Расчет битумохранилища

СО + ОН → СО₂ + Н

 

Итог единичного цикла:

 

2СН₄ + 4О₂ → 2 СО₂ + 4Н₂О

 

2. Температура самовоспламенения

 

Для того чтобы могли протекать  реакции горения, необходимо создать  условия для воспламенения смеси топлива с окислителем. Воспламенение может быть самопроизвольным и вынужденным (зажигание).

Под температурой самовоспламенения  понимается минимальная температура, до которой должна быть нагрета газовоздушная  смесь и при которой начинается самопроизвольный процесс горения, т.е. без внешнего подвода теплоты, за счет выделения теплоты горящими частицами газа. Она определяется различными способами, основным из которых является метода выпуска заранее приготовленной газовоздушной смеси в вакуумированный сосуд, нагреваемый в электрической печи. Повышая постепенно температуру сосуда, находят то ее минимальное значение, при котором наблюдается появление пламени, т.е. самовоспламенение смеси. Отмечается при этом температура и отождествляется с температурой самовоспламенения исследуемого газа.

Температура самовоспламенения не является строго фиксированной для  данного газа и зависит от его  содержания в газовоздушной смеси, степени однородности последней, формы  и размеров сосуда, в котором смесь нагревается, быстроты и способа ее нагрева, каталитического влияния стенок сосуда и давления, под которым находится смесь.

Температуры самовоспламенения горючих  газов в кислороде, как правило, несколько ниже, чем в воздухе. Введение в состав газов балластных примесей (азота и диоксида углерода) приводит к увеличению температуры самовоспламенения. Присутствие в сложных газах компонентов с низкой температурой самовоспламенения приводит к снижению температуры самовоспламенения смеси.

Как указывалось выше, вынужденное воспламенение газов (зажигание) осуществляется поджиганием смеси в одной точке или ряде точек высокотемпературным источником, открытым пламенем или электрической искрой в точке вылета газа или газовоздушной смеси из огневых каналов горелок в топочный объем. Таким образом, зажигание отличается от самовоспламенения тем, что горючую смесь доводят до появления пламени не во всем объеме, а только в небольшой части его. Теплоотвод из нагреваемой зоны требует, чтобы интенсивность тепловыделения источника зажигания превышала этот отвод теплоты. После воспламенения источник зажигания удаляется, и горение происходит за счет распространения фронта пламени.

 

3. Пределы воспламеняемости и взрываемости

 

Газовоздушные смеси могут воспламеняться (взрываться) только в том случае, если содержание газа в смеси находится в определенных (для каждого газа) пределах. В связи с этим различают нижний и верхний концентрационные пределы воспламеняемости. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний максимальному количеству газа в смеси, при котором происходят их воспламенения (при зажигании) и самовольное (без притока тепла извне) распространение пламени (самовоспламенение). Эти же пределы соответствуют и условиям взрываемости газовоздушных смесей.

Если содержание газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Если содержание газа в смеси находится между нижним и верхним пределами воспламеняемости, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является взрывоопасной. Чем шире будет диапазон пределов воспламеняемости (называемых также пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. И наконец, если содержание газа и смеси превышает верхний предел воспламеняемости, то количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа.

Существование пределов воспламеняемости вызывается тепловыми потерями при горении. При разбавлении горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается и горение прекращается после удаления источника зажигания.

С увеличением температуры смеси  пределы воспламеняемости расширяются, а при температуре, превышающей  температуру самовоспламенения, смеси  газа с воздухом или кислородом горят  при любом объемном соотношении  их. Пределы воспламеняемости зависят  не только от видов горючих газов, но и от условий проведения экспериментов. Этим объясняются несколько отличающихся друг от друга значение этих пределов в различных литературных источниках. В табл. 3 – 4 приведены сравнительно достоверные данные, полученные при комнатной температуре и атмосферном давлении при распространении пламени снизу вверх в трубке диаметром 50 мм и более. При распространении пламени сверху вниз или горизонтально нижние пределы несколько возрастают, а верхние снижаются [1].

Пределы воспламеняемости сложных горючих газов, не содержащих балластные примеси, определяются по правилу аддитивности:

 

L_г = (r₁ + r₂ + … +r_n)/(r₁/l₁ + r₂/l₂ + … + r_n/l_n)                                        (5)

 

где L_г – нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа в газовоздушной или газокислородной смеси, %(об.); r₁, r₂, …, r_n – содержание отдельных компонентов в сложном газе, %(об.): r₁ + r₂ + … + r_n = 100%; l₁, l₂, …, l_n – нижние или верхние пределы воспламеняемости отдельных компонентов в газовоздушной или газокислородной смеси по данным табл. 8.10 или 8.11, %(об.).

При наличии в газе небольшого количества балластных примесей пределы воспламеняемости могут быть определены приближенно:

 

L_б = L_г[1 + Б/(1 – Б)∙100]/[100 + L_г∙Б/(1-Б)]                                     (6)

 

где L_б – верхний и нижний пределы воспламеняемости смечи с балластными примесями, %(об.); L_б – то же, горючей смечи, %(об.); Б – количество балластных примесей, доли единицы.

При теплотехнических расчетах, химических анализах газовоздушной смеси и разработке мероприятий по технике безопасности часто необходимо знать коэффициент избытка воздуха   при разных пределах воспламеняемости (см. табл. 3), а также давление, возникающее при взрыве газовоздушной смеси.

Коэффициент избытка воздуха, соответствующий верхнему или нижнему пределам воспламеняемости, можно определить по формуле:

 

α = (100/L – 1)∙(1/V_т)                                                              (7)

 

Давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей, обычно измеряется на специальных установках. Опыт показывает, что максимальное давление взрыва соответствует не теоретическому, а давлению смеси с несколько большей концентрацией газа в газовоздушной смеси*.

При отсутствии экспериментальных  данных давления, возникающие при  взрыве газовоздушных смесей, могут быть определены с достаточным для практики приближением по следующим формулам:

 

для стехиометрического соотношения  простого газа с воздухом

 

р_вз = р_н(1 + β∙t_к)∙(m/n)                                                        (8)

 

для любого соотношения сложного газа с воздухом

р_вз = р_н(1 + β∙t_к)∙ /(1 + α∙V_т)                                             (9)

 

где р_вз – давление, возникающее при взрыве, МПа; р_н – начальное давление (до взрыва), МПа; β - коэффициент объемного расширения газов, численно равный коэффициенту давления: 1/273; t_к – калориметрическая температура горения, ⁰С; m – число молей после взрыва, определяемое по реакции горения газа в воздухе; n – число молей до взрыва, участвующих в реакции горения;  - объем влажных продуктов сгорания на 1 м³ газа, м³; V_т – теоретический расход воздуха, м³/м³.

Давления взрыва, определенные по формулам, могут возникнуть только в том случае, если происходит полное сгорание газа внутри емкости и ее стенки рассчитаны на эти давления. В противном случае они ограничены прочностью стенок или их наиболее легко разрушающихся частей. Объясняется это тем, что нарастающие за счет расширения горения части газа импульсы давления распространяются по не вступившей в реакцию газовоздушной смеси со скоростью звука и достигают ограждений значительно быстрее перемещающегося фронта пламени. Это приводит к разрушению ослабленных частей ограждений до полного выгорания взрывчатой смеси и ее сбросу через открывшиеся проемы в атмосферу.

Различие скоростей распространения  пламени и разница в давлении широко используется на практике для  защиты топок, газоходов, зданий и любых  других устройств от разрушения при  взрыве путем установки в проемах  стен и перекрытий легко открывающихся  или разрушающихся фрамуг, панелей, клапанов и остекленных переплетов для стен зданий. Возникающее при взрыве давление зависит от конструкции защитных устройств и коэффициента сброса k_сб, представляющего собой отношение площади защитных устройств к объему сооружения, в котором происходит взрыв. Наиболее надежными защитными устройствами, обеспечивающими наименьшее давление взрыва, являются поворотные оконные переплеты или другие поворотные конструкции с боковыми шарнирами, а также легкие свободно лежащие плиты. Выбор вида защитных устройств и коэффициента сброса осуществляется исходя из прочности ограждающих конструкций и местных условий. Для наиболее распространенных кирпичных ограждений толщиной 1,5 и 2 кирпича прочность может приниматься равной соответственно 0,015 и 0,025 МПа.

 

Стехиометрический коэффициент —  отношение массы окислителя, необходимого для полного сгорания топлива, к  массе этого топлива. Смесь топлива  с окислителем, состав которой отвечает стехиометрическому коэффициенту, называется стехиометрической. Стехиометрический коэффициент углеводородных топлив, кг окислителя/ кг топлива, определяется по уравнению [2]:

 

L₀ = 8(g_c/3+g_н)/ᴪ_к                                                              (10)

 

где g_c, g_н — соответственно массовая доля углерода и водорода в топливе; ᴪ_к — массовое содержание кислорода в окислителе, для воздуха ᴪ_к = 0,232.

Для кислородсодержащих топлив с приведенной  формулой С_nН_mО_k стехиометрический коэффициент определяется как

 

L₀ = 8(g_c/3+g_н-g₀/8)/ ᴪ_к                                                                               (11)

 

или

 

L₀ = 32(n + m/4 -k/2)/(M_т∙ᴪ_к)                                                (12)

 

где М_т — молекулярная масса топлива; n, m и k — число атомов углерода, водорода и кислорода в приведенной формуле топлива.

В теплотехнических расчетах иногда используют стехиометрический коэффициент, выраженный через мольные L_М или объемные L_V единицы измерения, а именно:

 

L_М = М_тL₀/M₀                                                                                          (13)

и

 

L_V = ρ_т L₀/ρ₀                                                                                            (14)

 

где М_т и М₀ — соответственно молекулярная масса топлива и окислителя; ρ_т и ρ₀ -плотность топлива и окислителя, кг/м3.

При увеличении числа атомов углерода в молекуле стехиометрический коэффициент уменьшается у парафиновых углеводородов, остается неизменным у олефиновых и нафтеновых и возрастает у ароматических углеводородов. При n→∞ стехиометрический коэффициент стремится к значению, равному 14,75 кг воздуха / кг топлива.

Избыток (или недостаток) окислителя по отношению к массе его в  стехиометрической смеси оценивается  коэффициентом избытка окислителя (для топливовоздушных смесей — коэффициентом избытка воздуха):

 

α = G₀/(L₀G_T)                                                               (15)

 

где α — коэффициент избытка  окислителя (воздуха); G₀, G_T — масса окислителя и топлива в смеси соответственно. Горючую смесь, для которой α < 1, называют богатой, а при избытке окислителя, т.е. при α > 1, — бедной.

 

1.3.Классификация битумов

 

 Битум с давних пор является одним из наиболее известных и важных строительных материалов. Благодаря своим адгезионным и гидрофобным свойствам он находит широкое применение в дорожном строительстве, изготовлении кровельных материалов, при строительстве фундаментов зданий и сооружений, прокладке трубопроводов.

Битум представляет собой чрезвычайно сложную смесь углеводородов и гетероорганических соединений разнообразного строения, в основном не выкипающую при температурах перегонки нефти. Идентификация всех составляющих битум соединений невозможна. Но для решения многих задач оказывается достаточным определить содержание отдельных классов или групп веществ. Общепризнанным 
является разделение веществ по их отношению к растворителям и адсорбентам. В соответствии с этим битум состоит из асфальтенов — соединений, нерастворимых в алканах С₅-С₇; смол — соединений, растворимых в алканах и десорбируемых с поверхности силикагеля бензолом или его смесью со спиртом, но не десорбируемых алканами, и масел — соединений, растворимых в алканах и десорбируемых указанными элюентами. Среди масел различают соединения парафиновой, нафтеновой и ароматической основы.