2.13. Методы расчета температуры самовоспламенения газов и паров
2.13.1. Метод расчета температуры самовоспламенения газов
и паров органических соединений
Температура самовоспламенения газов и паров органических соединений вычисляется по формулам:
при
lср £ 5; (49)
при
lср ³ 5, (50)
где lср - условная средняя длина молекулы соединения, которая равна среднему арифметическому всех возможных длин lj цепей молекулы:
(51)
где nц - число цепей в молекуле соединений.
Цепь молекулы - это непрерывная цепь атомов, соединяющая две концевые группы
nц = 0,5m (m - 1), (52)
где m - число концевых групп в молекуле.
Концевыми группами считаются -СН3, =СН2, а также все функциональные группы и циклы. Если функциональная группа или цикл расположены в середине цепи, их следует считать одновременно и концевой и промежуточной группой.
Длина цепи молекулы lj вычисляется по формуле
(53)
где 
- число атомов углерода в j-й цепи; lэ - эквивалентная длина функциональной группы или цикла, входящих в j-ю цепь.
Эквивалентная длина lэ функциональной группы является аддитивной величиной, не зависящей от класса соединения, и вычисляется по формуле
(54)
где mс - общее число атомов углерода в молекуле; r - общее число функциональных групп, циклов и локализованных кратных связей "углерод-углерод" в молекуле (см. также примечание к табл. 20); a, b - коэффициенты из табл. 20. Если функциональная группа, для которой вычисляется lэ, присоединена к ароматическому циклу с боковой углеродной цепью или отделена от ароматического цикла не менее чем одним атомом углерода, то при подсчете mс вместо реального числа атомов углерода в этом ароматическом цикле следует использовать его эквивалентную длину, определенную по формуле (55).
Таблица 20
Значения коэффициентов а и b в формуле (54)
|
Функциональная группа |
а |
b |
Примечание |
|
-O- |
16,5 |
-1,0 |
Только для алифатических эфиров, в которых атом кислорода с обеих сторон присоединен к первичным или вторичным атомам углерода |
|
-О- |
10,0 |
-0,5 |
Для эфиров, в которых атом кислорода с одной стороны присоединен к первичному или вторичному атому углерода алифатической группы |
|
-о- |
3,5 |
0 |
В прочих соединениях |
|
-он |
3,0 |
-0,5 |
|
|
-о- |
1,0 |
0 |
Полагать r = 1 |
|
-со- |
1,2 |
-0,4 |
|
|
-соо- |
1,0 |
0 |
Полагать r = 1 |
|
-NH2 |
3,0 |
-0,2 |
|
|
-NH- |
2,5 |
0 |
|
|
-N< |
2,5 |
0 |
Полагать r = 1 |
|
-P< |
6,2 |
-0,23 |
Полагать r = 1 |
|
>POH |
-4,8 |
6,9 |
Только для веществ с mс £ 6 |
|
->PO |
3,8 |
-0,38 |
Полагать r = 1 |
Тройная связь СºС увеличивает длину цепи, в которой она расположена, на 6/mс атомов углерода. Двойная связь С=С длину цепи не изменяет.
Эквивалентная длина неароматического моноядерного углеродного цикла равна числу атомов углерода в цикле, уменьшенному на 0,5.
Эквивалентная длина lэа ароматического цикла определяется по формуле
(55)
где nя - число ядер в цикле; Slэф - алгебраическая сумма эквивалентных длин функциональных групп, входящих в состав цикла. К ароматическим в данном случае отнесены все циклы, имеющие симметрию правильного многоугольника и удовлетворяющие равенству p = 4n + 2, где p - число p-электронов в цикле; n = 1, 2, 3.
Эквивалентная длина неароматического моноядерного цикла равна алгебраической сумме общего числа атомов углерода и эквивалентных длин функциональных групп, составляющих цикл. Группы, только присоединенные к циклу, рассматриваются как самостоятельные и при подсчете эквивалентной длины цикла не учитываются.
Эквивалентная длина неароматического конденсированного цикла равна алгебраической сумме углеродных атомов в ядре цикла (при этом учитываются только те атомы, которые не входят в другие ядра и функциональные группы), эквивалентных длин моноядерных неароматических циклов, ароматических циклов и функциональных групп, входящих в состав данного ядра.
Длина цепи молекулы lj увеличивается на две единицы, если в ее состав входят две группы или цепи, присоединенные к ароматическому циклу в ортоположении друг к другу.
Если среднюю длину молекулы можно подсчитать различными способами из указанных выше, то предпочтительнее выбирать среднее значение из всех величин подсчитанных длин.
Средняя квадратическая погрешность расчета по формулам (49), (50) для органических соединений, состоящих из атомов С, Н, О и N, составляет 70 °С для значений в интервале 300-400 °С и 40 °С в остальных случаях.
2.13.2. Метод расчета температуры самовоспламенения
фосфорорганических соединений
Температура самовоспламенения фосфорорганических соединений более точно рассчитывается по формулам:
lср £ 5; (56)
lср ³ 5. (57)
Погрешность расчета по формулам (56) и (57) составляет несколько процентов.
2.13.3. Метод расчета температуры самовоспламенения
отдельных классов органических соединений
Температура самовоспламенения отдельных классов органических соединений рассчитывается с большей точность, чем по формулам (49), (50), с помощью уравнений из табл. 21.
Таблица 21
Формулы для расчета температуры самовоспламенения отдельных
классов органических соединений
|
Соединения |
Формулы для расчета |
Погрешность расчета, °С |
|
Спирты |
|
28 |
|
Соединения с группами Н2- |
|
19,8 |
|
Ароматические соединения |
|
15 |
|
Формиаты |
|
19,2 |
|
Ацетаты |
|
15 |
|
Пронионаты |
|
10 |
|
Кислоты |
|
17 |
|
Прочие соединения с одной группой -СОО- |
|
19 |
_____________
* 
- температура самовоспламенения алкана, соответствующего соединению.
Экспериментальные значения температур самовоспламенения для ряда соединений приведены в табл. 22.
Таблица 22
Температура самовоспламенения для ряда соединений
|
Вещество |
Структурная формула |
tсв, °С |
|
Бензол |
С6Н6 |
562 |
|
Толуол |
С6Н5СН3 |
536 |
|
М-Ксилол |
С6Н4(СН3)2 |
530 |
|
Этилбензол |
С6Н5С2Н5 |
432 |
|
Изопропилбензол |
С6Н5 СН(СН3)2 |
424 |
|
Бутилбензол |
С6Н5С4Н9 |
412 |
|
Изобутилбензол |
С6Н5 СН2 СН(СН3)2 |
428 |
|
1,4-Диэтилбензол |
(С2Н5)2С6Н4 |
430 |
|
Диизопропилбензол |
С6Н4(С3Н7)2 |
449 |
|
2-Метил-2-фенилпропан |
С6Н5С(СН3)3 |
450 |
|
2-Метил-3-фенилпропан |
СН(СН3)2 СН2С6Н5 |
418 |
|
Дифенил |
(С6Н5)2 |
566 |
|
Изопропилдифенил |
СН(СН3)2С6Н4С6Н5 |
440 |
|
Метанол |
СН3ОН |
440 |
|
Этанол |
СН3 СН2ОН |
400 |
|
н-Пропанол |
СН3 СН2 СН2ОН |
400 |
|
Изопропанол |
СН(СН3)2ОН |
430 |
|
н-Бутанол |
СН3(СН2)3ОН |
405 |
|
Изобутанол |
(СН3)2 СН СН2ОН |
405 |
|
втор-Бутанол |
СН3 СН2 СН(ОН) СН3 |
395 |
|
трет-Бутанол |
(СН3)3СОН |
460 |
|
н-Пентанол |
СН3(СН2)4ОН |
300 |
|
Изопентанол |
СН(СН3)2(СН2)2ОН |
340 |
|
втор-Пентанол |
СН3(СН2)2 СН(ОН) СН3 |
330 |
|
трет-Пентанол |
(СН3)2С(ОН) СН2 СН3 |
410 |
|
трет-Бутилкарбинол |
СН3 СН2С(СН3)2ОН |
420 |
|
Диэтилкарбинол |
СН3 СН2 СН(ОН) СН2 СН3 |
365 |
|
н-Гексанол |
СН3(СН2)5ОН |
285 |
|
Метилизобутил карбинол |
СН3 СН2 СН(СН3) СН(ОН) СН3 |
340 |
|
2-Метил-2-пентанол |
СН3 СН2 СН2С(ОН)(СН3)2 |
415 |
|
н-Гептанол |
СН3(СН2)6ОН |
275 |
|
4-Гептанол |
СН3(СН2)2 СН(ОН)(СН2)2 СН3 |
295 |
|
Диизопропилкарбинол |
(СН3)2 СН СН(ОН) СН(СН3)2 |
395 |
|
н-Октанол |
СН3(СН2)7ОН |
260 |
|
втор-Октанол |
СН3(СН2)5 СНОН СН3 |
265 |
|
2-Этилгексанол |
СН3(СН2)3 СН(ОН)С2Н5 |
270 |
|
2,2,4-Триметил-1-пентанол |
СН(СН3)2 СН2С(СН3)2 СН2ОН |
395 |
|
н-Нонанол |
СН3(СН2)8ОН |
260 |
|
Диизобутилкарбинол |
СН(СН3)2 СН(ОН)(СН2)2 СН(СН3)2 |
300 |
|
н-Деканол |
СН3(СН2)9ОН |
250 |
|
н-Лауриновый спирт |
СН3(СН2)11ОН |
250 |
|
Миристиновый спирт |
СН3(СН2)13ОН |
240 |
|
7-Этил-2-метил-4-ундеканол |
С2Н5СНСН3(СН2)2СНОНСН2 СН(СН3)2 |
250 |
|
Этилформиат |
НСООС2Н5 |
435 |
|
Пропилформиат |
НСООС3Н7 |
435 |
|
Изопропилформиат |
НСОО СН(СН3)2 |
440 |
|
Бутилформиат |
НСООС4Н9 |
285 |
|
Изобутилформиат |
НСОО СН2 СН(СН3)2 |
425 |
|
Амилформиат |
НСООС5Н11 |
265 |
|
Изоамилформиат |
НСОО(СН2)2 СН(СН3)2 |
320 |
|
Гексилформиат |
НСООС6Н13 |
250 |
|
Цетиловый спирт |
СН3(СН2)15ОН |
245 |
|
Стеариловый спирт |
С18Н38О |
245 |
|
Метилацетат |
СН3СОО СН3 |
475 |
|
Этилцетат |
СН3СОО СН2 СН3 |
455 |
|
Пропилацетат |
СН3СОО(СН2)2 СН3 |
435 |
|
Изопропилацетат |
СН3СОО СН(СН3)2 |
425 |
|
Бутилацетат |
СН3СОО(СН2)3 СН3 |
330 |
|
Изобутилацетат |
СН3СОО СН2 СН(СН3)2 |
420 |
|
втор-Бутилацетат |
СН3СОО(СН2)2 СН3 |
410 |
|
трет-Бутилацетат |
СН3СОО-С(СН3)3 |
435 |
|
Амилацетат |
СН3СОО(СН2)4 СН3 |
290 |
|
Изоамилацетат |
СН3СОО(СН2)2 СН(СН3)2 |
370 |
|
втор-Амилацетат |
СН3СОО СН СН3(СН2)2 СН3 |
390 |
|
трет-Амилацетат |
СН3СОО(СН3)2 СН2 СН3 |
410 |
|
Гексилацетат |
СН3СОО(СН2)5 СН3 |
255 |
|
2-Этилбутилацетат |
СН3СОО СН2 CHC2H5 СН2 СН3 |
285 |
|
Октилацетат |
СН3СОО(СН2)7 СН3 |
220 |
|
Этилгексилацетат |
СН3СОО(СН2)4 СН СН3 СН2 СН3 |
230 |
|
Децилацетат |
СН3СОО(СН2)9 СН3 |
215 |
|
Метилпропионат |
СН3 СН2СОО СН3 |
455 |
|
Этилпропионат |
СН3 СН2СОО СН2 СН3 |
445 |
|
Пропилпропионат |
СН3 СН2СОО(СН2)2 СН3 |
430 |
|
Изопропилпропионат |
СН3 СН2СОО СН(СН3)2 |
425 |
|
Бутилпропионат |
СН3 СН2СОО(СН2)3 СН3 |
385 |
|
Изобутилпропионат |
СН3 СН2СОО СН2 СН(СН3)2 |
435 |
|
Изоамилпропилнат |
СН3 СН2СОО(СН2)2 СН(СН3)2 |
395 |
|
Гексилпропионат |
СН3 СН2СОО(СН2)5 СН3 |
260 |
|
Метилбутират |
СН3(СН2)2СОО СН3 |
455 |
|
Этилбутират |
СН3(СН2)2СОО СН2 СН3 |
440 |
|
Пропилбутират |
СН3(СН2)2СОО(СН2)2 СН3 |
420 |
|
Изопропилбутират |
СН3(СН2)2СОО СН(СН3)2 |
435 |
|
Бутилбутират |
СН3(СН2)2СОО(СН2)3 |
350 |
|
Изоамилбутират |
СН3(СН2)2СОО(СН2)2 СН(СН3)2 |
335 |
|
Гексилбутират |
СН3(СН2)2СОО(СН2)5 СН3 |
255 |
|
Октилбутират |
СН3(СН2)2СОО(СН2)7 СН3 |
230 |
|
Метилизобутират |
(СН3)2 СНСОО СН3 |
450 |
|
Этилизобутират |
(СН3)2 СНСОО СН2 СН3 |
440 |
|
Изопропилизобутират |
(СН3)2 СНСОО СН(СН3)2 |
465 |
|
Изоамилизобутират |
(CH3)2 CHCOO(CH2)2 CH(CH3)2 |
390 |
|
Метилвалерат |
СН3(СН2)3СОО СН3 |
420 |
|
Этилвалериат |
СН3(СН2)3СОО СН2 СН3 |
395 |
|
Пропилвалериат |
СН3(СН2)2СОО(СН2)2 СН3 |
370 |
|
Этилизовалериат |
(СН3)2 СН СН2СОО СН2 СН3 |
420 |
|
Изоалмилизовалериат |
(СН3)2 СН CH2COO(CH2)2 СН(СН3)2 |
310 |
|
Октилвалериат |
(СН3)2 СН СН2СОО(СН2)7 СН3 |
235 |
|
Метилкапронат |
СН3(СН2)4СОО СН3 |
255 |
|
Этилкапронат |
СН3(СН2)4СОО СН2 СН3 |
255 |
|
Бутилкапронат |
СН3(СН2)4СОО(СН2)3 СН3 |
240 |
|
Метиловый эфир гептановой кислоты |
СН3(СН2)5СОО СН3 |
245 |
|
Этиловый эфир гептановой кислоты |
СН3(СН2)5СОО СН2 СН3 |
250 |
|
Этилкаприлат |
СН3(СН2)6СОО СН2 СН3 |
235 |
|
Муравьиная кислота |
нсоон |
510 |
|
Уксусная кислота |
СН3СООН |
480 |
|
Пропионовая кислота |
СН3 СН2СООН |
440 |
|
Масляная кислота |
СН3(СН2)2СООН |
445 |
|
Изомасляная кислота |
(СН3)2 СНСООН |
460 |
|
Валериановая кислота |
СН3(СН2)3СООН |
390 |
|
Изовалериановая кислота |
(СН3)2 СН СН2СООН |
425 |
|
Пивалевая кислота |
(СН3)3ССООН |
450 |
|
Капроновая кислота |
СН3(СН2)4СООН |
330 |
|
2-Этилмасляная кислота |
СН3 СН(СН2 СН3) СН2СООН |
390 |
|
Гептановая кислота |
СН3(СН2)5СООН |
275 |
|
Каприловая кислота |
СН3(СН2)6СООН |
245 |
|
Каприновая кислота |
СН3(СН2)8СООН |
230 |
|
Лауриновая кислота |
СН3(СН2)10СООН |
230 |
|
Миристиновая кислота |
СН3(СН2)12СООН |
235 |
|
Пальмитиновая кислота |
СН3(СН2)14СООН |
240 |
|
Стеариновая кислота |
CH3(CH2)16COOH |
245 |
|
Этаналь |
СН3 СНО |
175 |
|
Пропаналь |
СН3 СН2 СНО |
207 |
|
Бутаналь |
СН3(СН2)2 СНО |
193 |
|
Пентаналь |
СН3(СН2)3 СНО |
230 |
|
Деканаль |
СН3(СН2)3 СНО |
175 |
|
2-Метилпропаналь |
(СН3)2 СН СНО |
261 |
|
3-Метилбутаналь |
СН3 СН2 СН СН3 СНО |
257 |
|
2-Этилгексаналь |
СН3 СН(СН2 СН3)(СН2)3 СНО |
190 |
|
Метилноканаль |
(СН3)2 СН(СН2)6 СНО |
175 |
|
Метиламин |
CH3NH2 |
430 |
|
Этиламин |
СН3 CH2NH2 |
380 |
|
Пропиламин |
СН3(СН2)2 NH2 |
320 |
|
Изопропиламин |
(СН3)2СН NH2 |
402 |
|
Бутиламин |
СН3(СН2)3 NH2 |
312 |
|
Изобутиламин |
(СН3)2СНСН2 NH2 |
378 |
|
Гексаметилендиамин |
NH2(CH2)6 NH2 |
280 |
Пример 1. Рассчитать температуру самовоспламенения изопропилбензола С6Н5СН(СН3)2 по формулам (49), (50). Структурная формула изопропилбензола имеет вид
Число концевых групп в молекуле равно 3 (две группы СН3 и фенильное ядро). Общее число углеводородных цепей в молекуле равно трем (это цепи следующих атомов: 1-2-3, 1-2-фенил, 3-2-фенил). Длину углеродных цепей, в состав которых входит фенильное ядро, уменьшаем на единицу. Имеем: 
. Вычисляем среднюю длину углеродной цепи молекулы изопропилбензола по формуле (51)
Так как lср=1,7 £ 5, то по формуле (49) находим:
tсв = 300 + 116
=
432 °С.
Экспериментальное значение температуры самовоспламенения составляет 424 °С, относительная погрешность расчета - 1,85 %.
Пример 2. Рассчитать температуру самовоспламенения изоамилового эфира изомасляной кислоты по формулам из табл. 21. Структурная формула соединения имеет вид
Наибольшую длину цепи имеет группа
В связи с этим аналогом является 2-метилбутан СН3-СН2-СН-СН3, температура самовоспламенения которого 432 °С. Температура самовоспламенения изоамилового эфира изомасляной кислоты равна
tсв = 0,8439 × 432 + 46,4 = 411 °С.
Экспериментальное значение температуры самовоспламенения равно 390 °C, относительная погрешность расчета равна 5,4 %.