2.1. Горючее – индивидуальное химическое соединение

В случае индивидуального химического соединения объем и состав продуктов горения рассчитывается по уравнению реакции горения.

Расчет объема и процентного состава продуктов горения индивидуального вещества

Пример 5. Определить объем и состав в объемных % продуктов горения, образовавшихся при сгорании 3 кг бензола С6Н6. Температура 200С, давление 770 мм рт.ст., коэффициент избытка воздуха  = 1,4.

1. Записываем уравнение реакции горения

3 кг х₁ м³ х₂ м³ х₃ м³ х₄ м³

С₆Н₆ + 7,5(О₂ + 3,76N₂) = 6СО₂ + 3Н₂О + 7,53,76N₂

М = 78 кг 7,54,76  V_м = 6V_м = 3V_м = 7,53,76V_м =

=7,54,7623,7 м³ =623,7 м³ =323,7 м³ =7,53,7623,7 м³

2. Рассчитаем, какой объем занимает 1 кмоль газообразных веществ при заданных температуре и давлении.

м³/кмоль

3. Теоретический объем продуктов горения (V_ПГ) определяем по уравнению реакции.

V_ПГ = 33,9 м³

4. Горение протекает с коэффициентом избытка воздуха, следовательно, в состав продуктов горения войдет избыточный воздух V_в.

Для расчета избытка воздуха по уравнению реакции найдем теоретический объем воздуха, необходимый для полного сгорания бензола:

V_в^теор = х₁ = = 32,5 м³

Избыток воздуха определим по формуле (3.4):

V_в= V_в^теор( 1) = 32,5(1,4 – 1) = 13 м³

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

V_ПГ^* = V_ПГ + V_в = 33,9 + 13 = 46,9 м³

5. Иногда возникает необходимость рассчитать объем отдельных компонентов продуктов горения и их процентный состав.

В этом случае по уравнению реакции определяем объем СО₂, Н₂О и N₂.

V(СО₂) = х₂ = = 5,47 м³

V(Н₂О) = х₃ = = 2,73 м³

V(N₂) = х₄ = = 25,71 м³

V_в= 13 м³ (рассчитано в п.4)

Объемная концентрация каждого компонента смеси рассчитывается следующим образом:

^об (СО₂) = = = 11,7 %

^об (Н₂О) = = = 5,8 %

^об (N₂) = = = 54,8 %

^об (V_в) = = = 27,7 %

Обратите внимание, что более половины объема всех продуктов горения – это азот воздуха, израсходованного на горение. Если же горение протекает с коэффициентом избытка воздуха  > 1, то избыточный воздух также составляет значительную часть продуктов горения.

Горючее – смесь газов и паров

При расчете продуктов горения газовой смеси необходимо знать, какой объем продуктов горения выделяются при сгорании 1 м³ каждого горючего газа смеси. Далее, зная процентное содержание (в объемных %) каждого горючего газа, вычислить суммарный объем образовавшихся продуктов горения. Если горение протекает с избытком воздуха, то в состав продуктов горения необходимо включить и избыточный воздух.

Расчет объема и процентного состава продуктов горения газовой смеси

Пример 6. Определить объем и состав продуктов горения 10 м3 природного газа следующего состава (в % объемных): метан СН4 – 75 %, этан С2Н6 – 4 %, пропан С3Н8 – 2 %, углекислый газ СО2 – 19 %. Горение протекает при  = 1,2.

1. Составляем уравнение реакции горения для всех горючих газов смеси:

СН₄ + 2(О₂ + 3,76N₂) = СО₂ + 2Н₂О +23,76N₂  (СН₄) = 2

Для газообразных веществ отношение числа моль равно отношению объемов, следовательно, стехиометрические коэффициенты для каждого вещества в реакции горения – это и есть объем в м³ каждого компонента продуктов горения, выделившийся при сгорании 1 м³ горючего газа.

По уравнению реакции можно определить, что при сгорании 1 м³ метана СН₄ образуется 1 м³ СО₂, 2 м³ Н₂О и 23,76 м³ N₂.

С₂Н₆ + 3,5(О₂ + 3,76N₂) =2СО₂ + 3Н₂О +3,53,76N₂  (С₂Н₆) = 3,5

При сгорании 1 м³ этана С₂Н₆ образуется 2 м³ СО₂, 3 м³ Н₂О и 3,53,76 м³ N₂.

С₃Н₈ +,5(О₂ + 3,76N₂) =3СО₂ + 4Н₂О +53,76N₂  (С₃Н₈) =5

При сгорании 1 м³ этана С₃Н₈ образуется 3 м³ СО₂, 4 м³ Н₂О и 53,76 м³ N₂.

2. Определим теоретический объем продуктов горения.

Суммарный объем углекислого газа, образовавшегося при сгорании 1 м³ газовой смеси определяется с учетом процентного состава каждого горючего компонента газовой смеси, и также включается объем углекислого газа, входящий в состав исходной газовой смеси:

V(СО₂) = =

= = 1,08 м³

При сгорании 10 м³ газовой смеси объем образовавшегося углекислого газа составит:

V(СО₂) = 1,08  10 = 10,8 м³

Аналогично рассчитываем объем паров воды, образовавшийся в результате сгорания 1 м³ смеси газов:

V(Н₂О) = = 1,7 м³

При сгорании 10 м³ газовой смеси объем паров воды будет:

V(Н₂О) = 1,7  10 = 17 м³

Объем азота в продуктах горения составит для 1 м³ природного газа:

V(N₂) = = 6,55 м³,

а для 10 м³

V(N₂) = 6,55  10 = 65,5 м³

Теоретический объем продуктов горения 10 м³ газовой смеси составит:

V_ПГ = V(СО₂)+ V(Н₂О)+ V(N₂) = (10,8 + 17 + 65,5) = 93,3 м³

2. Горение протекает с коэффициентом избытка воздуха  = 1,2, следовательно, в состав продуктов горения войдет и избыток воздуха. Для его расчета по формуле (3.6) определяем теоретический объем воздуха, необходимый для горения данной газовой смеси:

V_в^теор = = 82,9 м³

Избыток воздуха определим по формуле (3.4):

V_в= V_в^теор( 1) = 82,9(1,2 – 1) = 16,6 м³

С учетом избытка воздуха практический объем продуктов горения составит:

V_ПГ^* = V_ПГ + V_в = 93,3 + 16,6 = 109,9 м³

1. Определим процентный состав продуктов горения:

^об (СО₂) = = = 9,8 %

^об (Н₂О) = = = 15,5 %

^об (N₂) = = = 59,6 %

^об (V_в) = = = 15,1 %