Методическая разработка урока (практическое занятие) "Расчет концентрационных пределов воспламенения"

Проект  урока учебной дисциплины «Теория горения и взрыва»

с использованием элементов кейс – технологии на тему: 

«Методы определения концентрационных пределов распространения

пламени»

Автор: Трухачева Н.П., преподаватель учебной дисциплины «Теория горения и взрыва» ГБОУ СПО Пожарно-спасательный колледж «Санкт-Петербургский центр подготовки спасателей».

Пояснительная записка

Использование компьютерных технологий на уроках – необходимость, диктуемая современным уровнем развития образования. Сегодня необходимо, чтобы каждый преподаватель мог подготовить и провести урок с использованием ИКТ, так как теперь преподавателю  представилась возможность сделать урок более ярким и увлекательным. Внедрение ИКТ в образовательный процесс призвано повысить эффективность проведения уроков, усилить привлекательность подачи материала, осуществить дифференциацию видов заданий, а также разнообразить формы обратной связи. В Пожарно-спасательном колледже практически каждый кабинет оснащен компьютером, имеется интерактивная доска Smartboard и интерактивная система Mimio. Хотелось бы, конечно, иметь тележку ноутбуков, тогда возможности использования ИКТ расширились.

Данная разработка составлена для урока по разделу «Основы теории горения и взрыва» предмета «Теория горения и взрыва» по специальности 280703 «Пожарная безопасность» в Пожарно-спасательном колледже. Проект предлагается для первого практического занятия по теме «Методы определения концентрационных пределов распространения пламени». 

Концентрационные пределы распространения пламени являются одним из важнейших показателей пожарной опасности для горючих веществ в любом агрегатном состоянии, поэтому студенты должны уметь их рассчитывать и проводить анализ возможной опасности.

Опыт преподавания дисциплины «Теория горения и взрыва» показывает, что пособия для учреждений СПО по этому предмету практически отсутствуют, поэтому студенты, пропустившие занятия, испытывают затруднения в расчетах показателей пожарной опасности веществ и материалов. Предлагаемый проект урока содержит электронную презентацию по данной теме, которую можно использовать в помощь студентам.

В современных условиях использование  на уроках различных инновационных технологий стало острой необходимостью. Использованные в этом уроке элементы case-study относят к интерактивным методам обучения. Метод case-study позволяет развивать аналитическое мышление студентов.

Для проведения урока требуется интерактивная система «Mimio», компьютер, мультимедийный проектор, презентация Power Point, таблица для определения значений констант для расчета концентрационных пределов распространения пламени. Используются файлы для  интерактивной системы «Mimio», видео, включенное в презентацию, было создано также с помощью «Mimio». Смена слайдов  и элементов  презентации происходит по щелчку мыши. В случае отсутствия интерактивной системы «Mimio», можно использовать обычную доску, но для этого потребуется корректировка времени. Кейс можно выложить в блоге учителя за несколько дней до занятия.

Сценарий урока «Методы определения концентрационных пределов распространения пламени».

Цели урока: 

обучающая: научить студентов рассчитывать концентрационные пределы распространения пламени по аппроксимационной формуле; оценивать полученный результат с точки зрения пожароопасности веществ.

развивающая: продолжить развитие логического мышления, умения выполнять математические расчеты; развитие у студентов умений анализировать, делать выводы по результатам расчетов.

воспитывающая: продолжить формирование научно- материалистического мировоззрения студентов; развивать научную речь.

Планируемые результаты обучения: студенты должны

знать: 

• понятие «концентрационные пределы распространения пламени»;

• понятие «область воспламенения» («пожаровзрывоопасная область»);
• методы определения концентрационных пределов воспламенения;

уметь:

• рассчитывать концентрационные пределы распространения пламени;

• анализировать значения концентрационных пределов распространения пламени и делать выводы о пожарной опасности веществ и материалов.

Тип урока: практическое занятие

Основные методы, применяемые на уроке: объяснительно-иллюстративный,  репродуктивный, элементы case-study.

Оборудование урока: интерактивная система «Mimio», компьютер, мультимедийный проектор, презентация Power Point, Периодическая система элементов Д.И.Менделеева, таблица для определения значений констант для расчета концентрационных пределов воспламенения (на каждую парту), кейс «Взрыв в Сан-Хуане (Пуэрто-Рико)», ресурсы электронной библиотеки Пожарно-спасательного колледжа.

Межпредметные связи: физика, химия, математика.

II. Ход урока

Организационный момент

1. Проверка знаний

Актуализация знаний студентов (ответы высвечиваются на слайде по щелчку мыши) (слайд 1,2):

а) Какие условия необходимы для возникновения горения?

б) Что такое нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПРП)?

в) Что такое верхний концентрационный предел распространения пламени) (ВКПРП)?

г) Каким показателем определяется область безопасных концентраций?

д) Как определить взрывоопасную область?

•    микроитог.

2. Изучение нового материала

1. основные формулы для расчета пределов (слайд 3-7);
2. решение задачи (начало демонстрации видео в презентации щелчком по знаку вопроса), видео демонстрируется с комментарими (слайд 8, 9);
3. включить файл интерактивной системы «Mimio», решение задачи у доски

3. Закрепление материала (слайд 10)

Разбор и анализ кейса «Взрыв в Сан-Хуане (Пуэрто-Рико)»

4. Домашнее задание (слайд 11)

Комментарий к домашнему заданию.

Рассчитать концентрационные пределы воспламенения этаналя C2H4O по аппроксимационной формуле, составить структурную формулу пропанола-1.

5. Итоги урока

Краткий вывод о проделанной работе, перечень полученных на уроке оценок с краткими комментариями; краткая перспектива на следующий урок.

Конспект урока:

Методы определения концентрационных пределов распространения пламени (воспламенения).

Концентрационные пределы можно рассчитать:

По аппроксимационной формуле:  

.                                

где         - стехиометрический коэффициент реакции горения;

а, b - константы, определяющиеся  для нижней и верхней КПРП по таблице.  

Для более точного определения концентрационных пределов распространения пламени (воспламенения) необходимо учитывать влияние химического строения горючего вещества на склонность его к окислению. Для расчета концентрационных пределов по структуре вещества используют следующую формулу:

.

где        0 – концентрационный предел распространения пламени (нижний или верхний), hs - состав s-той структурной группы, значения находим из таблицы №6 приложений, ls - число s-х структурных групп в химической формуле вещества.

При изменении внешних условий концентрационные пределы распространения пламени могут изменяться. Для обеспечения пожарной безопасности при обращении с горючими веществами определяют не только сами концентрационные пределы, но и безопасные концентрации, ниже или выше которых смесь гарантированно не будет зажигаться. Безопасную концентрацию можно рассчитать по формулам:

jонб = 0,9(jон  – 0,21),  %

jовб = 1,1(jов + 0,42),  %

где         jон ,  jов         - НКПРП и ВКПРП, %;

Задача 1.

Рассчитать объемные концентрационные пределы распространения пламени и область взрывобезопасной концентрации пары этилформиата C3H6O2 при стандартных условиях.

Решение (демонстрация видео с комментариями)

1. Составляем уравнение реакции горения этилформиата:

C3H6O2 + 3,5 (О2 + 3,76 N2) = 3CO2 + 3H2O + 3,53,76 N2

 = 3,5

         или        β = (nC + nS) +(nH – nX)/4 – nO/2

2. По таблице определяем коэффициенты a и b для нижнего и верхнего концентрационного предела распространения пламени (воспламенения) 

Таблица.  Значения констант для определения концентрационных пределов воспламенения

и рассчитываем КПРП по формуле

3. Экспериментальные значения пределов для этилформиата: 3,2% - 16%

Относительная ошибка расчета:

4. Находим безопасные пределы:

jонб = 0,9(jон  – 0,21),  %             н.б = 0,9(2,85 – 0,21) = 2,38 %

jовб = 1,1(jов + 0,42),  %                    в.б = 1,1(16,71 + 0,42) = 18,84 %

Вывод (объяснение по слайду 9): концентрационные пределы распространения пламени для этилформиата составляют 2,85 – 16,71%. Пары этилформиата в смеси с воздухом будут взрывобезопасны при концентрации меньше 2,38% или больше 18,84%.

Задача 2.

Рассчитать объемные концентрационные пределы распространения пламени и область взрывоопасной концентрации паров гексана C6H14 при стандартных условиях.

1. Находим коэффициент β по уравнению реакции горения гексана или по формуле:

β = (nC + nS) +(nH – nX)/4 – nO/2

β = 6 + 3,5 = 9,5

по таблице находим:

aн  =  8,684   bн = 4,679

aв = 0,763   bв = 6,554

Сравниваем с экспериментальными значениями (пользуемся электронной библиотекой ПСК, в Интернет выходим с интерактивной системы): для гексана: 1,24% - 7,5%.

Далее находим относительную ошибку расчета и область взрывоопасной концентрации. Область взрывоопасной концентрации можно определить по формулам:

jонб = 0,9(jон  – 0,21) = 0,9(1,15 – 0,21) = 0,846 %                                

     jовб = 1,1(jов + 0,42) = 1,1(7,2 + 0,42) = 8,382 %                                

Ответ: область взрывоопасной концентрации паров гексана C6H14 при стандартных условиях лежит в промежутке от 0,846 % до 8,382 %.

Закрепление материала:

Разбор и анализ  кейса.

Домашнее задание:

Рассчитать область безопасных концентраций для этаналя C2H4O по аппроксимационной формуле; составить структурную формулу пропанола-1.

Приложения

Учительский блог Трухачевой Н.П.

Файл интерактивной системы «Mimio»

Кейс «Взрыв в Сан-Хуане (Пуэрто-Рико)»

Ранним декабрьским утром 1996 года в Сан-Хуане (Пуэрто-Рико) мощный взрыв прокатывается по улицам. 33 человека погибли, более 80 получили ранения. Взорвалось коммерческое шестиэтажное здание, в котором были расположены магазины и офисы.

В этом офисном здании никогда не было газоснабжения, т.к. здесь нет жилых помещений. Под дорогой, находящейся рядом со зданием, проложены коммуникации (водопроводные, газовые трубы, канализация).  Недалеко от здания работает ресторан, который использует сжиженный газ.

За несколько дней до взрыва продавщица магазина, расположенного в офисном здании, Сара Руиз, придя на работу, почувствовала неприятный запах, поэтому решила разбрызгать в помещении духи.

Менеджер магазина обуви «Umberto Vidal» Артуро О`Нил тоже почувствовал неприятный запах. Когда Артуро спустился в подвальное помещение, где был расположен склад для хранения обуви, запах стал сильнее. Обеспокоенный запахом, О`Нил вызывает техника из газовой компании, но он не обнаруживает газа и предполагает, что запах идет из канализации. На следующий день запах стал ещё сильнее и  Артуро опять вызывает техников, которые опять ничего не обнаруживают и высказывают предположение, что запах идет от обуви, но все-таки проверяют почву под дорогой, под которой проложены коммуникации (в том числе и газовая труба). Через сутки техники из газовой компании заново проверяют пробитые в почве отверстия газоанализатором, и опять ничего не обнаруживают. В это же утро пришли техники ремонтировать один из кондиционеров. Магазин открывается, несмотря на запах. Взрыв!

Расследование исключило из причин взрыва поджог и терроризм, а также выяснилось, что техники не умели пользоваться газоанализатором.

Используя информационный материал, ответьте на вопросы:

1. Какой газ мог взорваться в подвале?
2. Почему этот газ не взорвался раньше?
3. Как вы считаете, что послужило причиной взрыва?

Информационный материал.

Свойства пропана

Пропан - бесцветный газ без запаха, но под воздействием небольшого давления (1.6 – 1.8 МПа) он переходит в жидкость, в таком состоянии может течь, как вода, тяжелее воздуха. Исходный газ не имеет никакого запаха, поэтому на стадии производства к нему добавляются специальные компоненты. Таким образом, в случае утечки его можно почувствовать. Очень мало растворим в воде. Образует с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров от 2,1 до 9,5%. Пропан применяется как топливо. Для обогрева производственных помещений в строительстве. Для обогрева производственных помещений (на фермах, птицефабриках, в теплицах). Для газовых плит, водогрейных колонок в пищевой промышленности.

Свойства метана

Метан — простейший углеводород, бесцветный газ без запаха. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты со специфическим «запахом газа». Основной компонент природных (77—99%), попутных нефтяных (31—90%), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана — болотный или рудничный газ).

На 90–95% метан имеет биологическое происхождение. Травоядные копытные животные испускают пятую часть годового выброса метана: его вырабатывают бактерии в их желудках. Другими важными источниками служат термиты, рис-сырец, болота, фильтрация естественного газа (это продукт прошлой жизни), фотосинтез растений, разложение бытовых отходов, канализация. Промышленные выбросы метана незначительны.

Концентрационные пределы распространения пламени (воспламенения).

Наименьшая концентрация горючих паров, газов или пылей с воздухом, при которой смесь уже может воспламеняться от источника зажигания и пламя распространяется на весь объем горючей смеси, называется нижним концентрационным пределом распространения пламени (НКПРП).

Наибольшая концентрация горючих паров, газов или пылей с воздухом, при которой смесь ещё способна воспламеняться от источника зажигания с  распространением пламени на весь её объем горючей смеси, называется верхним концентрационным пределом распространения пламени (ВКПРП).

Литература

1. Инновационные педагогические технологии. Модульное пособие для преподавателей профессиональной школы/ Под ред. Е.В.Иванова, Л.И.Косовой, Т.Ю.Аветовой - СПб.: Изд-во ООО «Полиграф-С», 2004
2. Корольченко А. Я. Процессы горения и взрыва. – М.: издательство «Пожнаука», 2007.
3. А. Я. Корольченко, Д. А. Корольченко. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Асс. "Пожнаука", 2004.
4. Андросов А.С., Салеев Е.П. Примеры и задачи по курсу. Теория горения и взрыва. Учебное пособие. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2005
5. http://wpix.com.ua/articles/201107/vzryv_v_stolice_norvegii/
6. http://top.rbc.ru/incidents/30/08/2001/43658.shtml

План урока

№__1/25____________________Дата________________________________

1. Тема урока: Самовозгорание. Микробиологическое и химическое самовозгорание.

Организационный момент

•    взаимное приветствие преподавателя и студентов;

•    проверка отсутствующих;

•    организация внимания.

Цели урока: 

обучающая: ввести понятие самовозгорания, ввести понятие пирофорные вещества; рассказать о микробиологическом и химическом самовозгорании, о пожарной опасности веществ и материалов, склонных к самовозгоранию, о мерах по предупреждению самовозгорания.

развивающая: способствовать применению знаний, полученных на уроке, в профессиональной деятельности, развить познавательную активность обучающихся, развивать творческие способности, воображение, логическое мышление, внимание, способствующих формированию профессиональных компетенций:

ПК 2.1.        Осуществлять проверки противопожарного состояния промышленных, сельскохозяйственных объектов, зданий и сооружений различного назначения.

ПК 2.2.        Разрабатывать мероприятия, обеспечивающие пожарную безопасность зданий, сооружений, технологических установок и производств.

воспитывающая: развивать научную речь, ответственность за подготовку к практической деятельности:

ОК 1.        Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.

ОК 2.        Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы решения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

ОК 3.        Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

Планируемые результаты обучения: студенты должны

знать: условия возникновения и развития процессов горения, возникновение горения по механизмам самовоспламенения и самовозгорания, вынужденного воспламенения.

Основные понятия: самовозгорание, пирофорность, микробиологическое и химическое самовозгорание.

Тип урока: комбинированный, урок формирования новых знаний.

Форма урока: лекция-беседа

Основные методы, применяемые на уроке: ИКТ, частично-поисковый, объяснительно-иллюстративный, case-study

Оборудование урока: компьютер, медиапроектор, электронная презентация

Межпредметные связи: химия, физика, биология, пожарная тактика

II. Ход урока и режим времени

1.  Проверка знаний (~10 мин)

•    письменный опрос: Верите ли вы, что….

1. группа горючести является показателем пожарной опасности?
2. при полном горении в продуктах горения будет водород?
3. химическая реакция идет только в зоне реакции?
4. горение – это физико-химический процесс?
5. реакция горения эндотермическая?
6. окислителем может быть только кислород?

2.   Изучение нового материала (~20-25 мин)

•    постановка задачи урока;

1. Треугольник  горения (слайд 2).
2. Пирофорность веществ (слайд 2).

•    объяснение:

1. Что такое самовозгорание (определение) (слайд 3, 4).
2. Виды  самовозгорания (слайд 5)
3. Химическое самовозгорание, его виды (слайд 6).
4. Демонстрация видео «Самовозгорание белого фосфора», «Самовозгорание калия при взаимодействии с водой», «Самовозгорание глицерина при взаимодействии с перманганатом калия»
5. Микробиологическое самовозгорание.

  3. Закрепление материала: (~10 мин)

        Разбор  ситуации на сухогрузе Purple Beach 

3. Домашнее задание (~1-2 мин.)

Проработка конспекта занятия

4. Рефлексия:

5. Итоги урока: (5 мин)

Краткий вывод о проделанной работе, перечень полученных на уроке оценок с краткими комментариями; краткая перспектива на следующий урок.

Литература:

1. Теория горения и взрыва : учебник и практикум / О. Г. Казаков [и др.] ; под общ. ред. А. В. Тотая, О. Г. Казакова — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Издательство Юрайт, 2016. — 295 с.
2. Зеленкин. В.Г. Теория горения и взрыва: конспект лекций / В.Г. Зеленкин, С.И. Боровик, М.Ю. Бабкин. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2014
3. Андросов А.С., Бегишев И.Р., Салеев Е.П. Теория горения и взрыва: Учебное пособие. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2007
4. Корольченко А.Я. Процессы горения и взрыва. – М.: Пожнаука, 2007.
5. Талантов А.В. Основы теории горения. Часть 1: Учебное пособие. – Казань: ротапринт КАИ, 1975

1/7. Самовозгорание

Разбор треугольника горения.

Пирофорные вещества – вещества, включая смеси и растворы (жидкие или твердые), которые даже в малых количествах возгораются при контакте с воздухом в течение пяти минут.

Самовозгорание – это явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящих к возникновению горения вещества при отсутствии источника зажигания.

В зависимости от причины, вызывающей процесс первоначального саморазогрева вещества, различают три вида самовозгорания: микробиологическое, химическое, тепловое. В большинстве случаев процесс самовозгорания — это комбинация различных процессов, имеющих определенную первопричину.

Из жидкостей с низкой температурой самонагревания в качестве примера может быть приведен скипидар. Распределенный тонким слоем на поверхности волокнистых веществ, он способен при обычной температуре помещений самовозгораться. Из газов этим свойством обладают силан, фосфин, бромацетилен и др. Такие вещества представляют большую пожарную опасность. При хранении, транспортировке и применении требуется постоянно контролировать температуру этих веществ или содержать их в условиях, препятствующих соприкосновению с воздухом (под водой, в герметично закрытых сосудах и т. д.).

Химическим называется самовозгорание, возникающее в результате химического взаимодействия веществ. 

Химическое самовозгорание возникает в месте контакта взаимодействующих веществ, реагирующих с выделением тепла. В зависимости от характера окислителя, вступающего в реакцию с горючим материалом, этот вид самовозгорания можно подразделить на самовозгорание при контакте с кислородом воздуха, при контакте с водой и при контакте с химическим окислителем.

Сульфиды железа, рубидия и цезия, фосфор белый (желтый), силан, цинковая и алюминиевая пудры, карбиды щелочных металлов, арсины, стибины, фосфины способны окисляться на воздухе с выделением тепла, за счет которого реакция ускоряется до горения.

Хранить и резать белый фосфор следует под водой, т.к. на воздухе он может воспламениться от теплоты трения.

Скипидар может самовозгораться, если им смочены волокнистые материалы. Причина – способность скипидара окисляться на воздухе при низких температурах.

К веществам, самовозгорающимся при контакте с водой, относятся щелочные металлы, карбиды кальция и щелочных металлов, гидриды щелочных и щелочноземельных металлов, фосфиды кальция и натрия, силаны, негашеная известь, гидросульфид натрия и др.

В результате химических реакций выделяется очень большое количество тепла, выделяется водород, который самовоспламеняется.

Силициды различных металлов при действии воды выделяют силан, самовозгорающийся на воздухе.

Многие вещества, в основном органические, при смешении или соприкосновении с окислителями способны самовозгораться. К таким окислителям относятся сжатый кислород, галогены, азотная кислота, перекись натрия и бария, перманганат калия, селитры, хлораты, хлорная известь.

Сжатый кислород вызывает самовозгорание минерального масла, которое не самовозгорается в кислороде при нормальном давлении.

Галогены активно соединяются с некоторыми ГВ (метан, этилен), причем реакция сопровождается выделением большого количества тепла и вещества самовозгораются.

Азотная кислота, разлагаясь, выделяет кислород, поэтому является сильным окислителем. При соприкосновении с азотной кислотой самовозгораются скипидар и этанол.

Сильным окислителем является перманганат калия. Его смеси с твердыми ГВ самовозгораются от действия концентрированных серной и азотной кислот, а также от удара и трения. Глицерин в смеси с перманганатом самовозгорается через несколько секунд после смешения.

При попадании на хромовый ангидрид (CrO3) самовозгораются метанол, этанол, бутиловый, изобутиловый и изоамиловый спирты, уксусная кислота, ацетон.

Микробиологическое самовозгорание характерно для органических дисперсных и волокнистых материалов, внутри которых возможна жизнедеятельность микроорганизмов (сена, соломы, овощей, зерна, фрезерного торфа и др.).

При низкой влажности сена (менее 16%) процессы, приводящие к микробиологическому самовозгоранию, практически не идут. При влажности более 20%, а особенно при влажности в пределах 63-92%, в сене создаются идеальные условия для развития микроорганизмов — так называемых «термофильных» бактерий. Развитие и жизнедеятельность их популяции приводит к разогреву сена, образованию локальных зон частично термически деструктированного («бурого») сена.

При температуре более 60-700С бактерии гибнут, но запущенный ими механизм автокаталитического разогрева продолжает действовать уже за счет окисления сена кислородом воздуха. При этом температура постепенно повышается.

При 2000С сено чернеет, так как при такой температуре начинает разлагаться клетчатка, что ведет к дальнейшей интенсификации окисления. Сено переходит в пирофорное состояние. При 2500С начинается его тление, которое затем может перейти в пламенное горение.

Хлопок представляет собой по химическому составу почти чистую целлюлозу, в которой жизнедеятельность организмов затруднена, однако известны случаи самовозгорания хлопка-сырца. Причиной считают биологические процессы, протекающие во влажном хлопке-сырце при хранении его в больших массах.

Пример. 17 Декабря 2015 в управлении МЧС Липецкой области, на пульт дежурного поступило сообщение о возгорании сена в ООО «КолоСС», расположенном на 295 километре трассы «Орел-Тамбов» в Липецком районе. Для ликвидации этого пожара было направлено 5 пожарных расчетов, а также 10 членов добровольной пожарной дружины. Огонь уничтожил 500 тонн сена.

Возгорание на сухогрузе Purple Beach  началось 25 мая 2015 неподалеку от немецкого острова Гельголанд, когда судно с грузом калийной и аммиачной селитры на борту совершало переход в Северном море. Была организована эвакуация сразу же 36 человек с подозрением на сильное отравление парами ядовитого газа, выделяемого горящими удобрениями, 22 из них являются членами экипажа горящего судна, остальные - принимали участие в спасательной операции на его борту. В зоне нахождения аварийного судна работали три спасательных корабля, Немецкий штаб по устранению ЧП установил пятикилометровый радиус безопасности. Спасатели опасались, что горящее судно с удобрениями на борту может взорваться, жители прибрежной зоны предупреждены об опасности возможного отравления

.

.