1.7. Розрахунок об'єму продуктів згоряння газу. Коефіцієнт надлишку повітря

Згоряння газу (або його окиснення) – це процес взаємодії елементів газової суміші з киснем. Реакції горіння для суміші газів записують покомпонентно. До кожної речовини, яка може окиснюватися, додають кисень. При цьому важливо враховувати, що кисень не реагує з такими речовинами:

– сполуками у вищому ступені окиснення (СО₂, Н₂О, SO₃);

– азотом і його оксидами за звичайних умов.

Стехіометрично розрахована кількість кисню за рівняннями реакції – це теоретично необхідна для згоряння кількість кисню. Через те, що процес окиснення в багатьох реакціях здійснюється киснем повітря, можна визначити теоретично необхідну кількість повітря, для згоряння. При цьому вважається, що повітря – це природна газова суміш, склад якої для технічних розрахунків наведено нижче (табл. 2.).

Таблиця 2

Склад повітря

Компонент повітря	Мольна (об’ємна) частка (ni, i)	Масова частка (gi)
Оксиген	0,21	0,23
Гідроген	0,79	0,77

Коефіцієнт надлишку повітря характеризує відношення повітря, що практично подається на процес окиснення, до теоретично необхідного, згідно з рівнянням реакції.

Приклад 15. Розрахувати, який об'єм повітря буде потрібно для спалювання 1м³ технічного водяного газу наступного об'ємного складу: 50% Н₂, 40%СО, 5% СО₂, 5%N₂. Визначити об’єм продуктів згорання.

Рішення. У відповідності до рівняння (11) знайдемо об’єм кожної складової технічного газу:

V(Н₂) = 0,5 м³; V(СО) = 0,4 м³; V(СО₂) = 0,05 м³; V(N₂) = 0,05 м³.

Запишемо реакції горіння заданого газу (див. вище):

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О;

2СО + О₂ = 2СО₂.

Оскільки всі сполуки знаходяться у газовій фазі, з рівняння (8) можна розрахувати кількість водню і окису вуглецю для подальшого визначення кількості кисню. Також об’єм та кількість кисню розраховують безпосередньо за відомими об’ємами Н₂ і СО, що витікає із закону Авогадро:

0,5 м³ 0,25 м³ 0,5м³ 0,4 м³ 0,2 м³ 0,4 м³

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О 2СО + О₂ = 2СО₂

2 моль 1 моль 2моль 2 моль 1 моль 2 моль.

Визначимо витрачений об'єм кисню з обох рівнянь:

V(О₂)_теор = 0,5  2 + 0,4  2 = 0,45 м³.

Знайдений об’єм кисню складає 21% від об’єму повітря, яке подається на процес спалювання (див. табл.2.). Розрахуємо об’єм повітря:

V_(пов.)= 0,45  0,21 = 2,14 м³.

За вказаними рівняннями окиснення та за умовами прикладу визначимо об'єм продуктів згоряння:

V(Н₂О)= 0,5 м³

V(СО₂)= 0,4 + 0,05 = 0,45 м³

V(N₂)= 0,05 + (2,14 – 0,45) = 1,74 м³.

Відповідь: V_(пов.)=2,14 м³; V(Н₂О)=0,5 м³; V(СО₂)=0,45 м³; V(N₂)=1,74 м³.

Приклад 16. Розрахуйте об'єм повітря при його 10% надлишку, який необхідний для спалювання 1 м³ при н.у. технічного водяного газу наступного складу: (СO)= 40%; (Н₂)= 50%; (СО₂)= 5%; (N₂)= 5%. Оформити прибуткову частину матеріального балансу і визначити щільність продуктів згоряння при Т = 350⁰ С.

Розв’язок. Розрахуємо об'єм, кількість і масу кожної речовини (рівняння 11, 10, 9, відповідно). Результати надамо в табличній формі (табл. 3.).

Таблиця 3

Кількісні параметри речовин (прибуткова частина матеріального балансу)

Речовина	Мi, г/моль	 i, %	Vi, л	 i, моль	mi, кг	gi
Н2	2	50	500	22,32	44,64	0,063
СО	28	40	400	17,86	500,08	0,709
СО2	44	5	50	2,23	98,12	0,139
N2	28	5	50	2,23	62,44	0,089
∑		100	1000	44,64	705,28	1

Проаналізуємо стехіометричні співвідношення:

17,86 кмоль : 8,93кмоль : 17,86кмоль 22,32 кмоль : 11,16кмоль : 22,32 кмоль

2СO + O₂ = 2СO₂; 2Н₂ + O₂ = 2НO₂;

2моль : 1моль : 2моль 2моль : 1моль : 2моль

_заг(О₂)= 8,93 + 11,16 = 20,09 моль.

З урахуванням 10% надлишку кількість кисню складе:

'(O₂)= 20,09 · 1,1 = 22,099 моль.

Склад повітря: (O₂ )= 21% – 22,099 моль

 (N₂) = 79% –  кмоль = 83,13 моль

Кількість повітря: _(пов.)= 83,13 + 22,099 = 105,23 моль.

Об'єм повітря складе: V_(пов.) = _(пов.) · 22,4 = 105,23 · 22,4 = 2357 л.

Визначимо склад продуктів згоряння. Мольну частку сполук знайдемо за рівнянням (10).

Таблиця 4

Склад продуктів згоряння

Речовина	До реакції, i моль	Хімічна реакція, i моль	Після реакції, i моль	ni = I
СО Н2 СО2 N2 N2 О2 Н2О	17,86 22,32 2,23 2,23 83,13 22,099 –	-17,86 -22,32 17,86 – – -20,09 22,32	– – 20,09 85,36 2,009 22,32	– – 0,155 0,658 0,015 0,172
∑	149,869		129,779	1

Розрахуємо молярну масу продуктів реакції (рівняння 16):

М_см = = 44 · 0,155 + 28 · 0,658 + 32 · 0,015 + 18 · 0,172 =

= 6,82 + 18,424 + 0,48 + 3,096 = 28,82 г/моль.

Знайдемо щільність газової суміші (рівняння 13, 17):

_н.у. = М_см / 22,4;  = _н.у.

_н.у. = 28,82 / 22,4 = 1,29 г/л

 = _н.у. = 1,29 = 0,56 г/л.

Відповідь: 0,56 г/л.