пределы
распространения пламени: 2,9 - 15% объем. в воздухе, 3 - 66% объема в кислороде; максимальное давление взрыва
675 кПа; максимальная скорость нарастания давления: среднее значение 14,5 МПа/с, максимальное значение 17,2 МПа/с;
нормальная скорость распространения пламени 0,476 м/с; минимальная энергия зажигания 0,24 мДж; МВСК 11,3% об. при разбавлении газовоздушной смеси азотом и 13,8% об. при разбавлении смеси диоксидом углерода; БЭМЗ 0,91 мм.

Средства тушения: Инертные газы. Для предупреждения взрыва при аварийном
истечении этана и тушения факела в закрытых объемах необходимая минимальная
концентрация: диоксида углерода 34% об., азота 46% об⁴.

2 цис бутан  (C₄H₈):

Физико-химические свойства: Молярная масса 56,11; температура плавления - 149 °С; температура кипения 4 °С; плотность по воздуху 1,94; теплота сгорания - 4957 кДж/моль.

Пожароопасные свойства: Горючий газ. Температура самовоспламенения 324 °С; концентрационные пределы распространения пламени 1,8 - 9,7 % об.

Средства тушения: Огнетушители газовые составы, огнетушащие аэрозоли⁵.

Пожаротушение — это комплекс действий и мероприятий, направленных на ликвидацию возникшего пожара. Возникновение пожара возможно при одновременном присутствии трех компонентов: горючего вещества, окислителя и источника зажигания. Развитие пожара требует присутствия не только горючих веществ и окислителя, но и передачи тепла от зоны горения к горючему материалу. Поэтому тушение пожара можно обеспечить следующими способами:

• изоляцией очага горения от воздуха или снижение путем разбавления воздуха негорючими газами концентрации кислорода до значения, при котором не может происходить горение;
• охлаждением очага горения до температур ниже температур воспламенения и вспышки;
• замедлением скорости химических реакций в пламени;
• механическим срывом пламени путем воздействия на очаг горения сильной струи газа или воды;
• созданием условий огнепреграждения.

Результаты воздействий  всех существующих средств тушения  на процесс горения зависят от физико-химических свойств горящих материалов, условий горения, интенсивности подачи и других факторов. Например, водой можно охлаждать и изолировать (или разбавлять) очаг горения, пенными средствами — изолировать и охлаждать, инертными разбавителями — разбавлять воздух, снижая концентрацию кислорода, хладонами — ингибировать горение и препятствовать распространению пламени порошковым облаком. Для любого средства тушения доминирующим является только одно огнетушащее воздействие. Вода оказывает преимущественно охлаждающее воздействие, пены — изолирующее, хладоны и порошки — ингибирующее.

Большинство средств тушения  не являются универсальными, т.е. приемлемыми  для тушения любых пожаров. В  ряде случаев средства тушения оказываются  несовместимыми с горящими материалами (например, взаимодействие воды с горящими щелочными металлами или металлоорганическими соединениями сопровождается взрывом).

При выборе средств тушения  следует исходить из возможности  получения максимального огнетушащего эффекта при минимальных затратах. Выбор средств тушения должен производиться с учетом класса пожара.

Под способом пожаротушения  понимают совокупность методов воздействия  на очаг пожара и доставки огнетушащих средств к очагу горения. На практике применяются различные способы пожаротушения, которые классифицируют по виду средств тушения, методу их подачи, окружающей обстановке, назначению. Все способы тушения могут быть разделены на поверхностные (когда подача средств тушения осуществляется непосредственно в очаг пожара) и объемные (когда в зоне пожара создается среда, не поддерживающая горение). Использование в практике пожаротушения пленкообразующих пенообразователей привело к разработке и внедрению нового способа тушения пожаров нефтепродуктов в резервуарах путем подачи пены под слой горючего с дальнейшим ее всплыванием и растеканием по поверхности горящего нефтепродукта.

Поверхностное тушение применяется  практически для всех видов пожаров. Для его реализации необходимы средства, которые можно подавать в зону горения дистанционно: вода в виде компактных и распыленных струй, пена, порошки.

Объемное тушение можно  применять в замкнутых объемах  с небольшой степенью негерметичности. Для объемного тушения применяются такие средства, которые можно распределять внутри защищаемого объема и создавать в каждом его элементе огнетушащую концентрацию. В качестве средств объемного тушения используют инертные газы, хладоны, тонкораспыленную воду, комбинированные составы и иногда порошки. В последние годы в качестве средства объемного тушения успешно используются газоаэрозольные составы, генерируемые при сгорании твердотопливных аэрозолеобразующих композиций.

Свойства и особенности  применения средств тушения

Вода и водные растворы

Вода является наиболее широко применяемым средством тушения  пожаров, связанных с горением различных веществ и материалов. Достоинствами воды являются ее дешевизна и доступность, относительно высокая удельная теплоемкость, высокая скрытая теплота испарения, химическая инертность по отношению к большинству веществ и материалов. К недостаткам воды относятся высокая электропроводность (особенно в случае применения воды с добавками, повышающими ее огнетушащие и эксплуатационные свойства), относительно низкая смачивающая способность, недостаточная адгезия к объекту тушения и т.п.

Вода, являясь эффективным  охлаждающим агентом, широко применяется  для защиты от возгорания соседних с горящим объектов, охлаждения резервуаров с нефтепродуктами при их тушении другими огнетушащими средствами.