Давление насыщенных паров спирта

Расчет давление насыщенного пара по уравнению Антуана. Показатели пожарной опасности горючих веществ

Описание методики

Давлением насыщенного пар (Рн) – называют величину давления при котором пар находится в термодинамическом равновесии с жидкостью того же состава. То есть давление пара над зеркалом жидкости, при котором не происходит испарение жидкости, а так же не происходит конденсация пара.

Величина Pн является необходимым параметром для расчета интенсивности испарения жидкости и используется для определения массы облака горючего, которое может образоваться при возникновении аварийной ситуации.

Давление насыщенного пара зависит от температуры окружающего воздуха. Одним из возможных способов определения давления насыщенного пара является расчет с помощью уравнения Антуана, приведенного в Пособии к НПБ 105-95 «Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности» и имеющего вид:

Pн — давление насыщенного пара кПа;

tp — расчетная температура oC;

A, B, CA — константы Антуана.

На данной странице вы можете рассчитать величину Pн с помощью констант Антуана, для различных значений температуры, для основных горючих веществ. Так же приведены основные показатели пожарной опасности горючих веществ, а именно: молярная масса, температура вспышки, теплота сгорания и др.

Прогнозирование последствий аварий на пожаровзрывоопасном объекте

  1. Расчёт степени воздействия ударной волны на объекты и человека при детонационном взрыве газопаровоздушного облака

Участок А

Толуол, метилбензол, фенилметан ()

Пожароопасные свойства: Легковоспламеняющаяся жидкость. температура самовоспламенения 535оС: минимальная энергия зажигания 0,26 мДж; максимальное давление взрыва 634 кПа, скорость нарастания давления: средняя 16,5 МПа/с: концентрационные пределы распространения пламени 1,27–6,8%; температурные пределы распространения пламени: нижний 6оС, верхний 37оС; скорость выгорания 0,085 кг/(м*с); максимальная нормальная скорость распространения пламени 0,388 м/с. Температура горения 1635 К.

Средства тушения: Вода в виде компактных или распылённых струй, пена.

При аварийном разрушении резервуара с хранящимся нём в нём толуолом над поверхностью образовавшегося разлива формируется облако газопаровоздушной смеси (ГПВС), имеющее плоскую форму, так как молярная масса паров толуола составляет 92 г./моль, что больше молярной массы воздуха, равной 29 г./моль.

Масса паров толуола в облаке складывается из массы вещества, испарившегося с поверхности разлива mисп и массы насыщенных паров толуола mн.п., содержащихся изначально в свободном объёме резервуара до момента аварии:

mг = mисп + mн.п.

    1. Расчёт массы насыщенных паров горючего в резервуаре

Объём насыщенных паров толуола в резервуаре:

, м3 1.2

где Vрез – объём резервуара, м3

Vж – объём горючей жидкости в резервуаре, м3;

— объёмная доля насыщенного пара горючей жидкости (в долях от единицы).

Объём горючей жидкости в резервуаре:

, м3

где mж – масса жидкости в резервуаре, кг;

ж – плотность толуола при температуре 10оС (по справочной таблице приложения 4 находим плотность толуола при 10оС, равную 867 кг/м3).

Парциальное давление насыщенного пара толуола при температуре 10оС:

,

где А, В, СА – константы уравнения Антуана, равные соответственно 4.14457. 1377.578 и -50.507 (приложение 1).

Объёмная доля насыщенного пара толуола при 10С:

где Pо – атмосферное давление (по условию равно 98,6 кПа);

Следовательно, в данных условиях:

Молярный объём при температуре 10С (283 К) и давлении 101 кПа

По формуле Менделеева-Клапейрона:

Масса насыщенных паров горючей жидкости в резервуаре:

где Vн.п. – объём насыщенных паров жидкости, м3;

Vм – молярный объём при заданных условиях, м3/кмоль.

    1. Расчёт массы жидкости, испарившейся с поверхности разлива

Интенсивность испарения толуола в неподвижную среду:

где Рн.п. – парциальное давление насыщенных паров жидкости, кПа (рассчитывается по формуле 1.5);

М – молярная масса жидкости, кг/кмоль.

Масса толуола, испарившегося с поверхности разлива:

Так как, согласно исходным данным, разлив толуола происходит в пределах обвалования, площадь которого меньше площади разлива на неограниченную поверхность, то принимаем, что площадь разлива равна площади обвалования: Fпр = Fобв. Следовательно:

где Wисп – интенсивность испарения;

исп – продолжительность испарения до момента воспламенения облака;

Fобв – площадь обвалования.

Следовательно, по формуле 1.1 масса толуола в облаке ГПВС равна:

Этанол

Этанол (этиловый спирт, метилкарбинол, винный спирт или алкоголь, часто в просторечии просто «спирт») — одноатомный спирт с формулой C2H5OH (эмпирическая формула C2H6O), рациональная формула: CH3-CH2-OH, аббревиатура EtOH, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов, при стандартных условиях летучая, горючая, бесцветная прозрачная жидкость.

Действующий компонент алкогольных напитков является депрессантом — психоактивным веществом, угнетающим центральную нервную систему человека.

Этиловый спирт также используется как топливо, в качестве растворителя, как наполнитель в спиртовых термометрах и как дезинфицирующее средство (или как компонент его).

Получение

Существует 2 основных способа получения этанола — микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена).

Брожение

См. также: Биоэтанол § Брожение

Известный с давних времён способ получения этанола — спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действием ферментов дрожжей и бактерий. Аналогично выглядит переработка крахмала картофеля, риса, кукурузы. Источником получения топливного спирта является вырабатываемый из тростника сахар-сырец и проч. Реакция эта довольно сложна, её результат можно выразить уравнением:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

Раствор, получаемый в результате брожения, содержит не более 15 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи нежизнеспособны. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путём дистилляции.

Для получения этанола этим способом наиболее часто используют различные штаммы дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae, в качестве питательной среды предварительно обработанные древесные опилки и/или раствор, полученный из них.

Промышленное производство спирта из биологического сырья

Современная промышленная технология получения этилового спирта из пищевого сырья включает следующие стадии:

  • Подготовка и измельчение крахмалистого сырья — зерна (прежде всего — ржи, пшеницы), картофеля, кукурузы, яблок и т. п.
  • Ферментация. На этой стадии происходит ферментативное расщепление крахмала до сбраживаемых сахаров. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путём — глюкамилаза, амилосубтилин.
  • Брожение. Благодаря сбраживанию дрожжами сахаров происходит накопление в браге спирта.
  • Брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах.

Отходами бродильного производства являются углекислый газ, барда, эфиро-альдегидная фракция, сивушный спирт и сивушные масла.

Спирт, поступающий из брагоректификационной установки (БРУ), не является безводным, содержание этанола в нём до 95,6 %. В зависимости от содержания в нём посторонних примесей, его разделяют на следующие категории:

  • Альфа
  • Люкс
  • Экстра
  • базис
  • высшей очистки
  • 1 сорт

Производительность современного спиртового завода составляет около 30 000—100 000 литров спирта в сутки.

Гидролизное производство

Основная статья: Гидролизный спирт

В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению. В странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространения, но в СССР (ныне в России) существовала развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.

Гидратация этилена

В промышленности, наряду с первым способом, используют гидратацию этилена. Гидратацию можно вести по двум схемам:

  • прямая гидратация при температуре 300 °C, давлении 7 МПа, в качестве катализатора применяют ортофосфорную кислоту, нанесённую на силикагель, активированный уголь или асбест:

CH2 = CH2 + H2O → C2H5OH

  • гидратация через стадию промежуточного эфира серной кислоты, с последующим его гидролизом (при температуре 80—90 °С и давлении 3,5 МПа):

CH2 = CH2 + H2SO4 → CH3CH2OSO2OH CH3CH2OSO2OH + H2O → CH3CH2OH + H2SO4

Эта реакция осложняется параллельной реакцией образования диэтилового эфира.

Очистка этанола

Этанол, полученный путём гидратации этилена или брожением, представляет собой водно-спиртовую смесь, содержащую примеси. Для его промышленного, пищевого и фармакопейного применения необходима очистка. Фракционная перегонка позволяет получить этанол с концентрацией около 95,6 % (мас.); эта неразделимая перегонкой азеотропная смесь содержит 4,4 % воды (мас.) и имеет температуру кипения 78,15 °C.

Перегонка освобождает этанол как от легколетучих, так и от тяжёлых фракций органических веществ (кубовый остаток).

Абсолютный спирт

Абсолютный спирт — этиловый спирт, практически не содержащий воды. Он кипит при температуре 78,39 °C, в то время как спирт-ректификат, содержащий не менее 4,43 % воды, кипит при 78,15 °C. Получают перегонкой водного спирта, содержащего бензол, и другими способами, например, спирт обрабатывают веществами, реагирующими с водой или поглощающими воду, такими, как негашёная известь CaO или прокалённый медный купорос CuSO4.

Свойства

Физические свойства

В обычных условиях представляет собой бесцветную, легкоподвижную, летучую жидкость с характерным запахом и сладковато-жгучим вкусом.

Плотность этилового спирта 0,7905 г/см3 при 20 °C, он легче воды.

Является хорошим растворителем многих органических веществ и некоторых неорганических солей.

Физические свойства абсолютированного этанола (100 %) немного отличаются от свойств спирта-ректификата с концентрацией 95,57 %. Их свойства почти одинаковы, но численные величины различаются на 0,1—0,01 %.

Физические свойства этанола

Молекулярная масса 46,069 а. е. м.
Температура плавления −114,15 °C
Температура кипения 78,39 °C
Критическая точка 241 °C (при давлении 6,3 МПа)
Растворимость Смешивается в произвольных отношениях с бензолом, водой, глицерином, диэтиловым эфиром, ацетоном, метанолом, уксусной кислотой, хлороформом
Показатель преломления Показатель преломления (для D-линии натрия) 1,3611 (при 20 °C) (температурный коэффициент показателя преломления −4,0⋅10−4/°C, почти постоянный в интервале температур 10—30 °C)
Стандартная энтальпия образования ΔH −234,8 кДж/моль (г) (при 298 К)
Стандартная энтропия образования S 281,38 Дж/моль·K (г) (при 298 К)
Стандартная мольная теплоёмкость Cp 1,197 Дж/моль·K (г) (при 298 К)
Энтальпия плавления ΔHпл 4,81 кДж/моль
Энтальпия кипения ΔHкип 839,3 кДж/моль


Уменьшение объёма смеси при смешивании этанола с водой при разных мольных долях этанола в растворе. При мольной доле в 40 % снижение объёма максимально.

Смесь по массе 95,57 % этанола и 4,43 % воды является азеотропной, т. е. не разделяется при перегонке, кипит при нормальном давлении при температуре 78,174 °C, в то время как абсолютированный этанол имеет более высокую точку кипения 78,39 °C.

С водой этанол смешивается в произвольном отношении, при смешивании наблюдается значительное, до нескольких процентов уменьшение объёма смеси относительно исходного суммарного объёма чистых веществ, например, при смешивании 50 мл этанола с 50 мл воды образуется 97 мл раствора. Также смешивание сопровождается некоторым нагревом смеси.

Абсолютный этанол затвердевает при температуре −114,5 °C. Температура плавления смесей этанола с водой уменьшается при увеличении концентрации этанола в растворе и достигает минимума при массовой концентрации этанола в воде равной 93,5 % — эвтектики этанол-вода, имеющей температуру плавления −118 °C. При низких температурах, ниже −20 °С водный раствор этанола (96 %) практически не испаряется и превращается в вязкую жидкость. При −70 °C он становится ещё более вязким и по текучести напоминает густой мёд.

Химические свойства


Анимация трёхмерной модели молекулы этанола

Типичный представитель одноатомных спиртов.

Горюч. Легко воспламеняется. При достаточном доступе воздуха горит (за счёт его кислорода) светлым голубоватым пламенем, образуя терминальные продукты окисления — диоксид углерода и воду:

C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O

Ещё энергичнее эта реакция протекает в атмосфере чистого кислорода.

При определённых условиях (температура, давление, катализаторы) возможно и контролируемое окисление (как элементным кислородом, так и многими другими окислителями) до ацетальдегида, уксусной кислоты, щавелевой кислоты и некоторых других продуктов, например:

3C2H5OH + K2Cr2O7 + 4H2SO4 → 3CH3CHO + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 7H2O

Обладает слабо выраженными кислотными свойствами, в частности, подобно кислотам взаимодействует со щелочными металлами, а также магнием, алюминием и их гидридами, выделяя при этом водород и образуя солеподобные этилаты, являющиеся типичными представителями алкоголятов:

2C2H5OH + 2K → 2C2H5OK + H2 C2H5OH + NaH → C2H5ONa + H2

Обратимо реагирует с карбоновыми и некоторыми неорганическими кислородсодержащими кислотами с образованием сложных эфиров:

C2H5OH + RCOOH ⇄ RCOOC2H5 + H2O C2H5OH + HNO2 ⇄ C2H5ONO + H2O

С галогеноводородами (HCl, HBr, HI) вступает в обратимые реакции нуклеофильного замещения:

C2H5OH + HX ⇄ C2H5X + H2O

Без катализаторов реакция с HCl идет относительно медленно; значительно быстрее — в присутствии хлорида цинка и некоторых других кислот Льюиса.

Вместо галогеноводородов для замещения гидроксильной группы на галоген могут быть использованы галогениды и галогеноксиды фосфора, тионилхлорид и некоторые другие реагенты, например:

3C2H5OH + PCl3 → 3C2H5Cl + H3PO3

Сам этанол также обладает нуклеофильными свойствами. В частности, он относительно легко присоединяется по активированным кратным связям, например:

C2H5OH + CH2 = CHCN → C2H5OCH2CH2CN

реагирует с альдегидами с образованием полуацеталей и ацеталей:

C2H5OH + RCHO → RCH(OH)OC2H5 C2H5OH + RCH(OH)OC2H5 → RCH(OC2H5)2 + H2O

При умеренном (не выше 120 °C) нагревании с концентрированной серной кислотой или другими водоотнимающими средствами кислотного характера образует диэтиловый эфир:

2C2H5OH → C2H5OC2H5

При более сильном нагревании с серной кислотой, а также при пропускании паров над нагретым до 350÷500 °C оксидом алюминия происходит более глубокая дегидратация. При этом образуется этилен:

C2H5OH → CH2 = CH2 + H2O

При использовании катализаторов, содержащих наряду с оксидом алюминия высокодисперсное серебро и другие компоненты, процесс дегидратации может быть совмещён с контролируемым окислением этилена элементным кислородом, в результате чего с удовлетворительным выходом удается реализовать одностадийный процесс получения окиси этилена:

2C2H5OH + O2 → 2C2H4O + 2H2O

В присутствии катализатора, содержащего оксиды алюминия, кремния, цинка и магния, претерпевает серию сложных превращений с образованием в качестве основного продукта бутадиена (реакция Лебедева):

2C2H5OH → CH2 = CH — CH = CH2 + 2H2O + O2

В 1932 году на основе этой реакции в СССР было организовано первое в мире крупнотоннажное производство синтетического каучука.

В слабощелочной среде образует иодоформ:

C2H5OHA + 4I2 + 6NaHCO3 → CHI3 + HCOONa + 5NaI + 5H2O + 6CO2

Эта реакция имеет некоторое значение для качественного и количественного определения этанола в отсутствии других веществ, дающих подобную реакцию.

Пожароопасные свойства

Легковоспламеняющаяся бесцветная жидкость; давление насыщенного пара, кПа: lg p = 7.81158-1918.508/(252.125+t) при температуре от −31 до 78°С; теплота сгорания — 1408 кДж/моль; теплота образования −239,4 кДж/моль; температура вспышки 13°С (в закрытом тигле), 16°С (в открытом тигле); температура воспламенения 18°С; температура самовоспламенения 400°С; концентрационные пределы распространения пламени 3,6—17,7 % объёма; температурные пределы распространения пламени: нижний 11°С, верхний 41°С; минимальная флегматизирующая концентрация, % объёма: CO2 — 29.5, H2O — 35.7, N2 — 46; максимальное давление взрыва 682 кПа; максимальная скорость нарастания давления 15,8 МПа/с; скорость выгорания 0,037 кг/(м2•с); максимальная нормальная скорость распространения пламени — 0,556 м/с; минимальная энергия зажигания — 0,246 МДж; минимальное взрывоопасное содержание кислорода 11,1 % объёма.

Применение

Топливо

Первым использовал этанол в качестве моторного топлива Генри Форд, который в 1880 г. создал первый автомобиль, работающий на этаноле. Возможность использования спиртов в качестве моторного топлива была показана также в 1902 г., когда на конкурсе в Париже были выставлены более 70 карбюраторных двигателей, работающих на этаноле и смесях этанола с бензином.

Этанол может использоваться как топливо, в т. ч. для ракетных двигателей (так, 75%-й водный этанол использовался в качестве топлива в первой в мире серийной баллистической ракете — немецкой «Фау-2» и ранних советских ракетах конструкции Королёва — от Р-1 до Р-5), двигателей внутреннего сгорания, бытовых, походных и лабораторных нагревательных приборов (т. н. «спиртовок»), грелок для туристов и военнослужащих (каталитическое автоокисление на платиновом катализаторе). Ограниченно (в силу своей гигроскопичности) используется в смеси с классическими нефтяными жидкими топливами. Применяется для выработки высококачественного топлива и компонента бензинов — Этил-трет-бутилового эфира, более независимого от ископаемой органики, чем МТБЭ.

Химическая промышленность

  • служит сырьём для получения многих химических веществ, таких, как ацетальдегид, диэтиловый эфир, тетраэтилсвинец, уксусная кислота, хлороформ, этилацетат, этилен и др.;
  • широко применяется как растворитель (в лакокрасочной промышленности, в производстве товаров бытовой химии и многих других областях);
  • является компонентом антифризов и стеклоомывателей;
  • в бытовой химии этанол применяется в чистящих и моющих средствах, в особенности для ухода за стеклом и сантехникой. Является растворителем для репеллентов.

Медицина


В медицине этиловый спирт в первую очередь используется как растворитель, экстрагент и антисептик См. также: Медицинский антисептический раствор

  • по своему действию этиловый спирт можно отнести к антисептикам;
  • как обеззараживающее и подсушивающее средство, наружно;
  • подсушивающие и дубящие свойства 97%-го этилового спирта используются для обработки операционного поля или в некоторых методиках обработки рук хирурга;
  • растворитель для лекарственных средств, для приготовления настоек, экстрактов из растительного сырья и др.;
  • консервант настоек и экстрактов (минимальная концентрация 18 %);
  • пеногаситель при подаче кислорода, искусственной вентиляции лёгких;
  • в согревающих компрессах;
  • для физического охлаждения при лихорадке (для растирания);
  • компонент общей анестезии в ситуации дефицита медикаментозных средств;
  • как пеногаситель при отёке лёгких в виде ингаляции 33 % раствора;
  • этанол является противоядием при отравлении некоторыми токсичными спиртами, такими, как метанол и этиленгликоль. Его действие обусловлено тем, что фермент алкогольдегидрогеназа, при наличии нескольких субстратов (например, метанол и этанол) осуществляет лишь конкурентное окисление, благодаря чему после своевременного (почти немедленного, вслед за метанолом/этиленгликолем) приёма этанола уменьшается текущая концентрация токсичных метаболитов (для метанола — формальдегида и муравьиной кислоты, для этиленгликоля — щавелевой кислоты).

Парфюмерия и косметика

Является универсальным растворителем различных веществ и основным компонентом духов, одеколонов, аэрозолей и т. п. Входит в состав разнообразных средств, включая зубные пасты, шампуни, средства для душа, и т. д.

Пищевая промышленность

Растворитель для пищевых ароматизаторов. Может быть использован как консервант для хлебобулочных изделий, а также в кондитерской промышленности.

Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E1510.

Энергетическая ценность этанола — 7,1 ккал/г.

Прочее

Применяется для фиксирования и консервирования биологических препаратов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *