Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет параметров процессов горения. Учебное пособие
.pdf
Сравнивая низшую теплоту сгорания угля, найденную по
10178
№
м
азут
м
азут
прил. 2, с рассчитанной по формуле Д.И. Менделеева, видно,
что расхождение составляет значительную величину:
2348783010178
кДж/кг;
δ
2348
%1,23%100
.
Такое расхождение обусловлено большим количеством
влаги в топливе.
Задание 2 для самостоятельной работы
Определить состав твердого, жидкого и газообразного топлива (по прил. 1–3) и его основные характеристики: состав,
низшую и высшую теплоту сгорания, плотность, температуру
вспышки, выход летучих веществ.
Для твердого и жидкого топлива рассчитать низшую теплоту сгорания по формуле Д.И. Менделеева. Полученные данные сравнить с табличными значениями для соответствующего
топлива.
Данные для решения задачи взять из табл. 1.3 в соответствии со своим вариантом.
Сделать выводы по задаче.
Таблица 1.3
Исходные данные для задания 2
вари-
анта
Месторождение
угля, тип топлива
1 Подмосковное
2 Бабаевское
Жидкое топливо Газопровод
малосернистый М-40
малосернистый М-100
Брянск–Москва
Бухара–Урал
21
Окончание табл. 1.3
№
Месторождение
3 Барандатское
мазут сернистый М
-40
Газли
–
Коган
4
Воркути
н
ское м
азут сернистый М
-
100 Газли
–
Ташкент
м
азут
м
азут
7 Назаровское
дизельное т
опливо Джаркак
–
Ташкент
8
Березовское
соляровое масло
Карабулак
–
Грозный
9
Боготольское
моторное топл
иво
Карадаг
–
Ереван
10
Интинское
керосин
Коробки
–
Волгоград
11
Итатское
бензин
Коробки
–
Камышин
м
азут
м
азут
14 Норильское
мазут сернистый М
-40
Оренбург
–Совхозное
15
Абаканское
мазут сернистый М
-
100 Первомайск
–
Сторожевка
м
азут
мазут
18 Древесина
дизельное топл
иво
Саратов
–
Горький
Торф фрезе
р-
20 Торф кусковой
моторное топл
иво
Рудки
–
Минск
21
Бабаевское
керосин
Бухара
–
Урал
22
Назаровское
бензин
Дашава
–
Киев 23
Итатское
мазут малосернистый М
-40
Карадаг
–
Ереван
м
азут
25 Бикинское
дизельное топл
иво
Коробки
–
Волгоград
вари-
угля, тип топ-
анта
5 Интинское
6 Челябинское
12 Барандатское
13 Черногорское
16 Харанорское
17 Бикинское
лива
Жидкое топливо Газопровод
высокосернистый М-40
высокосернистый М-100
малосернистый М-40
малосернистый М-100
высокосернистый М-40
высокосернистый М-100
Гоголево–Полтава
Дашава–Киев
Кумертау–Магнитогорск
Лижво–Вольск
Промысловка–Астрахань
Коробки–Волгоград
19
24 Абаканское
22
ный
соляровое масло Газли–Ташкент
сернистый М-100
Брянск–Москва
2. ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
2.1. Кинетика и классификация химических реакций
Химическими процессами (реакциями) называются процессы, в результате которых образуются новые вещества, отличающиеся по своим физическим и химическим свойствам от исходных веществ. Протекание химической реакции может быть
записано стехиометрическим уравнением типа (1.1).
Необратимые химические реакции, в зависимости от количества атомов и молекул исходного вещества, классифицируются на:
– мономолекулярные реакции (реакции первого порядка),
в которых реагирует один род молекул, давая при этом одну или
несколько новых молекул, например,
ONONOON
; (2.1)
2252
– бимолекулярные реакции (реакции второго порядка),
в которых взаимно реагируют две однородные или различные
молекулы, давая одну или несколько новых молекул, например,
ONNONO
; (2.2)
5232
– тримолекулярные реакции (реакции третьего порядка),
в которых взаимно реагируют три однородные или различные
молекулы, давая одну или несколько новых молекул, например,
ONONONO
. (2.3)
5222
Реакцию, протекающую в одно действие, называют про-
стой (элементарной). Например, реакция сгорания водорода:
23
O2HO2H
. (2.4)
222
Реакцию, протекающую в две и более стадий, называют
сложной. Например, сгорание углерода обычно происходит
в две стадии:
сначала 2COO2C
, затем
2
2COO2CO . (2.5)
22
Химическая реакция, протекающая в объеме, когда исходные вещества находятся в газовой фазе или жидкой фазе, называется гомогенной.
Реакция, протекающая на поверхности раздела фаз (твердая фаза – жидкая фаза, твердая фаза – газовая фаза), называется гетерогенной.
Реакции, протекающие с выделением теплоты, называются
экзотермическими, а реакции, сопровождающиеся поглощением
теплоты, – эндотермическими.
2.2. Закон действующих масс
Закон действующих масс устанавливает количественную
связь между скоростью реакции и изменением масс веществ.
Формулировка закона: «В однородной среде при постоянной
температуре скорость реакции пропорциональна произведению
концентраций реагирующих веществ».
Скорость прямой реакции
W
и скорость обратной
1
W
при
2
постоянной температуре определяются соотношениями:
βα
11 BA
22 NM
CCkW
; (2.6)
δγ
CCkW
, (2.7)
24
где
V
, kk
– коэффициенты пропорциональности, зависящие от
21
температуры и химической природы реагирующих веществ, называемые константами скорости прямой и обратной реакций;
C
C
,
A
B
элементов в реакции;
C
C
,
,
– концентрации соответствующих химических
N
M
δγ,β,α,
– стехиометрические коэффици-
енты в формуле (1.1).
Для условий химического равновесия имеем:
βα
где
WW
,
1 NMBA
21
K
– константа равновесия через концентрации.
C
βα
2
δγ
CCkCCk
CC
,
CC
k
BA
2
K
, (2.8)
δγ
k
NM
1
C
Уравнения (2.6)–(2.8) представляют собой математическое
выражение закона действующих масс.
При постоянной температуре парциальные давления газов
в смеси пропорциональны их концентрациям, поэтому константу равновесия через давления можно с использованием уравнения состояния для идеальных газов выразить в виде следующего
соотношения:
βα
PP
где
P
P
,
A
B
P
P
,
,
– парциальные давления соответствующих
N
M
K
P
BA
, (2.9)
δγ
PP
NM
газов в смеси.
Из уравнения состояния для каждого i газа, входящего
в газовую смесь при протекании реакции, будем иметь:
n
P
i
i
RTCRT
, (2.10)
i
25
где
R
C
– молярная концентрация i компонента газа в газовой
i
смеси, моль/м3;
V – общий объем газовой смеси, м
P
– парциальное давление i газа в смеси, Па;
i
3
n
;
– число молей рассмат-
i
риваемого i газа в общем объеме газовой смеси V; R– универсальная газовая постоянная, для идеальных газов
= 8314 Дж/(кмольК).
Связь между константами равновесия можно записать
в виде
n
где
n
βαδγ
)(
– изменение числа молей исходных и об-
RTKK
PC
, (2.11)
разующихся газов в результате реакции (1.1).
2.3. Зависимость скорости реакции от температуры
и давления
С ростом температуры скорость реакций горения очень
быстро возрастает и при конкретной температуре характеризу-
ется константой скорости реакции K. Для идеальных газов эта
зависимость в экспоненциальной форме носит вид:
E
где
, kE
kK exp
o
– эмпирические константы.
o
, (2.12)
RT
Сильный рост скорости реагирования с повышением температуры в реакциях горения объясняется наличием активных
центров. Активные центры – молекулы, атомы, радикалы и гид-
26
роксильные группы, находящиеся в данный момент в особом
T
(богатом энергией) состоянии.
Процесс, при котором изменяется энергия молекул без химического превращения, называется активацией, а теплота, поглощаемая при образовании активных молекул, называется теп-
лотой активации.
Уравнение температурной зависимости константы скорости реакции K в виде
ln
Kd
Td
E
(2.13)
2
RT
представляет собой математическую запись закона Аррениуса:
1
Логарифм скорости реакции как функция от
изображается
прямой линией, а угол наклона этой прямой определяет энергию
активации E.
Пример. В закрытом сосуде вместимостью 0,172 м3 нахо-
дится 8 моль ацетилена )H(C
и 3 моль кислорода. В резуль-
22
тате реакции сгорания установилось химическое равновесие.
Общее давление в равновесном состоянии системы составляет
0,15 МПа. Вычислить равновесные концентрации всех реагентов
газовой смеси при температуре 298 К. Система подчиняется законам идеального газа. Определить константы равновесия по
давлениям и концентрациям. Чему равны парциальные давления газов в равновесной смеси?
Решение. Запишем уравнение реакции с учетом фазового
состояния каждого вещества в виде:
. (2.14)
гOH)г(CO2)г(O5,2)г(HC
22222
Для данного уравнения приведем количество молей веществ в начальный момент времени, когда реакция не началась:
27
8 + 3 0 + 0. (2.15)
Анализ уравнения (2.14) показывает, что для сжигания
1 моль
образуется 2 моль
HC требуется 2,5 моль кислорода 2O . В результате
22
CO и 1 моль OH
2
.
2
Перед кислородом в формуле (2.14) стоит множитель 2,5.
Если теперь разделить правую и левую часть уравнения (2.14) на
2,5, то получим следующее уравнение:
1
2,5
2
)г(O)г(HC
5,2
1
)г(CO
5,2
гOH
22222
. (2.16)
Из уравнения (2.16) следует, что на 1 моль кислорода бу-
дет израсходовано
1
моль ацетилена, при этом образуется
2,5
2
моль диоксида углерода и
5,2
1
моль водяного пара.
2,5
У нас имеется 3 моль кислорода, следовательно, для его
использования требуется
3
1
2,1
моль ацетилена. Получает-
2,5
ся, что в реакции на 1,2 моль ацетилена будет полностью израсходован кислород в количестве 3 моль. После окончания реакции в газовой смеси останется еще 8,62,18
моль ацетилена.
Аналогично рассуждая, можно показать, что кроме ацетилена в газовой смеси после протекания реакции будет также ди-
3
оксид углерода в количестве
2
моль и водяной пар в количе-
5,2
стве
3
моль.
5,2
Следовательно, количество газов, моль, в газовой смеси
в конечный момент времени, когда реакция закончилась, будет:
28
20
V
4,102,14,28,6 n
моль.
3
5,2
, (2.17)
5,2
т. е.
3
8
5,2
3
Газовая смесь после установления равновесия реакции будет иметь в своем объеме 6,8 моль ацетилена, 2,4 моль диоксида
углерода и 1,2 моль водяного пара.
Концентрацию i вещества
C
для условий равновесного
i
состояния найдем по формуле:
n
n
где
– количество i вещества, моль; V– объем газовой сме-
i
C
i
i
, (2.18)
си, м3.
Равновесные концентрации веществ в газовой смеси,
моль/м3, составят:
8,6
HC
22
172,0
5,39
C
;
4,2
9,13
CO
2
OH
2
Парциальные давления газов в смеси, Па, найдем с использованием закона Дальтона:
C
;
172,0
2,1
98,6
C
.
172,0
29
n
i
PP
CO
HC
22
2
OH
2
i
1015,0
; (2.19)
n
8,6
6
98000
P
;
4,10
4,2
6
1015,0
34600
P
;
4,10
2,1
6
1015,0
17300
P
.
4,10
Константа равновесия по давлениям, Па-2, в соответствии
с уравнением (2.9), составит:
P
HC
22
K
P
CO
2
PP
OH
22
98000
2
1730034600
1073,4
9
. (2.20)
Константа равновесия по концентрациям, м6моль-2, в соответствии с уравнением (2.8), составит:
K
C
HC
22
C
2
CO
CC
OH
22
1,45
2
465,0934,0
2,111
. (2.21)
Задание 3 для самостоятельной работы
Углеводородное соединение в газовой фазе в количестве
n
, находящееся в сосуде объемом V, реагирует с кислородом
Г
(сгорает). В начальный момент в сосуде находится
моль ки-
n
к
слорода. В результате реакции горения в сосуде образуются га-
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]