Горюча речовина — індивідуальна хімічна сполука

Для таких горючих речовин незалежно від їхнього агрегатного стану теоретично необхідна кількість повітря визначається з рівнянь реакції горіння. На т • кмоль горючої речовини приходиться п • кмоль кисню та 3,76 п • кмоль азоту. Позначивши масу (в кг) горючої речовини, чисельно рівну її молекулярній вазі, через М, складаємо пропорцію:

т М кг------------- (п + 3,76п) • 22,4,

1кг------------------------ ,

де 22,4 — об’єм 1 Кмолю газів, м³ (при О °С та тиску 760 мм рт. ст.).

Теоретично необхідна кількість повітря для згоряння 1 кг речовини дорівнює (з пропорції):

(1.64)

Таким же чином виводиться рівняння для визначення теоретично необхідної кількості повітря для згоряння 1 м³ горючих газів:

(1.65)

Якщо об’єми, отримані за формулами (1.64) и (1.65) необхідно привести до інших умов температури та тиску, то використовується формула:

де Т— задана температура газів, К; р — заданий тиск, мм рт. ст.

Деякі константи індивідуальних сполук наведені в табл. 18, дод. III.(Девисилов).

Приклад 1. Визначити об”єм повітря, необхідний для згоряння 1 кг бензолу при 20 °С і тиску 750 мм рт. ст.

Розв”язання

Складаємо рівняння горіння бензолу в повітрі:

За рівнянням (1.64) визначаємо теоретично необхідний об’єм повітря при нормальних умовах:

м³/кг

При заданих умовах цей об’єм буде дорівнювати (рівняння 1.66):

м³/кг

Відповідь. Для згоряння 1 кг бензолу необхідно 11,14 м³/кг повітря.

Для розрахунку витрати повітря (маси та об’єму), необхідного для горіння газоподібного індивідуальної хімічної сполуки при нормальних умовах, використовують формулу:

, (1.67)

де - кількість кисню, азоту, горючої речовини, відповідно, яка отримується з рівняння хімічної реакції горіння, кмоль.

Маса повітря, яке пішло на горіння, визначається за рівнянням:

, (1.68)

де р_в — густина повітря, кг/м³ (табл. 1).

Очевидно, що

де , — концентрація азоту, кисню в окислювальному середовищі (%, об.);

, – мольна доля азоту и кисню в горючому сернедовищі;

р₀ — тиск при нормальних умовах, Па;

р — атмосферний тиск, Па;

Т — температура повітря, К;

Т₀ — температура повітря в нормальних умовах, К;

— об’єм повітря в нормальних умовах.

Після підстановки сталих значень в формулу (1.69), отримаємо:

(1.70)

Приклад 2. ОВизначити теоретичні масу та об”єм повітря, необхідного для горіння 1 м³ метану при нормальних умовах.

Розв’язання

Горюча речовина є індивідуальною хімічною сполукою, тому для розрахунку його об’єму необхідно користуватися формулою (1.67):

.

Запишемо рівняння хімічної реакції горіння СН₄ в повітрі:

З равіняння реакції знаходимо стехіометричні коефіцієнти:

Тоді

м³/м³ или кмоль/кмоль.

За формулою По формуле (1.68) з урахуванням рівняння уравнения (1.67) розраховуємо масу повітря

Відповідь. Об’єм повітря, необхідний для горіння 1 м³ метану при нормальних умовах дорівнює 9,52 м³/ м³; маса повітря 12,2 кг/м³.

Горюча речовина — складна суміш хімічних сполук

До горючих речовин, що являють складну суміш хімічних сполук, відносяться: деревина, торф, кам’яне вугілля, нафта та ін. При визначенні теоретично необхідного для їх згоряння об’єму повітря необхідно знати елементний склад горючої речовини, виражений в масових відсотках, тобто вміст елементів С, Н, О, S, N, золи А і вологи W (% мас.).

Елементний склад горючої речовини визначають в аналітичній лабораторії, або використовують довідкові дані.

Для виводу рівняння розрахунку V_в запишемо рівняння реакції горіння вуглецю, водню та сірки і масове співвідношення речовин, що реагують:

Якщо для згоряння 12 кг вуглецю потрібно 32 кг кисню, то для 0,01 кг вуглецю, тобто його 1 % мас., потрібно кисню кг, а для водню відповідно буде необхідно кг та для сірки кг кисню.

Для повного згоряння 1 кг горючої речовини необхідно буде кисню (в кг):

,

де [С], [Н], [S], [О] — вміст вуглецю, водню, сірки та кисню в горючій речовині, % мас.

На розраховану кількість кисню в повітрі приходиться в 78/21 рази більше азоту. Сума азоту та кисню складає кількість повітря (в кг), необхідного для горіння 1 кг речовини:

Після перетворень отримаємо:

(1.71)

Щоб виразити кількість повітря в об’ємних одиницях необхідно вираз (1.71) поділити на масу 1 м³ повітря при 0 °С і тиску 760 мм рт. ст., тобто. на 1,293 кг/м³. В результаті отримаємо рівняння (1.72):

(1.72)

Пример 3. Визначити об’єм повітря, необхідний для згоряння 5 кг торфу складу (в %): С - 40,0; Н - 4,0; О - 13,0; N - 20,0; А - 10,0; W - 13.0.

Розв’язання

Азот, зола й волога горючої речовини при визначенні кількості повітря не враховуються, та як вони не приймають участи у реакції. Об’єм повітря, необхідний для згоряння 1 кг торфу, визначаємо за формулою (1.72):

м³/кг

Відповідь. Для згоряння 5 кг торфу заданого складу необхідно м³ повітря.

Приклад 4. Визначити об’єм і масу повітря, необхідного для горіння 1кг маси вуглецевого пального складу: С — 60 %; H — 5 %; О — 25%;N — 5%;W—5% (вологість), якщо коефіцієнт надлишку повітря a = 2,5; температура повітря 305 К; тиск 99 500 Па.

Розв’язання

Горюча речовина має складний склад. Теоретичну кількість повітря при нормальних умовах визначаємо за формулою (1.72):

м³/кг.

Далі проводимо розрахунок практичної кількості повітря за формулою (1.4) (см. подп. 1.2.1 настоящего пособия):

м³/кг.

Знаходимо кількість повітря, що пішло на горіння при заданих умовах. Використовуючи формулу (1.66), отримаємо:

м³/кг.

Масу повітря розраховуємо за формулами (1.68) та (1.69).

Звідси:

кг/кг.

Відповідь. Об’єм та мас повітря, необхідні для спалювання 1 кг вуглецевого палива складають 16,8 м³/кг та 18,9 кг/кг, відповідно.

Горючее вещество — смесь газов

В случае если горючее вещество представляет смесь различных газов, расчет теоретически необходимого количества воздуха будет отличаться от методики расчета, приведенной выше.

К группе горючих веществ — смеси газов — относятся горючие газы, например: природный, доменный, коксовый и др. Все они в том или ином количестве содержат СО, СН₄, Н₂, Н₂S, С₂Н₄ и другие компоненты. Состав горючих газов обычно выражают в объемных процентах.

Для вывода формулы расчета теоретически необходимого количества воздуха () напишем уравнение реакции горения наиболее распространенных газов:

;

;

;

.

Если на сгорание 1 м³ метана требуется 2 м³ кислорода, как это видно из уравнения, то на сгорание 0,01 м³ метана, т. е. 1 % об., потребуется м³ кислорода. Для оксида углерода на сгорание этого же количества потребуется м³ кислорода, для водорода - м³, а для сероводорода — м³.

Для полного сгорания 1 м³ горючего газа потребуется кислорода (в м³):

,

где [СН₄], [ Н₂], [СО], [Н₂S], [O₂] – содержание метана, водорода, оксида углерода, сероводорода и кислорода, % об.

В воздухе на этот объем кислорода приходится в 78/21 раза боль­ше азота. Сумма азота и кислорода составляет объем (м³) воздуха, не­обходимый для сгорания 1 м³ газа:

Сделав преобразования, получим:

(1.73)

Пример 5. Определить объем воздуха при 15 °С и давлении 760 мм рт. ст., необходимый для сгорания 1 м³ природного газа, содержащего (в %): СН₄ (метана) – 86,5; С₂Н₆ (этана) – 3; С₃Н₈ (пропана) – 1; С0₂ – 7,3; N₂ –2,2.

Решение

Определяем коэффициенты для метана, этана и пропана по уравнениям реакции горения:

;

;

.

Объем воздуха определяем по уравнению (1.73):

Приводим объем воздуха к заданной температуре (1.66):

Пример 6. Определить объем воздуха, необходимого для 5 м³ смеси газов, состоящих из 20 % СН₄; 40 % С₂Н₂; 10 % СО; 5 % N₂ и 25 % 0₂, если коэффициент избытка воздуха равен 1,8.

Решение

Горючее — смесь газов, поэтому для расчета объема воздуха, израсходованного на горение, воспользуемся формулой (1.73). Для определения стехиометрических коэффициентов при кислороде запишем уравнение реакций горения горючих компонентов в кислороде

;

;

,

тогда

м³/м³

Для горения 5 м³ газовой смеси необходимый теоретический объем воздуха составит

м³.

Практическое количество воздуха:

м³.

Ответ. Практическое количество воздуха составит 51,3 м³.

Задание 1

Рассчитать объем воздуха, теоретически необходимый для сгора­ния 1 кг березовского угля. Состав его рабочей массы: С – 44,3 %; Н – 3,0 %; N – 0,4 %; О – 14,4 %; W – 8,83 %.

Задание 2

Рассчитать объем воздуха, необходимый для сгорания 1 кг мети­лового спирта при 20 °С и давлении 760 мм рт. ст.

Задание 3

Рассчитать объем воздуха при 15 °С и давлении 760 мм рт. ст., необходимый для сгорания 1 м³ природного газа, содержащего (в %): СН₄ – 92,5; С0₂ – 0,5; N₂ - 7.

Задание 4

Рассчитать объем воздуха, теоретически необходимый для сгорания 1 кг нефти состава органической массы: С — 85 %; Н — 11 %; N — 0,5 %; О — 2,2 %; S —1,3 %.

Задание 5

Определить объем и массу воздуха, необходимого для горения 1 кг органической массы состава: С — 66 %; Н — 5 %; N — 3 %; О — 20 %;

W — 6 % (влажность), если коэффициент избытка воздуха а= 1,5; температура воздуха 305 К, давление 99 700 Па.

Задание 6

Рассчитать объем воздуха, необходимый для горения 5 м³ смеси газов, состоящих из: 20 % СН₄; 40 % С₂Н₂; 10 % СО; 5 % N₂ и 25 % O₂, если коэффициент избытка воздуха равен 1,5.

Задание 7

Определить коэффициент избытка воздуха при горении уксусной кислоты (СН₃СООН), если на горение 1 кг поступило 3 м³ воздуха.

Задание 8

Определить объем и массу воздуха, затраченного на горение сме­си газов состава: СО - 45 %; N₂ — 15 %; С₂Н₈ - 10 %; 0₂ - 30 %. Ус­ловия нормальные; а= 1,8.

Задание 9

Рассчитать объем и массу воздуха, необходимого для сжигания 15 кг топлива сложного состава: С — 70 %; Н — 5 %; О — 20 %; S — 5 %, при температуре 285 К, давлении 100 000 Па, а = 2,8.

Задание 10

Определить практически израсходованное количество воздуха для сжигания 1 кг топлива сложного состава: С — 90 %; Н — 3 %; N — 5 %; О — 2 %, при Т= 300 К, р = 95 000 Па, коэффициент избытка воздуха равен 1,5.

Методические указания

1. Получите задание и исходные данные для выполнения расчета.

2. Ознакомьтесь с методикой расчета теоретически необходимого объема воздуха для сгорания горючих веществ и их смесей.

3. Изучите необходимые для расчетов формулы (1.64)—(1.73).

4. Изучите формулы (1.1)—(1.9) раздела 1.2.1, характеризующие расчет количества воздуха необходимого для горения и расчет коэф­фициента избытка воздуха.

5. Недостающие для расчетов данные выберите по табл. 5—7, 18, прил. III.

6. Изучите единицы измерения массы и объема по табл. 1—3, прил. I.

Содержание отчета

Отчет должен отвечать требованиям общих методических указа­ний по выполнению работ.

В отчете привести результаты расчетов и ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Что понимается под теоретически необходимым расходом воздуха на горение?

2. Как определяют теоретически необходимый расход воздуха на горение индивидуального горючего вещества; смеси горючих веществ; смеси го­рючих газов?

3. Дайте определение коэффициента избытка воздуха.

4. Как рассчитывают коэффициент избытка воздуха, если известно содер­жание кислорода в продуктах горения?

5. Напишите формулу для расчета коэффициента избытка воздуха, если со­держание кислорода в окислительной среде отличается от содержания его в воздухе.

6. Проанализируйте формулы (1.4)—(1.9) и определите факторы, влияющие на определение коэффициента избытка воздуха.

Таблиця 1 – Фізичні параметри сухого повітря при атмосферному тиску ( Па)

t, ^oC	r, кг/м^3	Ср, кДж^.кг^-1.К^-1	l^.10^2, Вт^.м^-1.К^-1	m^.10^6 Па^.с
-40	1,515	1,013	2,12	15,21
-20	1,329	1,009	2,28	16,91
	1,295	1,005	2,44	17,17
	1,205	1,005	2,59	18,15
	1,128	1,005	2,76	19,13
	1,060	1,005	2,90	20,11
	1,000	1,009	3,05	21,09
	0,946	1,009	3,21	21,88
	0,898	1,009	3,24	22,86
	0,854	1,013	3,49	23,74
	0,815	1,017	3,64	24,52
	0,779	1,022	3,78	25,31
	0,776	1,026	3,94	26,00
	0,674	1,038	4,27	27,37
	0,615	1,047	4,61	29,72
	0,566	1,059	4,91	31,39
	0,524	1,068	5,21	33,06
	0,456	1,093	5,74	36,20
	0,404	1,114	6,22	39,14
	0,362	1,135	6,71	41,79
	0,329	1,156	7,18	44,34
	0,301	1,172	7,63	46,05
	2,77	1,185	8,07	51,21

Дата добавления: 2015-07-19