第5章--可燃液体燃烧

第5章可燃液体的燃烧王海燕中国矿业大学（北京）2011.3第一节液体的蒸发第二节闪燃与爆炸温度极限第三节液体着火第四节可燃液体的稳定燃烧第五节原油和重质石油产品燃烧时的沸溢和喷溅第六节液滴的蒸发和燃烧第一节液体的蒸发一、蒸发过程蒸发凝结–液体分子→蒸发分子→液体分子→动态平衡。二、蒸气压–1.饱和蒸发压：一定温度,液体与其蒸气处于平衡态时,蒸气所具有压力。–2.特点:与液体的种类和温度有关,与液体的数量和液面上空间大小无关。–(1)液体种类：分子间引力强,蒸气压低。–分子间引力(范德华力)→主要为色散力。–分子运动中,电子云和原子接触瞬时相对运动,产生瞬时偶极而出现的分子间吸引力。–同类物质中:分子量越大→分子越易变形→色散力大→蒸发难–H2O.HF.NH3及许多有机化合物→氢键→增强分子间力→蒸发难。–(2)温度–温度升高→液体中能量大的分子数多→分子蒸发数多→蒸气压高–克劳修斯—克拉佩龙方程(单一组分纯液体)–式中：P0—平衡压力,T-温度,K；LV－蒸发热,KJ；C，C’—常数；LV,，C’见表5-1P225'00303.2lglnCRTLPCRTLPVV–拉乌尔定律(稀溶液)–理想溶液:式中:PA,PA0分别为溶液中某组分A溶剂和纯溶剂的蒸气压。XA为溶液中溶剂的摩尔分数。–非理想溶液:–式中:Pi---溶液中I的组分的蒸气压。Pi0---纯I组分的蒸气压Ai—I组分的溶液–例5-1P226AAAXPP0iiiaPP0iiixva三、蒸发热–蒸发→高能量分子进入空间→液体内能减少→吸热保温；–液体蒸发热:在一定温度和压力下,单位质量液体完成蒸发所吸收的热量。–分子间引力越大的液体,蒸发热越高,蒸发热增加动能克服分子引力,另外还消耗于气化时体积膨胀对外所作的功。四、液体沸点–P=P∞，蒸发在整个液体中进行－沸腾；–PP∞，蒸发在液面进行。–沸点：液体饱和蒸气压等于外界压力时液体的温度,所以沸点与外界压力有关。第二节闪燃与爆炸温度极限一、闪燃与闪点–闪燃:可燃液体上方,蒸气与空气混合气体浓度达到爆炸下限,遇火源发生一闪即灭的瞬间燃烧现象。–闪点:在规定实验条件下,液体表面产生闪燃的最低温度。闪燃时,蒸发速度的小于燃烧速度,蒸气来不及补充蒸气的损耗。–开杯式闪点测定仪:适用测定闪点高于1000C的液体。–闭杯式闪点测定仪:适用测定闪点低于1000C的液体。二、同类液体闪点变化–同系列:结构相似,组成相差一个或多个系差的一系列化合物。–同系列各化合物互称同系物,分子量大的分子间引力大,蒸发困难,蒸气压降低,闪点高。–同系物闪点随分子量、沸点、比重的增大而增加。–随蒸气压降低而增加。–同系物中正构体比异构体闪点高。磁原子数相同的异构体中,支链数增多,分子间间距增大,分子间力变小,闪点下降。三、混合液体闪点–(一)两种互溶可燃液体的混合液体的闪点混合液体的闪点一般低于各组分的闪点的算术平均值,并且接近含量大组分的闪点。–（二）互溶的可燃与不可燃混合液体的闪点,其闪点随不可燃液体含量的增加而升高,不燃组分高于一定含量,不再发生闪燃。四、闪点计算–（一）根据沸点tb（℃）计算—波道查公式(适用于烃类)tf=0.6946tb－73.7(℃)–（二）根据可燃液体分子中碳原子数nc计算(tf+277.3)2=10410nc–（三）根据液面上方环境(蒸气+空气)压力P求可燃液体闪点对应的可燃液体饱和蒸气压Pf，然后查表5-6（P234)，插值计算—道尔顿公式。N－燃烧1摩尔可燃液所需O2原子摩尔数。)1(76.41NPPf–（四）布里诺夫公式:–式中:A---仪器常数,D0---标准状态下,蒸气在空气中的扩散系数(表5-7，P235)；β—燃烧1摩尔可燃液所需氧分子摩尔散。–（五）利用可燃液体爆炸下限计算该爆炸下限L%——闪点温度对应的液体蒸气浓度P——蒸气和空气混合气体总压，1.0325×105Pa已知L，求出Pf，查表5-6，温度范围，插值求闪点。0DAPPf100LPPf–（六）根据克劳修斯-克拉佩龙方程计算–闪点对应的正气浓度——爆炸下限已知：爆炸下限和总压求出闪点对应的蒸气压P0根据克劳修斯-克拉佩龙方程求出闪点tf五、爆炸温度极限–（一）爆炸温度极限特定液体:温度---饱和蒸气压-----蒸气浓度----爆炸浓度∴蒸气爆炸浓度上、下限对应液体爆炸温度上、下限。-38-14–8011194086028t上∞t下∞汽油t下t上苯t下t上酒精t下t上煤油t下t上–结论:1.t下t上∞，如苯、酒精，能发生爆炸2.t下t上∞，如煤油，不能发生爆炸。3.t上t下∞，如汽油，饱和蒸气不发生爆炸–如汽油，非饱和蒸气可能发生爆炸（通风）–（二）爆炸温度极限计算爆炸温度下限t下为液体闪点，与闪点计算相同；爆炸温度上限t上计算：已知爆炸浓度上限→计算对应饱和蒸气压（Pf=L%.P）→表5-6插值。–（三）爆炸温度极限影响因素１．可燃液体性质：–蒸气爆炸浓度极限低—温度极限低–液体越易蒸发→温度极限低。２．压力：压力升高，爆炸温度上下限升高，因P升高，蒸气压力升高，才能使蒸气浓度可能达到爆炸浓度限。–图5-3P241–3．水分及其它物质含量–水蒸气对蒸气-空气混气起惰化作用，可燃液体加水升高爆炸温度极限。闪点高十闪点低液体，混气爆炸温度极限比前者低，比后者高，低闪点液体即使加入量很少，影响量也大。–4．火源强度与点火时间–强度大，点火时间长，降低爆炸温度下限。–Q↑→蒸发量↑→蒸气压↑→易引炸–电焊与淬火注意。第三节液体着火一、液体引燃–一定温度的可燃液体蒸气和空气混合物与火源接触的连续燃烧现象。引燃液体最低温度称为液体的燃点。–（一）引燃着火条件S=（f△HC—Lv）G1＋－0引燃不成功（如闪燃）≥0引燃着火稳定燃烧式中：Gl-----蒸发（或燃烧）速度，g/（m2.S）；f---燃烧热△Hc中传回到液体表面的百分数；QE---单位面积液面，外热源加热速率，KW/m2Ql—单位面积液面，热损失速率，KW/m2；Lv---液体的蒸发热，KJ/g液体燃点受外界加热源和热损的影响。EQLQLQEQ–（二）低闪点液体的引燃闪点T∞的液体，液面蒸气浓度达到着火浓度，混气遇火源会引燃。––（三）高闪点液体的引燃闪点T∞的液面，点火源不能快速引燃。除非进行①整体加热，使液体T燃点。点燃。②灯芯点燃。灯芯→吸咐可燃液体→加热至燃点以上→点燃→液体回流→液体升温→达到燃点→从灯芯向液面传播。图5-4P243–（四）影响火焰向前传播的因素1．液体性质，蒸发热越大，液面蒸气浓度越低，火焰传播速度越小；2．液体温度温度↑蒸气浓度↑火焰传播速度增加。蒸气浓度与空气浓度比=化学当量比，火焰传播速度增加到最快。3、液层厚度厚度大，液面向液体深层散热多，升温慢，液面着火感应期长，蔓延速度慢，但厚度变太小，容器底壁散热增大，着火感应迅速增加，蔓延速度也减慢，甚至在1mm厚度时，液层不能被引燃。海水浮油不能引燃。二、液体自燃–（一）可燃液体温度因外界加热而升高引起自发着火的现象。自燃点：发生自燃的最低温度。闪点与自燃点的区别（有无点火源）乙醇9℃425℃苯-12555甲苯5535–（二）自燃点的影响因素1．压力P升高，液面蒸气浓度和O2浓度增加，反应速度升高。放热速度散热速度，自燃点下降。2．蒸气浓度可燃蒸气浓度升高，反应速度升高，放热速度升高，自燃点降低。可燃蒸气浓度=化学当量浓度自燃点最低，然后，增加可燃蒸气浓度自燃点会增加。247表5-13–3．氧含量氧含量升高，有利于化学反应发生，自燃点降低。（图5-6P248）–4．催化剂活性催化剂：铈，铁，钒等氧化物，加速氧化反应，自燃点下降。钝化催化剂：油品抗震剂—四乙基铅，减缓氧化反应，自燃点下降。–5．容器特性：客器材质不同，导热不同，对自燃点影响不同，大容器，S/V低，热损失速率低，自燃点下降。–（三）同类液体自燃点变化规律1．自燃点随分子量增大而降低。分子量增加，化学链能降低，反应速度升高，自燃点降低。（与闪点相反）2．同分异构体物质，其正构体自燃点比异构体自燃点低。（与闪点相反）电子效应：异构体中，烷基R→（取代）C原子中的H→中和，稳定→自燃点↑。空间效应：异构体中，烷基R→（取代）C原子中的H→拥挤减少→自燃点升高。反应分子相互接近机会。–3、饱和烃比非饱和烃自燃点高非饱和烃含活泼的π键，易氧化自燃，自燃点。–4、烃的含氧衍生物的自燃点低于含相同碳原子数的烷烃的自燃点甲烷甲醇甲醛537470430℃–5、环烷类自燃点相应烷类环丙烷495℃丙烷470℃比较，有机同系物自燃点变化规律与闪点变化规律相反。受活化能的影响受分子间力影响第四节可燃液体的稳定燃烧一般呈水平平面“池状”燃烧形式。一、液体的燃烧速度–（一）表示方法1．燃烧线速度V=H/T(mm/h)单位时间内烧掉的厚度。2．重量燃烧速度G=g/s.t(kg/m2.h)单位时间面积烧掉的重量。–（二）液体燃烧速度的测定图5-8P253一重量燃烧速度–（三）影响液体燃烧速度的因素１．液体的初温影响–Q→Q1（t1↑t2）+O2（蒸发）–T1↑G↑式（5-18）２．容器直径大小影响–图5-9254–液池D3㎝，层流；D升高，G下降。–3D100㎝，过渡态，10㎝，d升高，G下降；–10㎝，D升高，G升高。–D100㎝，湍流，d上升，G不变。（KJ/h）–式中：―液面接受火焰传递的热通量。radconvcondFqqqQFQ–热传导：–式中：TF、TL——分别为火焰和液面温度。–K1——热传导系数–热对流：–式中：K2——对流传热系数–热辐射：–式中：K3——含斯蒂芬-波尔兹曼常数σ和辐射角系数等。–K4——常数，含有辐射平均射线行程，辐射粒子浓度和辐射率。)(1LFcondTTDKq)(422LFconvTTDKq)]exp(1)[(444423DKTTDKqLFrad上三式相加除以液面面积，得火焰在单位时间，单位面积供给液面的热量。分析：1、D小热传导占主导，D下降，↑，G上升。2、D→很大，热传导→0qrnd为主→CG→C3．小D大，过渡阶段，热传导，对流和辐射共同作用，又因过渡到湍流，加强火焰传热先D上升，G下降，后D上升，G上升。参见图5-9P25442D)]exp(1)[())(4444321DKTTKTTKDTTKQLFLFLFFFQ–3．容器中液体高度的影响液面距离器上缘口高度。液位下降，直线燃烧，速度降低。原因：液位下降，液面到火焰底部距高上升，火焰向液面传热速度下降，燃烧速度G下降。–4．液体的合水量影响含水—部分热量消耗于水分蒸发----G下降。–5．有机物同系物液体密度的影响。ρ上升，挥发性下降，G下降–6．风的影响促进预混气体形成，加快燃烧速度。特点，种类：汽油柴油重油风速超过一定强度Ｇ→Ｃ长辐射强度和火焰倾斜度影响。风速上升，G上升，辐射强度上升，倾斜度上升，辐射角系数下降，K3下降，下降；两因素影响抵消。G→Cradqradq二、液体稳定燃烧的火焰特征–（一）火焰的燃烧状态，大多数为湍流火焰。图5-13P260––（二）火焰倾斜度风力影响≥4m/s，向下风倾斜60-70℃。–（三）火焰高度可见发火C粒组成的柱状体顶部高度。H/D与D的关系，为什么不用H？D上升，H/D自然下降，即使H不变；主要为湍流区H/D基本不变。扣除H/D中D，层流区D上升，H下降。湍流区H/D≈1.5∽2.0。–（四）火焰的温度特征１．种类，石油产品火焰温度900-1200℃。２．沿纵轴分布（对照图5-13）。–低----高（稳定）----低–蒸发吸热向环境放热–公式（5-27）–（五）火焰内气流流速火焰内，浮力作用，v上升，火焰上方，卷吸冷空气，烟羽流温度下降，v下降。–（六）火焰辐射：对环境传热热辐射计算：与火焰温、厚度，辐射粒子浓度，火焰与被辐射物几何关系等因数有关。决定油罐间防火安全距。消防洒水系统设