Материальный баланс процесса горения
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Югорский государственный университет» ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Кафедра «Физико-химии процессов и материалов»
А.В. Долматов, П.Ю. Гуляев, И.В. Милюкова
Физико-химия горения и взрыва Учебное пособие по решению задач Часть I г.Ханты-Мансийск 2012 г. УДК 536.1+544.45 Долматов Алексей Викторович, Гуляев Павел Юрьевич, Милюкова Ирина Васильевна Физико-химия горения и взрыва: учебное пособие по решению задач. Часть 1. – Ханты-Мансийск: ЮГУ, 2012. – 64 с.
В брошюре представлены методические рекомендации к решению задач по физико-химии горения и взрыва. Рекомендовано студентам, обучающимся по специальности 150701.65 – «Физико-химия процессов и материалов» и по направлению подготовки бакалавров 150100.62 – «Материаловедение и технологии материалов» с профилем 150100.62.00.02 – «Физико-химия процессов и материалов», а также других инженерных специальностей очной и заочной форм обучения, изучающим курс «Теория горения и взрыва».
Рецензент: д.ф.-м.н., профессор А.В. Вьюн
УДК 536.1+544.45
© Югорский государственный университет, 2012 Содержание:
Основные понятия физико-химии процесса горения Пламя –явление, вызванное свечением среды нагретой до высокой температуры. Горение – сложный, быстропротекающий физико-химический процесс, в котором выделение тепла приводит к образованию пламени. Например, горение каменного угля, состоящего в основном из углерода: ; кДж/моль (1.1) где – энтальпия химической реакции, указывающая, что при сгорании 12 грамм углерода ( = 1 моль) выделяется 393.5 кДж энергии в форме теплоты. , (1.2) где , и - энтальпии образования углекислого газа, твердого углерода и газообразного кислорода при нормальных физических условиях [1,2]. Химическая реакция называется экзотермической, если при нормальных физических условиях энтальпия конечных продуктов реакции меньше, чем исходных компонентов. Тогда в ходе реакции происходит уменьшение теплосодержания вещества ( ) и выделение теплоты в окружающую среду. Химическая реакция называется эндотермической, если при нормальных физических условиях энтальпия конечных продуктов реакции больше, чем исходных компонентов. Тогда в ходе реакции происходит увеличение теплосодержания вещества ( ) и поглощение теплоты из окружающей среды. Горение в большинстве случаев представляют собой окислительно-восстановительные реакции. Под этим понимают процессы изменения степени окисления элементов. Степень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что образуется ионное соединение. Окислитель - вещество, которое восстанавливается и снижает свою степень окисления. Восстановитель (горючее) -вещество, который окисляется и увеличивает свою степень окисления. Например, горение водорода: или . Степень окисления водорода и кислорода в простых веществах принята равной нулю. После реакции степень окисления кислорода стала – 2, а водорода +1. Горением может быть любая реакция двух веществ между собой. Например, горение водорода в атмосфере хлора: или . Здесь водород является горючим, хлор – окислителем, а пламя образуется в результате свечения газообразной среды, вызванное релаксацией содержащихся в ней ионов и радикалов [3]. Волна горения представляет собой самоорганизованный комплекс, в котором локализованная химическая реакция, перемещаясь в пространстве реагентов, переводит их в продукты реакции. Волна горения характеризуется пламенем, вид которого зависит от агрегатного состояния реагентов и продуктов реакции. Таким образом, пламя может возникать не только в газообразной среде. Известны системы, в которых горение твердых компонентов сопровождается образованием жидкой фазы, химическое превращение идет в расплаве, а при распространении волны горения возникает явление жидкого пламени[4] . Жидкое пламя наблюдается в алюминотермических процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), протекающих по схеме , где , - твердые вещества исходной смеси, - продукт реакции. Здесь алюминий выступает в роли восстановителя (горючего), а температура горения настолько высока, что превышает температуры плавления всех реагентов и продуктов , где , , , , , - адиабатическая температура горения. Разновидностью безгазового горения является СВС с промежуточным расплавленным слоем. Здесь один или оба порошковых реагента при горении плавятся, а продукт образуется в твердом состоянии , ; , ; , ; , где , . Как видно из примера, в зависимости от состава исходной смеси могут быть реализованы реакции горения с образованием различных продуктов - интерметаллидов. Любопытно отметить, что в этих реакциях горения алюминий играет роль окислителя. Предельной разновидностью горения является явление твердого пламени, когда твердые вещества смешиваются посредством реакционной диффузии и сгорают без образования жидкой или газовой фазы. Твердофазное безгазовое горение наблюдается в смесях порошков тугоплавких металлов (Ta, Nb, Mo) c бором и углеродом, а также во многих других системах при сильном разбавлении смеси конечным продуктом, когда температура горения становится меньше температуры плавления всех реагентов и продуктов [5, 6, 7]. Взрыв– физико-химический процесс, сопровождающийся выделением большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени [8]. Взрыв является разновидностью горения. При химических превращениях он, как правило, наблюдается в гомогенных смесях горючего и окислителя, где процессы диффузии не ограничивают скорости процесса. В отличие от горения при взрыве поток теплоты в окружающую среду меньше скорости тепловыделения. Как следствие, увеличение температуры реагентов ведет, в соответствие с законом Аррениуса, к экспоненциальному росту скорости химической реакции. В итоге, в ограниченном объеме реагентов практически мгновенно выделяется большое количество теплоты, которая перегревает продукты реакции, вызывая взрыв. Материальный баланс процесса горения Топливомназывают смесь горючих веществ. Окислительной средой будем называть смесь окислителя и инертного вещества (смеси веществ), которое не участвует в реакции горения. Наиболее распространенным процессом горения является реакция окисления в атмосфере воздуха. При этом окислительной средой является воздух; окислителем - кислород воздуха, а инертным газом при температурах ниже 25000С можно считать азот воздуха. Под нормальными физическими условиями понимают следующие значения температуры и давления: . (2.1) Состав атмосферного воздуха достаточно сложен. Однако объем второстепенных компонентов в сухом очищенном воздухе менее 1%. Поэтому будем считать, что воздух состоит из двух компонентов – кислорода и азота. Более подробные характеристики воздуха при нормальных физических условиях приведены в таблице 2.1. Таблица 2.1. Характеристики воздуха при нормальных условиях
В таблице приняты следующие обозначения – молярная масса, - плотность газовой фазы, - газовая постоянная, - объем, занимаемый одним молем газа. Расчет материального баланса при горении топлив в окислительной среде сводится к решению двух задач [9]: 1.Определение количества окислительной среды; 2.Определение количества и состава продуктов сгорания. Если процесс горения происходит с участием окислительной среды, параметры которой отличаются от нормальных, то ее плотность рассчитывается с помощью уравнения состояния (уравнения Клапейрона–Менделеева): , (2.2) где - абсолютная температура, - газовая постоянная, равная отношению универсальной газовой постоянной и молярной массы газа. При этом соотношение параметров состояния при нормальных и заданных физических условиях можно выразить формулой . (2.3) Согласно закону Авогадро, 1 моль любого газа при нормальных условиях имеет один и тот же объем м3/моль. При произвольных значениях p, T молярный объем можно вычислить по формуле . (2.4) Расчет материального баланса процессов горения выполняют при нормальных физических условиях, а по его завершению количественные характеристики горючего, окислителя и продуктов сгорания приводят к заданным условиям с помощью (2.3) и (2.4). Уравнение химической реакции горения запивают в виде , (2.5) где - стехиометрические коэффициенты исходных компонентов и продуктов реакции соответственно; - химические формулы исходных веществ и продуктов горения. При этом стехиометрические коэффициенты связаны - условиями , (2.6) где - количество атомов элемента в -ом исходном веществе; - количество атомов элемента в -ом продукте сгорания. Все произведения и в (2.6) должны быть целыми числами. Отношение стехиометрических коэффициентов при кислороде и горючем , (2.7) показывает сколько моль кислорода потребуется для сжигания 1 моля горючего. Так как молярный объем все газов при нормальных условиях одинаков, то (2.8) отношение стехиометрических коэффициентов также показывает, какой объем кислорода потребуется для сжиганий 1 м3 горючего. Когда в качестве горючего используется смесь газов, то количество кислорода, необходимого для сжиганий 1 м3 смеси, можно найти по формуле , (2.9) где - объемная доля -ого горючего в 1 м3 смеси; - количество кислорода, которое необходимо для сжигании 1 м3 -ого горючего из смеси; - объемная доля кислорода, содержащегося в горючей смеси. При сжигании жидких и твердых горючих рассчитывают удельную массу кислорода, которая требуется для сжигания 1 кг горючего , (2.10) где и - молярная масса кислорода и горючего. Массу кислорода, которая требуется для сжигания 1 кг топлива, можно определить по формуле , (2.11) где - массовая доля -ого горючего вещества в топливной смеси; - масса кислорода, необходимая для сжигания 1 кг -ого горючего вещества топливной смеси; - массовая доля кислорода, содержащегося в топливе. Количество окислительной среды можно найти, используя (2.8) - (2.11), следующим образом ; , (2.12) где - объемная доля кислорода в окислительной среде, а - массовая доля кислорода в окислительной среде. Если в качестве окислительной среды выступает воздух, то , а . Обозначим , , - соответственно теоретические масса, объем и количество моль окислительной среды, необходимые для полного сжигания горючего; , , - соответственно фактические масса, объем и количество моль окислительной среды, которая участвовала в процессе горения. Тогда коэффициентом избытка окислительной среды называется . (2.13) При смесь называется стехиометрической; смесь называется бедной, так как в ней недостаточно горючего для использования всего кислорода окислительной среды; смесь называется богатой, так как в ней горючего больше того количества, которое можно сжечь кислородом окислительной среды [10]. Теоретически при после сгорания смеси в ней должны присутствовать только продукты полного сгорания и инертный газ окислительной среды, а температура продуктов сгорания должна быть наибольшей по сравнению со смесями, где больше или меньше единицы. При сжигании смесей с к продуктам горения относят продукты полного сгорания, инертный газ окислительной среды и избыточный кислород, для которого не хватило горючего. Продуктами горения смесей с являются продукты полного и неполного сгорания, продукты термического разложения горючего и инертный газ окислительной среды. Знание количества и состава продуктов горения необходимо для расчета важнейших характеристик процесса горения – температуры горения, температуры взрыва, давления при взрыве. Поскольку продукты сгорания находятся, как правило, в газообразном состоянии, их состав выражается либо в объемных процентах, либо в м3 на 1 кг горючего вещества. В общем случае в качестве топлива выступает смесь горючих веществ, поэтому в процессе ее сгорания одновременно протекают химических реакций. Обозначим: и - объемная и массовая доля горючего вещества в смеси; - стехиометрический коэффициент при горючем в - ой химической реакции; - стехиометрический коэффициент при -ом продукте в -ой реакции; - удельный объем продукта реакции на 1 м3 топлива; - удельный объем инертного газа окислительной среды, вошедшего в продукты реакции, на 1 м3 топлива; - удельный объем окислителя (кислорода), вошедшего в продукты реакции, на 1 м3 горючей смеси. Полное сгорание . В этом случае количество каждого продукта для газообразного топлива рассчитывают по формулам (2.14)-(2.17): , , (2.14) где - количество реакций горения, - количество веществ, образующихся во всех реакциях горения; , (2.15) , (2.16) где - объем окислителя (кислорода) на 1 м3 топливной смеси, который требуется для протекании горения при стехиометрических условиях; - объемная доля кислорода в окислительной среде; , (2.17) где - общий объем продуктов на 1 м3 горючей смеси. Количество продуктов сгорания для жидких и твердых топлив рассчитывают по формулам (2.18)-(2.21) , , (2.18) где - количество реакций горения, - количество веществ, образующихся во всех реакции горения; , (2.19) , (2.20) где - масса инертного газа окислительной среды на 1 кг топливной смеси, вошедшего в продукты горения; - масса окислителя (кислорода) на 1 кг топливной смеси, который требуется для протекании горения при стехиометрических условиях; - массовая доля кислорода в окислительной среде; , (2.21) где - общая масса продуктов на 1 кг топливной смеси. Составом продуктов сгорания называют совокупность их объемных или массовых долей, которые вычисляются с помощью формул (2.22) и (2.23) , (2.22) , (2.23) - количество веществ, образующихся во всех реакциях горения. Неполное сгорание [10]. Если количество кислорода в топливно-воздушной смеси меньше стехиометрического, то окисление будет неполным. При неполном окислении часть углерода окисляется до оксида углерода , а часть водорода не сгорает вообще. В этом случае окисление молекулы идет по приведенному ниже уравнению , (2.24) где - доля углерода окислившаяся до ; - доля несгоревшего водорода. Коэффициенты и в общем случае взаимосвязаны между собой. Из уравнения (2.24) следует, что соотношение между и в продуктах неполного сгорания (из-за недостатка кислорода) имеет вид , (2.25) где , - массовая доля углерода и водорода в горючем, которые можно вычислить так: ; . (2.26) На основе эксперимента установлено, что величину можно приближенно выразить как функцию состава горючего: . (2.27) Количество отдельных компонентов продуктов неполного сгорания по углероду и водороду для можно рассчитать по формулам: , (2.28) , (2.29) , (2.30) , (2.31) . (2.32) Общее количество продуктов неполного сгорания горючего вещества: . (2.33) Состав продуктов сгорания рассчитывают с помощью формул (2.22) или (2.23). Практическая работа №1 «Расчет количества окислительной среды» Цель: Расчет количества кислорода и окислительной среды для сжигания индивидуальных веществ и их смесей, а также сложных веществ, представленных элементарным составом. Расчетные формулы и алгоритмы Порядок расчета материального баланса процесса горения зависит от вида топлива, которое подразделяют на [11]: 1.индивидуальное вещество; 2.смесь веществ; 3.сложное вещество, представленное элементарным составом. Общий алгоритм расчета выглядит таким образом: 1.Для топлив вида 2 и 3 выделяют вещества и элементы, которые могут вступать в реакцию с окислителем (кислородом). 2.Записывают для каждого горючего вещества или элемента уравнение реакции с окислителем (2.6) и подбирают стехиометрические коэффициенты так, чтобы выполнялись условия (2.7). 3.Для каждого уравнения горения, записанного в пункте 2, определяют количество кислорода, которое потребуется для сжигания единицы топлива. Для газообразного горючего используют формулу (2.8), чтобы найти объем окислителя (кислорода), необходимого для сжигания 1 м3 горючего. Для жидких и твердых горючих используют формулу (2.11), чтобы вычислить массу кислорода, который потребуется для сжигания 1 кг горючего. 4.В зависимости от типа горючего используют формулу (2.13), чтобы определить количество воздуха (или другой окислительной среды) для стехиометрической смеси с горючим. 5.По формуле (2.5) находят фактическое количество воздуха (или другой окислительной среды), подаваемое для сжигания горючего. 6.С помощью формул (2.2)-(2.4) приводят количественные характеристики к заданным внешним условиям. Пример 1.1. Найдите объем воздуха для сжигания 40 литров пропана при и температуре смеси 500С. Решение. Запишем уравнение реакции горения пропана в кислороде воздуха, используя форму (2.6) , здесь , ; , ; , ; , . Все вещества, связанные уравнением горения, содержат три элемента: углерод, водород и кислород. Поэтому должны выполняться 3 условия типа (2.7) · для углерода: ; · для водорода: ; · для кислорода: . Так условия по каждому элементу выполнены, то стехиометрические коэффициенты в реакции горения подобраны правильно. Теперь можно рассчитать количество кислорода, которое потребуется для сжиганий 1 м3 пропана, по формуле (2.9) [м3 кислорода/м3 пропана]. По формуле (2.13) находим объем воздуха, необходимый для образовании стехиометрической смеси с горючим [м3 воздуха/м3 пропана]. По условию задачи фактически воздуха было взято в 1,3 раза больше, поэтому для сжигания 1 м3 пропана потребуется [м3 воздуха/м3 пропана]. Так как сжигается всего 40 литров пропана; в единицах СИ м3, то абсолютное количество воздуха при нормальных условиях составит м3. Смесь находилась в условиях отличных от нормальных, поэтому потребуется рассчитать объем воздуха при температуре 500С, что по термодинамической шкале температур составляет Т=323К м3. Ответ: . Пример 1.2. Определить коэффициент избытка воздуха при горении уксусной кислоты, если на горение 1 кг поступило 3 м3 воздуха. Решение. Запишем уравнение реакции уксусной кислоты с кислородом воздуха . По формуле (2.11) вычислим массу кислорода, который потребуется для стехиометрической смеси с горючим [кг кислорода/кг гор.]. Так как , то . Плотность кислорода при нормальных условиях можно определить с помощью (2.2) кг/м3. Тогда [м3 кислорода / кг горючего]. Количество воздуха в стехиометрической смеси с горючим должно составлять [м3 воздуха]. По условию задачи фактический объем используемого воздуха составил м3. Коэффициент избытка воздуха найдем по формуле (2.5): . Ответ: . Пример 1.3. На сжигание 4 м3 горючей смеси состава: , , , , об. % пошло 20 м3 окислительной среды. Вычислите объемную долю кислорода в окислительной среде, содержащей также инертный газ. Смесь окислительной среды с горючим считать стехиометрической. Решение. Из веществ, входящих в состав горючей смеси, в реакцию с кислородом не вступают углекислый газ и водяные пары, т.к. они являются продуктами полного сгорания. Для остальных веществ запишем уравнения горения: (1) ; (2) ; (3) . Стехиометрические коэффициенты при кислороде в уравнениях (1) и (3) могут быть дробными, так их произведение с количеством атомов в молекуле кислорода дает целое число. По уравнениям горения найдем объем кислорода, который требуется для получения стехиометрической смеси с каждым горючим веществом: (1) [м3 О2 / м3 С2Н2]; [м3 О2 / м3 СН4]; [м3 О2 / м3 СО]. По формуле (2.10) найдем объем кислорода для сжиганий 1 м3 горючей смеси: [м3 О2 / м3 горючей смеси]. Полный объем кислорода, который потребуется для стехиометрической реакции горения составит [м3 О2]. По условию задачи объем окислительной среды, состоящей из кислорода и инертного газа и использованный для сжигания 4 м3 горючей смеси, составил 20 м3. Воспользовавшись формулой (2.13) найдем долю кислорода в окислительной среде . Ответ: % (объемных). Пример 1.4. Определить объём и массу воздуха, необходимого для горения 1 кг органической массы состава С – 60%, Н – 5%, О – 25%, N – 5%, W – 5%(влажность), если , температура воздуха 305 К, давление 99,5 кПа. Решение. Элементами, реагирующими с кислородом воздуха являются углерод и водород. Запишем для них уравнения горения: (1) ; (2) и найдем массы кислорода, который потребуется для образования стехиометрической смеси с каждым из компонентов, по формуле (2.11): (1) [кг О2 / кг С]. (2) [кг О2 / кг Н2]. В соответствие с формулой (2.12) количество кислорода воздуха, необходимое для стехиометрического сгорания органической массы при нормальных физических условиях составит [кг О2 / кг горючей смеси]. Так полное количество органической смеси равно 1 кг, то полная масса кислорода составит кг. Рассчитаем стехиометрическое количество воздуха по формуле (2.13): кг. Фактическое количество воздуха найдем по формуле (2.5) кг. Найдем объем воздуха в соответствие с заданными физическими условиями, используя (2.3) м3. Ответ: , . Контрольные задачи 1.1.Рассчитать объем окислительной среды , доля кислорода в котором , для сжигания вещества массой кг с коэффициентом избытка окислительной среды . Температура среды 0С, а давление , кПа. Параметры для расчета, в зависимости от варианта, приведены в таблице 1.1. 1.2.Найдите коэффициент избытка окислительной среды 2015-11-27 |
2215 |
Обсуждений (0) |
|
5.00
из
|
|
Обсуждение в статье: Материальный баланс процесса горения |
Обсуждений еще не было, будьте первым... ↓↓↓ |
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку...
Система поиска информации
Мобильная версия сайта
Удобная навигация
Нет шокирующей рекламы