Материальный баланс процессов горения

Уравнение материального баланса

 

При горении веществ в воздухе происходит быстрая химическая реакция между горючим веществом и кислородом воздуха с интенсивным тепловыделением. В результате этой реакции образуются в основном окислы элементов, входящих в состав горючего вещества. При сгорании углеводородов, состоящих из атомов С и Н, образуется СО₂ (двуокись углерода) и Н₂О (вода). При неполном сгорании наряду с ними образуются СО (окись углерода) и С_{n(тверд)} (углерод) в виде сажи. При написании уравнения горения и составлении материального баланса, как правило, записывают только продукты полного окисления СО₂ и Н₂О. Если в составе горючего вещества есть сера (S), то при сгорании образуется SО₂. Азот (N), входящий в состав горючего вещества, при горении в воздухе не окисляется, а выделяется в виде свободного азота (N₂). Объясняется это тем, что при горении в воздухе температура горения относительно невысокая (1500-2000 К) и при такой температуре окислы азота не образуются.

Примеры реакций горения:

 

горение пропана          С₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O

горение ацетона           С₃H₆O + O₂ → CO₂ + H₂O

горение сероуглерода  CS₂ + O₂ → CO₂ + SO₂

горение сероводорода H₂S + O₂ → H₂O + SO₂

горение аммиака          NH₃ + O₂ → N₂ + H₂O

 

Согласно закону сохранения массы количество атомов каждого элемента в левой и правой части химического уравнения должно быть одинаковым. Для того, чтобы уравнять обе части уравнения, рекомендуется сначала расставить коэффициенты перед окислами в правой части с тем, чтобы уравнять число атомов элементов горючего вещества (С, Н, S, N …). Затем, подсчитав количество атомов кислорода в правой части уравнения, поставить коэффициент перед кислородом в левой части уравнения. При этом необходимо учесть кислород, который может входить в состав молекулы горючего вещества (например, как это имеет место в ацетоне С₃Н₆О или этиловом спирте С₂Н₅ОН). С учетом вышесказанного запишем уравнения реакций горения вышеприведенных веществ:

 

С₃Н₈ + 5О₂ = 3СО₂ + 4Н₂О

С₃Н₆О + 4О₂ = 3СО₂ + 3Н₂О

СS₂ + 3О₂ = СО₂ + 2SО₂

Н₂S + 1,5О₂ = Н₂О + SО₂

NН₃ + 0,75О₂ = 0,5N₂ + 1,5Н₂О

 

Необходимо помнить, что записанные уравнения химических реакций горения являются брутто-уравнениями, которые показывают только начальное и конечное состояние системы, т.е. какие исходные вещества вступают в реакцию и какие продукты при этом образуются. Они не отражают механизма химического взаимодействия при горении.

Уравнение материального баланса процесса горения отличается от уравнения химической реакции тем, что в него для удобства расчетов включают азот, содержащийся в воздухе и не участвующий в химическом превращении. Поскольку воздух состоит из 21 % (об.) кислорода и 79 % (об.) азота, т.е. в нем на 1 моль кислорода приходится 79/21 = 3,76 молей, в уравнении материального баланса перед азотом ставят коэффициент 3,76.

Например, уравнение материального баланса для горения пропана будет следующим:

 

С₃Н₈ + 5О₂ + 5∙3,76N₂ = 3СО₂ + 4Н₂О + 5∙3,76N₂.

 

Коэффициент, который записывают перед О₂ (в данном случае 5) необходимо повторить и перед N₂, так как азот и кислород в воздухе неразделимы.

 

Объем воздуха, необходимый для горения, и объем продуктов горения

 

Уравнение материального баланса позволяет рассчитывать количество воздуха, необходимое для горения любого горючего вещества и количество образующихся продуктов горения.

Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания единицы количества (кг, кмоль, м³) горючего вещества, называется теоретическим количеством воздуха V _в ⁰.

Рассмотрим для примера материальный баланс процесса горения бензола в воздухе:

 

C₆H₆ + 7,5O₂ + 7,5×3,76N₂ = 6CO₂ + 3H₂O + 28,2N₂.

 

Из этого уравнения видно, что для полного сгорания 1 кмоля бензола требуется (7,5 + 7,5·3,76) кмолей воздуха, который состоит из 7,5 кмолей O₂ и 7,5×3,76 кмоля, не принимающего участия в горении N₂. При сгорании 1 кмоля бензола образуется 6 кмолей СО₂, 3 кмоля H₂O и остается не участвовавший в химическом превращении 7,5×3,76 = 28,2 кмоля N₂.

В общем виде формула для расчета количества воздуха:

 

,                            ( 4)

где  - число кмолей кислорода, азота и горючего вещества в уравнении материального баланса, кмоль.

 

А для расчета объема продуктов горения:

 

,  и              ( 5)

где  - количество кмолей веществ в правой части уравнения материального баланса,  - объем азота из воздуха, участвовавшего в горении, кмоль/кмоль.

Общий объем продуктов горения определяется по формуле:

 

                           ( 6)

 

Горючая газовоздушная смесь, соответствующая уравнению материального баланса называется стехиометрической. В такой смеси нет ничего лишнего, горючее и окислитель находятся в пропорции, обеспечивающей полное ее сгорание.

Для вышеприведенного примера стехиометрическая смесь состоит из 1 объема бензола (пары в газообразном состоянии), 7,5 объемов кислорода и 7,5×3,76 объемов азота. При сгорании такой смеси в продуктах горения будет только СО₂, Н₂О и N₂ в объемах, соответствующих правой части уравнения.

При горении расход воздуха может отличаться от теоретически необходимого. Отношение количества воздуха, участвовавшего в горении к теоретически необходимому, называется коэффициентом избытка воздуха

 

 

Действительный расход воздуха на единицу горючего записывается как V_в = aV⁰_в. Разность между действительным и теоретически необходимым количеством воздуха называется избытком воздуха.

 

 или .                 ( 7)

 

Для стехиометрической смеси α = 1 и ΔV_в =0.

Если горение происходит с избытком воздуха (α > 1), то азота в продуктах горения будет больше (добавится азот из избытка воздуха):

 

                              ( 8)

 

и в продуктах горения появится кислород

 

.                             ( 9)

 

В этом случае полный объем продуктов горения

 

 или .        ( 10)

 

Для газообразных горючих веществ расчет объемов воздуха и продуктов горения чаще всего проводят в м³/м³. Так как 1 кмоль любого газа в одинаковых условиях занимает один и тот же объем (при нормальных условиях 22,4 м³), то объем, рассчитанный в м³/м³, численно будет таким же, как и в кмоль/кмоль.

Если горючее вещество находится в конденсированном состоянии (жидком или твердом), то, как правило, расчеты объемов воздуха и продуктов горения проводят в м³/кг. Для этого кмоль воздуха или продукта горения переводят в м³, умножая на объем одного кмоля газа (22,4 м³/кмоль), а кмоль горючего переводят в кг, умножая на массу одного кмоля горючего (М_г, кг/кмоль). Например, при сгорании 1 кг гептана

 

С₇Н₁₆ + 11O₂ + 11×3,76N₂ = 7CO₂ + 8H₂O + 11×3,76N₂

 

требуется воздуха

 

 

Образуется

 

 

и далее по химическому уравнению.

 

Пример 3. Определить какое количество воздуха потребуется для сгорания 1 м³ пропана и какое количество продуктов сгорания при этом образуется. Сгорание происходит при α = 1 (стехиометрическая смесь; температуру и давление считать нормальными).

Решение: Записывают уравнение материального баланса горения пропана

 

C₃H₈ + 5O₂ + 5×3,76N₂ = 3CO₂ + 4H₂O + 5×3,76N₂ .

 

Объем воздуха, необходимый для горения

 

Объем продуктов горения

 

 

 

 

так как α = 1, избыток воздуха ΔV_в = 0, тогда полный объем продуктов горения

 

 

Таким образом, для сгорания 1 м³ пропана требуется 23,8 м³ воздуха, объем продуктов сгорания при этом составит 25,8 м³ (при н.у.).

 

Пример 4. Определить объемы воздуха и продуктов горения при нормальных условиях, если при пожаре на складе сгорело 1000 кг ацетона, а горение протекало при a=2.

Решение: Записывают уравнение материального баланса горения ацетона в воздухе

 

C₃H₆O + 4O₂ + 4×3,76N₂ = 3CO₂ + 3H₂O + 4×3,76N₂ .

 

Объем воздуха, необходимого для сгорания 1 кг ацетона

 

 

учитывая, что масса одного киломоля ацетона составляет 58 кг/моль, получают 

 

 

Действительный объем воздуха с учетом коэффициента избытка воздуха a = 2.

 

 

а избыток воздуха

 

 

Объем продуктов горения

 

 

С учетом избытка воздуха полный объем продуктов горения

 

 

При сгорании 1000 кг ацетона объем воздуха при нормальных условиях составит 14,8 м³/кг×1000 кг = 14 800 м³, а объем продуктов горения 15,5 м³/кг×1000 кг = 15 500 м³.

Примечание. Если в процессе горения были заданы другие значения температуры и давления, то объем продуктов горения и воздуха рассчитывается с учетом объема, который занимает один кмоль газа при этих условиях:

 

 

где P₀ = 101,3 кПа;

T₀ = 273,15 К;

T и P – заданные температура и давление.

 

---

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 2943; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!