4. Низшая теплота горения

Количество тепла, выделяющееся при полном сгорании одного моля вещества, называется теплотой сгорания этого вещества ( ).

Согласно следствию из закона Гесса, теплота горения вещества равна разности между суммой теплота образования продуктов горения с учетом их коэффициентов ni, в уравнении реакции горения и теплотой образования исходного вещества:

Теплота образования ( ) - тепловой эффект реакции образования 1 моля вещества из простых веществ.

Тепловые эффекты химических реакций определяют при стандартных условиях:

• Температура 0

• Давление 760 мм.рт.ст

Для расчетов температуры и давления взрыва необходимо знать удельную теплоту горения - это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицу массы или объёма горючего вещества. Удельная теплота горения может быть высшей и низшей.

Низшей теплотой горения называют количество теплоты, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 горючего вещества при условии, что вода выделяется в виде пара.

Необходимо помнить, что разность энтальпий ΔH и теплота Q имеют одинаковое численное значение, но разный знак:

Для индивидуальных веществ удельная теплота определяется по формуле:

- мольная теплота горения, кДж/кг;

- полярная масса вещества, кг/кмоль;

Низшую теплоту горения твердых и жидких горючих веществ с известным элементным составом можно рассчитать по формуле Д. И. Менделеева:

где: - содержание в горячем веществе углерода, водорода, кислорода, азота, серы и влаги соответственно масс, %.

Решение 2.4

Рассчитать низшую теплоту сгорания диоксана :

1. Записываем уравнение реакции горения:

2. Находим молярную массу и элементный состав:

Mr(C₄H₈O₂)=88 кг/кмоль

%

3. По формуле Д.И.Менделеева находим низшую теплоту сгорания:

5. Стехиометрическая концентрация в паровоздушной смеси

Стехиометрическая концентрация горючего в смеси - такая концентрация горючих паров или горючего газа а горючей смеси, при которой количественное соотношение горючего и окислителя соответствует коэффициентам в уравнении химической реакции.

Для определения стехиометрической концентрации необходимо составить уравнение реакции горения, определить стехиометрический коэффициент β (коэффициент перед воздухом).

– объемная стехиометрическая концентрация, %;

- массовая стехиометрическая концентрация, кг/ ;

Для пересчета массовой концентрации в объемную, или наоборот, применяются формулы:

Решение 2.5

Определить объёмную и массовую стехиометрическую концентрацию амилена при нормальных условиях.

1. Записываем уравнение реакции горения:

2. Рассчитываем объёмную и массовую стехиометрические концентрации:

Ответ: стехиометрическая концентрация паров диоксана составляет ,

6. Расчет температуры горения

Температура горения зависит от состава горючего материала, условий горения: разбавления продуктов горения избыточным воздухом, температуры воздуха, полноты сгорания исходного горючего материала.

Расчет температуры горения может быть осуществлен так же из уравнения энергетического баланса:

где: - тепло, выделяемого при реакции горения, кДж;

- объем продуктов полного горения с учетом избытка воздуха, м3;

- средняя объемная теплоемкость продуктов горения при постоянном давлении, кДж/(м3*К);

- температура горения, К;

- начальная температура, К;

Следовательно, чтобы рассчитать температуру горения, необходимо знать теплотой горения, объем и теплоемкость горения.

При выполнении расчета температуры горения значения теплоемкостей продуктов горения берут из таблиц, а подсчет производят по методу последовательных приближений, каждый раз определяя теплосодержание продуктов горения при выбранной температуре.

В общем виде алгоритм вычисления температуры горения можно представить следующим образом:

1. Рассчитываем низшую теплоту горения вещества;

2. Вычисляется количество продуктов горения, образующихся из единицы массы или объёма горючего вещества;

3. Определяется средняя энтальпия (теплосодержание) продуктов горения с учетом теплопотерь в окружающую среду;

4. По значению средней энтальпия продуктов горения, с помощью справочной литературы по таблицам "Теплосодержание газов при постоянном давлении", ориентируются на азот, приближенно определяем температуру горения (Таблица ):

Таблица 3 - Теплосодержание газов при различных температурах

Температура, t0С	Теплосодержание, кДж/м3
	О2	N2	воздух	СО2	Н2О	SO2
100	131,8	130,1	130,1	170,1	150,6	181,4
200	267,2	260,9	261,6	357,7	304,7	377,9
300	407,1	393,6	395,4	559,7	463,0	587,0
400	551,4	528,7	532,1	772,6	626,8	824,6
500	669,3	666,6	672,0	925,1	786,2	1034,9
600	850,6	807,8	814,5	1225,6	969,5	1269,6
700	1004,7	951,9	960,3	1463,1	1149,7	1507,5
800	1160,6	1098,2	1108,2	1706,2	1335,3	1746,4
900	1319,0	1246,9	1258,7	1953,8	1527,2	1994,8
1000	1478,6	1398,2	1410,7	2205,2	1724,2	2237,4
1100	1639,5	1551,1	1564,9	2460,4	1926,5	2488.8
1200	1802,1	1705,3	1720,4	2718,5	2133,9	2735,2
1300	1965,1	1861,2	1877,5	2979,1	2345.5	2979,5
1400	2129,8	2010,0	2035,5	3241,4	2560,9	3238,0
1500	2295,7	2176,7	2194,7	3505,7	2781,3	3488,2
1600	2462,4	2335,5	2355,2	3771,4	3004,2	3747,5
1700	2630,5	2495,9	2515,7	4039,6	3231,7	4003,1
1800	2799,7	2656,4	2678,2	4307,3	3461,3	4261,2
1900	2969,4	2818,2	2840,4	4579,7	3693,5	4529,8
2000	3140,8	2979,9	3004,2	4847,8	3928,5	4667,6
2100	3311,7	3142,9	3167,6	5118,2	4166,1	5059,4
2200	3497,8	3306,3	3332,3	5392,5	4405,8	5337,2
2300	3659,1	3469,3	3497,4	5660,7	4667,1	5608,7
2400	3834,3	3633,1	3663,3	5933,0	4890,9	5892,8
2500	4009,8	3797,4	3828,8	6209,6	5136,5	6169,8
2600	4184,9	3953,9	3988,4	6487,4	5387,1	6460,1
2700	4368,9	4135,9	4156,5	6761,8	5639,3	6753,8
2800	4546,1	4304,4	4320,7	7033,3	5897,8	7050,9
2900	4729,2	4469,0	4484,9	7311,1	6159,3	7351,3
3000	4914,9	4634,5	4652,1	7589,7	6425,8	7655,1

5. Методом итераций (последовательных приближений) вычисляется температура горения: определяют теплосодержание продуктов горения при выбранной температуре, затем сравнивают теплосодержание продуктов горения при выбранной температуре, затем сравнивают ее с количеством тепла, выделяющегося при горении с учетом теплопотерь. Далее или понижают или повышают предполагаемую температуру горения и снова определяют теплосодержание ПГ. Снова сравнивают с количеством тепла, выделяющегося при горении с учетом теплопотерь. Так до тех пор, пока не будет определен интервал температур, в котором находится искомая температура горения. После этого методом интерполяции определяют температуру горения при заданных условиях. Если потери теплоты не учитывались, то получается адиабатическая, а если учитывались, то - действительная температура горения.

Решение 2.6.1. Расчёт адиабатической температуры горения

Вычислить адиабатическую температуру горения (так как теплопотери не учитываются) диоксана, если начальная температура окружающей среды 15 , давление 780 мм.рт.ст., коэффициент избытка воздуха 4,6.

1. Составляем уравнение реакции горения амилена:

2. По уравнению реакции горения определяем количество киломоль продуктов горения:

Поскольку в рассматриваемом случае горение протекает с избытком воздуха, необходимо учесть остаточный кислород в продуктах сгорания и азот в избытке воздуха:

Таким образом, практический состав продуктов сгорания следующий:

Определяем общее количество продуктов сгорания при сжигании 1 киломоля горючего:

3. Определяем среднее теплосодержание продуктов горения

Теплота горения диокснана составляет:

Поскольку отсчет ведется на 1 кмоль, необходимо перевести эту величину в кДж/кмоль:

Среднее теплосодержание продуктов горения:

4. По справочный данным (Таблица ), ориентируясь на азот, определяем =600

5. Рассчитываем теплосодержание продуктов горения:

=700 (Таблица ).

Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при =700

следовательно, температура горения находится в интервале от 600 до 700

6. Методом интерполяции рассчитываем температуру горения:

Ответ: адиабатическая температура горения диоксана при заданных условиях составляет (т.к. расчеты производились без учёта теплопотерь).

Решение 2.7.2. Расчёт калориметрической температуры горения

Вычислить калориметрическую температуру горения диоксана, если начальная температура окружающей среды 15 , давление 780 мм.рт.ст., коэффициент избытка воздуха 4,6.

1.Составляем уравнение реакции горения диоксана:

2.По уравнению реакции горения определяем количество киломоль продуктов горения:

Так как при калориметрической температуре не учитывается коэффициент избытка воздуха, то мы не рассчитываем количество кислорода и азота в продуктах горения воздуха

3.Определяем среднее теплосодержание продуктов горения

Теплота горения диоксана составляет:

Поскольку отсчет ведется на 1 кмоль, необходимо перевести эту величину в кДж/кмоль:

Среднее теплосодержание продуктов горения:

4.По справочный данным (Таблица 3), ориентируясь на азот, определяем =2100

5.Рассчитываем теплосодержание продуктов горения:

=2200 (Таблица 3).

Рассчитываем теплосодержание продуктов горения при =2200