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:

 

1. Основные понятия физико-химии процесса горения……....
2. Материальный баланс процесса горения…………………….
2.1. Практическое занятие №1 «Расчет количества окислительной среды»………………………............................
2.2. Практическое занятие №2 «Расчет объема и состава продуктов горения»……………………………………………
3. Тепловой баланс горения…………………………..................
3.1. Практическое занятие №3 «Расчет теплотворной способности топлива»………………………………………….
3.2. Практическое занятие №4 «Расчет адиабатической температуры горения и взрыва»……..………………………..
4. Литература……………………………………………………...

 

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

Газ	Состав	∙10-3 кг/моль	r, кг/м3	R', Дж/(кг×К)	VM∙10-3, м3/моль
масс. %	объем. %
Кислород	О2	О2	32.00	1.429	259.7	22.393
Азот	N2	N2	28.013	1.251	296.65	22.395
Воздух	23% О2 77% N2	21% О2 79% N2	28.96	1.293	281.53	22.398

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