Исследование пожароопасных свойств метилового спирта

                                                         МЧС России

                         Санкт-Петербургский университет

                 Государственной противопожарной службы 

Кафедра физико-химических основ  процессов горения  и тушения 
 
 
 
 

                                 КУРСОВАЯ РАБОТА 
 

Тема: «Исследование пожароопасных свойств метилового спирта» 
 
 
 
 

Выполнил: 

     Проверил:

заместитель начальника кафедры

капитан внутренней службы

Мельник Антон Анатольевич 

. 
 

Дата  сдачи на проверку: «___»_________200__г. 

Дата  защиты: «___» ________ 200__ г. 

Оценка________________ 
 

_____________________________

(подпись  научного руководителя) 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург 2007 
 
 
 

МЧС России

Санкт-Петербургский  университет

Государственной противопожарной  службы 

Кафедра физико-химических основ процессов горения и тушения 

 
 
 
 
 

ПЛАН-ГРАФИК

выполнения  курсовой работы 

     Тема_________________________________________________________

     _____________________________________________________________ 

     Курсант (слушатель, студент) ___________________________________

                                                          ^{(Ф.И.О., факультет,  курс, № группы)}

     _______________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 

     Подпись курсанта (слушателя, студента) ___________________

 

СОДЕРЖАНИЕ: 

Сводная таблица …………………………………………………………………………….55 
 
 
 
 
 
 
 

1. Общие сведения.

 

Метиловый спирт ICSC: 0113  

метанол

древесный спирт  

CAS №   78-83-1  CH4O  

RTECS №   NP9625000  Молекулярная масса: 32.04  

ООН №   1212  

ЕС №   603-004-00-6  

ВИДЫ  ОПАСНОСТИ / ВОЗДЕЙСТВИЯ  ОСТРАЯ ОПАСНОСТЬ / СИМПТОМЫ  ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ  ПЕРВАЯ ПОМОЩЬ / ЛИКВИДАЦИЯ ПОЖАРА  

ПОЖАРНАЯ  ОПАСНОСТЬ  Огнеопасно.

      НЕ  ДОПУСКАТЬ открытого огня, искр и  курения.

              Средства тушения  преимущественно порошки ПСБ  и ПФA, с пеной ПО-1, порошком, форэтон, пеной, спиртоустойчивой пеной, порошком, двуокисью углерода,  

ВЗРЫВООПАСНОСТЬ   

При температуре выше 28°C могут образоваться взрывоопасныe смеси пар/воздух.

При температуре выше 28°C применять закрытую систему, вентиляцию, защищенное от взрыва электрооборудование.

В случае пожара: сохранять бочки и пр. охлажденными, обливая их водой.  

ВОЗДЕЙСТВИЕ  

Сильный, преим. нервный и сосудистый яд с резко выраженным кумулятивным действием; отравление наступает при приеме внутрь (смертельная доза для человека 30 г, а 5-10 г могут вызвать тяжелое отравление), вдыхании паров и проникновении через кожу. ПДК 5мг/м³

         Обратиться за медицинской  помощью.  
 

ЛИКВИДАЦИЯ  УТЕЧЕК . УПАКОВКА И МАРКИРОВКА.  

Собрать подтекающую жидкость в герметичные  контейнеры. Засыпать оставшуюся жидкость песком или инертным абсорбентом, собрать  и удалить его в безопасное место.

Символ: Xn

R: 10-20

S: (2-)16

Примечание: C

Классификация ООН 

Класс опасности ООН: 3

Группа  упаковки ООН: III  

ПЕРВАЯ  ПОМОЩЬ  ХРАНЕНИЕ  

Карта Транспортной Безопасности: TEC (R)-583 Код NFPA: H1; F3; R0;

      Защищенным  от огня. Отдельно от сильных окислителей,   
 

МЕТАНОЛ  ICSC: 0113  

ВАЖНЫЕ  ДАННЫЕ  

ФИЗИЧЕСКОЕ  СОСТОЯНИЕ, ВНЕШНИЙ ВИД:

БЕСЦВЕТНАЯ  ЖИДКОСТЬ С ХАРАКТЕРНЫМ ЗАПАХОМ.

Пар тяжелее  воздуха и может стелиться  по земле; возможно возгорание на расстоянии. Пар хорошо смешивается с воздухом, легко образует взрывчатые смеси. 

ХИМИЧЕСКАЯ  ОПАСНОСТЬ:

Реагирует с сильными окислителями, такими как  триоксид хрома с опасностью пожара.

НОРМАТИВЫ ДЛЯ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ:

TLV (предельная  пороговая концентрация, США): 50 ppm; 152 мг/м^3 (как TWA - среднесменная концентрация, США) (ACGIH 1994-1995). MAС (максимальная допустимая концентрация, США): 100 ppm; 300 мг/м^3; (1994)

      ПУТИ  ПОСТУПЛЕНИЯ:

Вещество  может всасываться в организм при вдыхании паров, через кожу и  через рот. 

РИСК  ПРИ ВДЫХАНИИ:

Опасное загрязнение воздуха будет достигаться довольно медленно при испарении этого вещества при 20°C. 
 

             ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА:

         Температура кипения: 64.9°C

         Температура плавления: -93.9°C

         Относительная плотность (вода = 1): 0.786

         Давление паров, кПа  при 20°C: 0.13

         Теплота образования: - 201.3 кДж/моль

         Относительная плотность  пара (воздух = 1): 1.1

         Температура вспышки: 6°C c.c.

         Температура самовоспламенения: 470°C 
 
 

                     2. Определение характеристик горения.

         2.1. Характер свечения  пламени.

         метилового спирта –СН₄О. 

         Характер свечения пламени при горении веществ  зависит от процентного содержания элементов в веществе, главным образом, углерода, водорода, кислорода и азота.

         Свечение пламени  связано с наличием несгоревших  раскаленных твердых частиц углерода С, а также трехатомных молекул.

         Если в горючем  веществе при термическом разложении углерод не образуется, то вещество горит бесцветным пламенем как, например, в случае горения водорода Н₂.

         При термическом  разложении веществ с массовой долей  углерода менее 50 % и содержащих в своем составе кислород (более 30 %) несгоревших частиц углерода образуется очень мало, и в момент образования они успевают окислиться до СО. 

         СН₃ОН   СО + 2Н₂ 

         Такие вещества имеют  голубоватые пламена (пламя угарного газа СО, метанола СН₃ОН и этанола С₂Н₅ОН).

         При горении веществ, содержащих более 75 % углерода (ацетилен С₂Н₂, бензол С₆Н₆), в зоне горения образуется настолько много частиц С, что поступающего путем диффузии воздуха не хватает для полного окисления всего углерода.  

         С₆Н₆   6С + 3Н₂ 

         Не окислившийся в пламени углерод выделяется в виде копоти, и пламя при горении  таких веществ будет ярким  и коптящим.

         Если кислород в  веществе отсутствует или его  содержание не превышает 30 %, но, в свою очередь, и массовая доля углерода не очень велика (менее 75 %), то при термическом разложении будет выделяться значительное количество частиц углерода, но при нормальном доступе воздуха в зону горения они успевают окислиться до СО₂.

         Возможная реакция при термическом разложении ацетона : 

         СН₃СОСН₃   СО + 2С + 3Н₂. 

         В подобных случаях  пламя будет яркое, но не коптящее. 
 

1. Массовые  доли углерода и кислорода в молекуле изобутилового спирта составляют:

 

w (С) = = 37.5%;     w (Н) = = 12.5%; w (О) = = 50%; 

         Массовая доля углерода < 75 %, а массовая доля кислорода > 30 %, следовательно, при горении метилового спирта пламя будет бесцветное или голубоватое. 
 

2.2. Теоретический и практический расход воздуха на горение.

         Расчет объема воздуха, необходимого для горения, предполагает вычисление:

а) теоретического объема воздуха V_в^теор и б) практического объема воздуха V_в^пр, затраченного на горение (с учетом коэффициента избытка воздуха).

         Стехиометрическое количество воздуха в уравнении реакции горения предполагает, что при данном соотношении компонентов, участвующих в реакции горения, воздух расходуется полностью. Объем воздуха в данном случае  называется теоретическим (V_в^теор).

         Горение может происходить  не только при стехиометрическом  соотношении компонентов, но и при значительном отклонении от него. Как правило, в условиях пожара на сгорание вещества воздуха затрачивается больше, чем определяется теоретическим расчетом. Избыточный воздух DV_в в реакции горения не расходуется и удаляется из зоны реакции вместе с продуктами горения. Таким образом,  практический объем воздуха равен: 

                       V_в^пр = V_в^теор + DV_в 

и, следовательно, избыток воздуха будет равен: 

                       DV_в= V_в^пр - V_в^теор 

     Обычно  в расчетах избыток воздуха при  горении учитывается с помощью  коэффициента избытка воздуха (a). Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз в зону горения поступило воздуха больше, чем это теоретически необходимо для полного сгорания вещества:

       
 

         Для горючих смесей стехиометрического состава (т.е. состава, соответствующего уравнению реакции горения) коэффициент избытка воздуха a = 1, при этом реальный расход воздуха равен теоретическому. В этом случае обеспечивается оптимальный режим горения.

         При a > 1 горючую смесь называют бедной по горючему компоненту, а при a < 1 – богатой по горючему компоненту.

         Избыток воздуха  имеется только в смеси, бедной по горючему компоненту. Из формул (3.2) и (3.3) следует 

     DV_в= V_в^теор(a -1) 

         В закрытом объеме диффузионное горение большинства горючих  материалов возможно только до определенной пороговой концентрации кислорода, так называемой остаточной концентрации кислорода в продуктах горения j (О₂)^ПГ. Для большинства органических веществ она составляет 12 – 16 % О₂.  Для некоторых веществ, например, ацетилена С₂Н₂, ряда металлов, горение возможно и при значительно меньшем содержании кислорода (до 5 % объемных О₂).

         Зная содержание кислорода в продуктах горения, можно определить коэффициент избытка воздуха (коэффициент участия воздуха в горении) на реальном пожаре:

       

Расчет  выполняется двумя способами: по уравнению химической реакции и  по элементному составу вещества: 

1. способ 

 

Записываем уравнение реакции горения изобутилового спирта: 

         СН₄О + 1.5 (О₂ + 3,76·N₂) → СО₂ + 2Н₂О + 1.5·3,76·N₂ 

         По условию масса  изобутилового спирта равна 1 кг., условия нормальные, тогда: 

            m=1кг.           V_в. ^теор.-Х

         С₄Н₁₀О + 6 (О₂ + 3,76·N₂) → 4СО₂ + 5Н₂О + 6·3,76·N₂

         М=32кг/кмоль  1.5·4,76·V_m  

                        V_в^теор = 5 м³.

                        = =3,2 

                                    φ(О₂)^ПГ=14,4 % 

                         V_в^пр = V_в^теор × a =5*3.2 = 16 м³. 

                               DV_в= V_в^теор(a -1)=5·(3,2-1)=11 м³. 
 

2. способ 

Процентный  элемент состава изобутилового спирта: 

                w (С) =  37.5%;     w (Н) = 12,5%; w (О) =  50%; 

        Найдем объем воздуха  на горение по формуле для изобутилового спирта с известным процентным составом, тогда: 

         V_в^теор =

         = 5м³. 

                             V_в^пр = V_в^теор × a =5·3,2 = 16м³. 

                                   DV_в= V_в^теор(a -1)=5·(3,2-1)=11м³. 

Ответ: практический объем воздуха равен 16 м³, а теоретический

                объем воздуха равен 5 м³ при коэффициенте избытка воздуха

              равном 3,2. 
 

         2.3. Объём и состав  продуктов полного  сгорания.

         Состав продуктов  горения зависит от химической природы  горючего материала и условий его горения. Практически всегда органические вещества горят с образованием продуктов полного и неполного горения.

         К продуктам полного сгорания относятся: углекислый газ, образующийся при горении углерода, разложении карбонатов; водяной пар, образующийся при горении водорода и испарении влаги в исходном веществе; оксид серы (IV) SO₂ и азот – продукты горения соединений, содержащих серу и азот.

         Продукты  неполного сгорания – это оксид углерода (II) – угарный газ СО, сажа С, продукты термоокислительного разложения – смолы.

         Неорганические вещества сгорают, как правило, до соответствующих  оксидов.

         Выход продуктов  горения количественно установить невозможно из-за чрезвычайной сложности их состава, поэтому материальный баланс процесса горения рассчитывается из предположения, что вещество сгорает полностью до конечных продуктов. При этом в состав продуктов горения включают также азот воздуха, израсходованного на горение, и избыток воздуха при a > 1.

         Как и в случае расчета объема воздуха, необходимого для горения,  свои особенности имеет расчет продуктов горения для индивидуальных веществ, смеси газов и веществ с известным элементным составом. 

            m=1кг.                                                        Х₁            Х₂                 Х₃

         СН₄О + 1.5 (О₂ + 3,76·N₂) → СО₂ + 2Н₂О + 1.5·3,76·N₂

         М=74,12кг/кмоль                                        V_m          2·V_m        1.5·3.76·V_m 
 

                           V_ПГ  =  6 м³. 

         Избыток воздуха  определим по формуле (3.4): 
 

                                 DV_в= V_в^теор(a -1)=8,63·(3,5-1)=21,6м³. 

         С учетом избытка  воздуха практический объем продуктов  горения составит: 

                            V_ПГ^* = V_ПГ + DV_в = 6 + 11 = 17 м³. 

         По уравнению реакции  определяем объем СО₂, Н₂О и N₂. 

                                   V(СО₂) = х₂ = = 0.7 м³ 

                                  V(Н₂О) = х₃ = = 1,4 м³ 

                                   V(N₂) = х₄ = =3.95 м³  

          

                                            DV_в=11м³ (рассчитано).

         Объемная концентрация каждого компонента смеси рассчитывается следующим образом: 

                              j^об (СО₂) = =   = 4.1 % 

                              j^об (Н₂О) = =   = 8.2 % 

                               j^об (N₂) = = =23.2 % 

                                      j^об (О₂) = = =50.8 %     

                               j^об (DV_в) = =   = 64.7% 

         Проверка:

                   ∑φ^об. = 100 % ± 1 %. 4.1+8.2+23.2+64.7 = 100 %, 

Ответ:  теоретический объем продуктов горения составил 6 м³,а    практический     объем    продуктов горения- 17 м³.  В процентном  составе         СО₂- 4.1 %,  Н₂О- 8.2%, N₂- 23.2%, DV_в – 64.7% 
 
 

2.4. Низшая теплота  горения. 

         Энтальпией  горения (DН_гор, кДж/моль) вещества называется тепловой эффект реакции окисления 1 моль горючего вещества с образованием высших оксидов.

         Теплота горения (Q_гор) численно равна энтальпии горения, но противоположна по знаку.

               В пожарно-технических  расчетах часто пользуются понятием удельной теплоты горения. Удельная теплота горения – это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества. Размерность удельной теплоты горения – кДж/кг или кДж/м³. 

         В зависимости от агрегатного состояния воды в  продуктах горения различают  низшую и высшую теплоту горения. Если вода находится в парообразном состоянии, то теплоту горения называют низшей теплотой горения Q_н. Если пары воды конденсируются в жидкость, то теплота горения – высшая Q_в.

         Температура пламени  достигает 100 К и выше, а вода кипит  при 373 К, поэтому в продуктах горения  на пожаре вода всегда находится в парообразном состоянии, и для расчетов в пожарном деле используется низшая теплота горения Q_н.

         Низшая теплота  горения индивидуальных веществ  может быть определена переводом значения DН_гор, кДж/моль в Q_н, кДж/кг или кДж/м³. Для веществ сложного элементного состава низшая теплота горения может быть определена по формуле Д.И. Менделеева. 
 
 

Q_Н = 339,4×w(C) + 1257×w(H) - 108,9 [(w(O) +w(N)) -w(S)] - 25,1[9×w(H) +w(W)], кДж/кг,