Расчёт основных характеристик, параметров состояния и процессов газообразных углеводородов

 

ρгаз.см.=ρ0∙T0∙p/T∙p0=Mср∙273∙p/22,4∙T∙101,325

      

Абсолютная плотность газовой смеси транс-2-бутана и этина при нормальных условиях:

При определении относительной плотности газов и паров нефтепродуктов (D) в качестве стандартного вещества берётся воздух при нормальных условиях (Т = 273 К, р = 101,325 кПа). Отношение массы газа mгаз.см. к массе воздуха mвозд., взятых в одинаковых объемах и при тех же температуре и давлении, даёт относительную плотность газа:

.                                           (22)

Плотность любого идеального газа при нормальных условиях равна его молярной массе, отнесённой к объёму, занимаемому 1 моль, т.е. , где ρгаз.см. – плотность газовой смеси при н.у., 22,4 л – объём 1 моль газа (смеси газов) при н.у. (молярный объём). Тогда для относительной плотности газа (газовой смеси) по воздуху (Dвозд(газ. см.)) можно записать

.                                         (23)

Определим относительную плотность газовой смеси при нормальных условиях по воздуху:

Dвозд(газ.см)=Mср./Mвозд.=39,89/29=1,38

 

  Из этого следует, что рассматриваемая газовая смесь (С4Н8 , С2Н2) при нормальных условиях тяжелее воздуха.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пункт №4

 

 

Реакция полного сгорания транс-2-бутена:

 4C-3 H3+1 C-1 H+1=C-1 H+1 C-3 H3+1+6О2 0→4С +4О2 -2+4Н2 +1О -2

	28	1
	20
	4	6

 4С -3 - 28 ē→4С +4

   4С -1 - 20 ē→4С +4 

2О 0 +4 ē→2О -2                   

Углерод является восстановителем в процессе горения, а кислород окислителем.

Реакция полного сгорания этина:

2С2 -1Н2 +1+5О2 0→4С +4О2 -2+2Н2 +1О -2

	10	2
	4	5

 2С -1 - 10 ē→2С +4     

2О 0 +4 ē→2О -2                   

Углерод является восстановителем в процессе горения, а кислород окислителем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пункт №5

 

Для определения объёма воздуха, необходимого для полного сгорания смеси газов при н.у. воспользуемся следующими данными:

C4H8 + 6O2 → 4CO2 + 4H2O      (I),

Вещества:	C4H8	O2
1.Соотношения реагирующих  веществ:	1	6
2.Масса веществ при  н.у., кг:   m(C4H8)н.у.=p0·V·M(C4H8)/R·T0=101325·56,12·17,6/273·8,314=4,41·104	4,41·104	-
3.Количества реагирующих  веществ, кмоль:		785,82 · 6 = 4,71·103
4.Объём реагирующих веществ  при н.у., м3:	16,03·103	96,18·103

 

Сухой воздух содержит 21 об.% О2. Следовательно, объём воздуха, содержащий 500,65·103 м3 кислорода составит:

.

Для процесса 2C2H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2O     (II)      имеем:

Вещества:	C2H2	O2
1.Соотношения реагирующих  веществ:	2	5
2.Масса веществ при  н.у., кг:	2,04·104	-
3.Количества реагирующих  веществ, кмоль:	1571,4	3,928·103
4.Объём реагирующих веществ  при н.у., м3:	32,06·103	80,131·103

, определяем объём воздуха, необходимый для полного сгорания  смеси углеводородов:

.

 

 

 

 

 

Пункт №6

 

Определение термодинамических функций процессов горения имеет важное практическое значение.

Определим тепловые эффекты реакций сгорания углеводородов (I) и (II), в расчете на 1 моль газовой смеси. Запишем термохимические уравнения протекающих реакций:

(I) C4H8(г) + 6O2(г) → 4CO2(г) + 4H2O(г) + ΔrHоI (Дж/моль);

(II) 2C2H2(г) + 5O2(г) → 4CO2(г) + 2H2O(г) + ΔrHоII (Дж/моль)

Воспользуемся справочными данными для необходимых расчётов (табл. 1).

 

Таблица 1

 

Справочные данные термодинамических функций при 298 К

Участники реакций	Δ f Н°, кДж∙моль–1	Δ f G°, кДж∙моль–1	S°, Дж∙К–1∙моль–1
C4H8(г)	-11,17	63,06	296,59
C2H2(г)	226,73	209,2	200,94
Участники реакций	Δ f Н°, кДж∙моль–1	Δ f G°, кДж∙моль–1	S°, Дж∙К–1∙моль–1
O2(г)	0	0	205,138
CO2(г)	-393,51	-394,36	213,74
H2O(г)	-241,82	-228,57	188,83

 

По следствию из закона Гесса, которое позволяет рассчитывать тепловые эффекты химических реакций:

Стандартная энтальпия химической реакции

                                        (24)

равна разности стандартных энтальпий образования продуктов реакции и реагентов (с учетом стехиометрических коэффициентов):

,                              (25)

где Δ r HоТ – изменение энтальпии реакции (тепловой эффект реакции), νj, νi – стехиометрические коэффициенты перед формулами конечных и исходных веществ соответственно, Δ f HоТ (Вj ) – стандартная энтальпия образования продуктов реакции (конечных веществ), Δ f HоТ (А i ) – стандартная энтальпия образования исходных веществ реакции.

Получаем:

ΔrHоI, 298 = 4·Δ f Ho298(CО2(г)) + 4·Δ f Ho298(H2O(г)) – (Δ f Ho298(C4Н8 (г)) + 6·Δ f Ho298(О2(г))) = –393,51·4 + (–241,82)·4 – (–11,17 + 6·0) = –2530,15 (кДж/моль);

ΔrHоII, 298 = 4·Δ f Ho298(CО2(г)) + 2·Δ f Ho298(H2O(г)) – (2·Δ f Ho298(C2Н2 (г)) + 5·Δ f Ho298(О2(г))) = –393,51·4 + (–241,82)·2 – ((226,73)·2 + 5·0) = 2511,14 (кДж/моль).

Первая реакция экзотермична (ΔrHо1, 298 << 0), согласно принципу Бертло-Томсена все самопроизвольные процессы протекают в направлении наибольшего теплообразования, значит даннаяреакция – самопроизвольна, а вторая реакция эндотермична(ΔrHо1, 298 >> 0).

Учитывая, что х(C4Н8) = 0,46, х(C2Н2) = 0,54 рассчитываем тепловые эффекты реакций на 1 моль газовой смеси:

ΔrHоI = ΔrHоI, 298 · х(C4Н8) = –2530,15·0,46 = -1163,869 (кДж/моль),

ΔrHоII = ΔrHоII, 298 · х(C2Н2) = 2511,14 ·0,54 = 1356,0156 (кДж/моль).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пункт №7

 

Определение изменения энтропии и энергии Гиббса реакций сгорания углеводородов можно произвести также согласно следствию из закона Гесса:

,                        (26)

где Δ r SоТ – изменение стандартной энтропии реакции, νj, νi – стехиометрические коэффициенты перед формулами конечных и исходных веществ соответственно, SоТ (Вj ) – абсолютная энтропия продуктов реакции (конечных веществ), SоТ (А i ) – абсолютная энтропия исходных веществ реакции.

,                  (27)

где Δ r GоТ – изменение энергии Гиббса реакции, νj, νi – стехиометрические коэффициенты перед формулами конечных и исходных веществ соответственно, Δ f GоТ (Вj ) – стандартная энергия Гиббса образования продуктов реакции (конечных веществ), Δ f GоТ (А i ) – стандартная энергия Гиббса образования исходных веществ реакции.

Получаем:

Δ r SoI, 298 = 4·So298(CО2(г)) + 4·So298(H2O(г)) – (So298(C4Н8(г)) + 6·So298(О2(г))) = 4·213,74 + 4·188,83 – (296,59+ 6·205,138) = 82,862 (Дж·моль–1·К–1);

Δ r SoII, 298 = 4·So298(CО2(г)) + 2·So298(H2O(г)) – (2·So298(C2Н2(г)) + 5·So298(О2(г))) = 4·213,74 + 2·188,83 – (200,94·2 + 5·205,138) =

-194,95 (Дж·моль–1·К–1);

D r GоI, 298 = 4·D f Gо298(CО2(г)) + 4·D f Gо298(Н2О(г)) – D f Gо298(C4Н8(г)) – 6·D f Gо298(O2(г)) = 4·(-394,36) + 4·(–228,57) – (63,06) – 6·0 = –2554,78 (кДж/моль);

D r GоII, 298 = 4·D f Gо298(CО2(г)) + 2·D f Gо298(Н2О(г)) – D f Gо298(C2Н2(г)) –5·D f Gо298(O2(г)) = 4·(-394,36) + 2 (–228,57) – (209,2·2) –5·0 = –2452,98 (кДж/моль).

Δ r SoI, 298>0 , а Δ r SoII, 298 < 0, так как увеличивается число молекул газообразных веществ в первой реакции.

D r GоI, 298 , D r GоII, 298 << 0, следовательно, химические процессы термодинамически возможны, т.е. возможно самопроизвольное протекание процессов в прямом направлении.

 

 

 

 

Пункт №8

 

Для хранения газообразных углеводородов используют сообщающиеся резервуары. Если в двух сообщающихся резервуарах хранятся газовые смеси при разных условиях 1 и 2

  и                                           (10)

,                                                (11)

m2=12·106·104·39,89/8,314·288=16880,2 кг

p2=16880221,49·8,314·288/104·39,89=101325 Па

то можно определить общую массу газов (m1 + m2) при объединении резервуаров, выражая эту величину из (10) и (11). Так как при объединении двух сообщающихся подземных резервуаров (открыв задвижку) и сохранении требуемого давления, температура газовой смеси Т изменится, то её можно рассчитать, выразив из уравнения (12):

 

(m1 + m2)= 3781056,22+16880,2=3797936,42 кг

,                           (12)

 

.                                       (13)

Выразив из уравнения Т3 можно определить температуру газовой смеси, при заданном давлении.

Например, имеем резервуар с рассматриваемой газовой смесью при указанных выше условиях и резервуар V = 104 м3, в котором находится смесь газов такого же состава, но хранящаяся при Тхр = 288 К и атмосферном давлении. Определим температуру газовой смеси, установившуюся при объединении двух резервуаров с конечным р = 106 Па. Воспользовавшись уравнением (13) с учётом (11) получим:

.

 

 

 

Пункт №9

 

Закон Бойля-Мариотта гласит, что при постоянной температуре (изотермический процесс) объем данной массы газа (газовой смеси) обратно пропорционален давлению:

, или                                              (14)

при постоянной температуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная: p1·V1 = p2·V2 = const.

 

Известно, что ни один термодинамический параметр нельзя изменить, не затронув один или два других параметра, так как все они взаимосвязаны. Такой переход называется изопроцессом, а уравнение его закономерности выражается газовым законом. Принципы изменения всех трех термодинамических параметров задает уравнение состояния.

Изопроцессы подразделяют на изотермические (Т = const), изохорные (V = const), изобарные (p = const).

При изучении изопроцессов получают зависимости (рис. 1), отражающие изменение термодинамических параметров.

Рисунок 1. Зависимость между объемом V и давлением р в изопроцессе

 

Определим, какой изопроцесс изображён на каждом участке графика 1-3, а также изменение термодинамических параметров:

- участок 1→2: T = const, V уменьшается, р возрастает, что соответствует изотермическому сжатию ( , при T2 = T1);

- участок 2→3: р = const, V понижается, Т уменьшается, что соответствует изобарному охлаждению;

- участок 3→1: V = const, p возрастает, Т возрастает, что соответствует изохорному нагреванию ( , p2 = p3; исключаем V2 и T2 из уравнения, получаем уравнение состояния, описывающее поведение газа изучаемой зависимости или ).

Схема изменения термодинамических параметров указанного цикла выглядит следующим образом:

 

Схема 1. Изменение термодинамических параметров в изопроцессе

 

Изобразим зависимость, представленную на рис. 1 в координатах V = f(T) и р = f(T) (рис. 2).

 

    

            а                                           б

Рисунок 2. Изопроцесс в координатах V = f(T) – а и р = f(T) – б

 

Для представления цикла изопроцесса в координатах V = f(m) воспользуемся уравнением (9). Для участков:

- 1→2: при T = const, m не изменяется, так как T, Mср и R – постоянные, следовательно, m пропорциональна произведению р·V;

- 2→3: при р = const, m уменьшается;

- 3→1: при V = const, m возрастает.

Таким образом, зависимость приобретает вид:

Рисунок 3. Изопроцесс в координатах V = f(m)

 

 

 

 

 

 

Пункт №10

 

Пожаровзрывоопасные свойства этина и транс-2 бутена и средства тушения пожаров с их участием.

 

Ацетилен, этин, С2Н2

Физико-химические свойства: Молярная масса 26,04; плотность в сжиженном состоянии 620,8 кг/м3 при температуре -83,6˚С; плотность по воздуху 0,9107; в воде растворяется.

Пожароопасные свойства: Горючий и взрывоопасный газ. Температура самовоспламенения 335˚С. Нормальная скорость распространения пламени 1,57 м/с. Максимальное давление взрыва 1009 кПа. Ацетилен разлагается с выделением большого количества тепла и при определенных условиях со взрывом. При повышенном давлении(выше 196 кПа), а также в твердом и жидком состоянии ацетилен взрывается от удара и при резком нагревании. Легко реагирует с солями серебра, меди и ртути и образует при этом нестойкие взрывчатые ацетилениды. Для предупреждения взрыва при аварийном истечении ацетилена и тушения факела в закрытых объектах минимальная концентрация диоксида углерода 57% об., азота 70% об. Взрывной распад ацетилена с переходом в детонацию возможен при давлении 65 кПа. При мощности источника 200 Дж в трубе скорость пламени 36 м/с. Преддетонационное расстояние эквивалентно 100 диаметрам трубы. Особую опасность представляют вторичные наружные взрывы, возникающие при срабатывании мембран и подобных устройств. В качестве огнепреградителя рекомендуются орошаемые водой насадки из колец Рашига размером 35´35 и 50´50 мм при высоте слоя 1,5 и 2,0 м соответственно при давлении до 0,25 МПа. Скорость движения ацетилена через огнепреградитель допускается до 10 м/с.