задание на семестр на весну 2016 / gorenie_met

цвет пламени можно пренебречь. Если в зону горения попадает углерод, то он раскаляется и это обусловливает свечение зоны горения. Если в составе горючего вещества много углерода, то он не успевает окислиться в зоне горения и попадает в зону продуктов сгорания в виде сажи.

В зависимости от способа образования смеси горючего и окислителя различают кинетическое и диффузионное пламя.

При кинетическом горении в подготовительную зону поступает уже готовая смесь в концентрации близкой к стехиометрической, в этой же зоне происходит разложение компонентов смеси и предварительное окисление. В зоне горения образуются конечные продукты реакции – диоксид углерода, азот и вода, которые света практически не излучают.

Следовательно, зона горения имеет слабо-голубой цвет независимо от ее температуры. Если в смеси, которая поступает для горения недостаточно окислителя, то в подготовительной зоне не успевают образовываться продукты предварительного окисления, поэтому в зону горения попадают частички углерода, а пламя приобретает желтый или оранжевый цвет.

При диффузионном горении горючая смесь образуется в зоне горения за счет диффузии горючего вещества из подготовительной зоны, а окислителя – из окружающей среды. Цвет диффузионного пламени зависит от химического состава горючего вещества.

Если в составе горючего вещества имеется достаточно кислорода, то углерод, который образуется при термическом разложении, в подготовительной зоне весь успевает предварительно окислиться до СО, а затем окись углерода в зоне горения сгорает и образует углекислый газ. Следовательно, такое вещество горит бесцветным или голубым пламенем.

Например, горение метановой (муравьиной) кислоты СН2О2 можно представить как процесс последовательных реакций:

СН2О2 = СО + ОН + Н;

СО + 0,5 О2 = СО2; Н + 0,5 О2 = Н2О.

Из приведенных реакций видно, что диффузионное пламя метановой кислоты должно быть бесцветным.

При термическом разложении ацетона кроме окиси углерода и водорода будет выделяться углерод.

С3Н6О = СО +2С + 6Н.

Частички углерода, находясь в пламени, накаляются и светятся, поэтому, пламя приобретает яркость. Но образовавшийся углерод при нормальном доступе воздуха успевает окислиться до диоксида углерода (СО2) и сажа (С) при этом не выделяется. Пламя будет яркое, но не коптящее.

При горении октана С8Н18 за счет его разложения в подготовительной зоне по реакции:

С8Н18 = 8С + 18Н

4

образуется настолько много углерода, что кислорода, который путем диффузии поступает в зону горения, не хватает для окисления всего углерода до диоксида углерода (СО2). Поэтому углерод, который не прореагировал в пламени, выделяется в виде сажи. Пламя при горении октана будет ярким и коптящим.

О характере свечения диффузионного пламени можно приблизительно судить по процентному содержанию кислорода и углерода в горючем веществе. Сведения о характере свечения пламени в зависимости от процентного содержания компонентов приведены в таблице:

Пример решения задачи

Определить цвет диффузионного пламени пропионового ангидрида

C6H10O3.

1.Рассчитываем молярную массу горючего вещества µ1:

µ= 6·12 +10 + 16·3 = 130 кг/кмоль.

2.Рассчитываем содержание кислорода и углерода в составе горючего вещества:

содержание О: %O = 3 16130100 =36,9 %.

содержание C: %C = 6 12130100 =55,4 % .

3.Согласно таблице определяем цвет диффузионного пламени: содержание

Оот 25 до 50%, содержание C от 50 до 60%, следовательно пламя яркое без копоти.

СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЯ РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ

Для определения основных параметров процесса горения (объема воздуха, необходимого для полного сгорания вещества, объема продуктов сгорания, температуры горения, максимального давления при взрыве, температурного режима горения и т.п.) необходимо составить уравнение реакции горения, на основе которого решаются задачи по закону сохранения материи и закону сохранения энергии.

1 Атомарные массы химических элементов находятся в таблице Менделеева. Для водорода Н – 1, углерода С – 12, азота N – 14, кислорода О – 16.

5

При горении в теплогенерирующих установках и открытом пламени окислителем выступает кислород воздуха, который и принимает непосредственное участие в процессе окисления горючих компонентов. Но кислород в зону горения поступает не в чистом виде, а вместе с другими компонентами воздуха, самым главным из которых является азот N. Учитывая, что все другие инертные газы содержатся в воздухе в незначительном количестве (не более 1%), их количество объединяют с азотом, и состав воздуха условно принимают таким: азот – 79% объема или 0,77 массы; кислород – 21% и 0,23 соответственно.

Таким образом, при горении на один моль кислорода, принимающего участие в реакции горения, приходится 79:21 = 3,76 молей азота.

Методика составления уравнений реакции горения кое в чем отличается от методики составления уравнений химических реакций. При составлении уравнений реакции горения необходимо учитывать следующие особенности:

1.Уравнение составляется на 1 моль горючего вещества. В отличие от уравнений химических реакций, в уравнении реакции горения могут присутствовать и дробные стехиометрические коэффициенты.

2.Горение в открытом пламени и теплогенерирующих установках протекает в воздушной среде. Состав воздуха записывается в молях как (О2 +

3,76 N2).

3. Считается, что образуются только продукты полного сгорания, при этом воздух поступает в стехиометрическом соотношении. Количество молей воздуха, необходимого для полного сгорания горючего вещества, определяется стехиометрическим коэффициентом β.

В общем виде уравнение реакции горения можно записать как:

Горючее вещество + β (О2 + 3,76 N2) = Продукты сгорания,

где β – стехиометрический коэффициент в уравнении реакции.

4. Исходя из элементного состава горючего вещества, определяют качественный состав продуктов сгорания.

В случае присутствия в горючем веществе:

Галогеноводороды образуются в результате взаимодействия галогенов с атомами водорода, которые входят в состав горючего вещества.

6

C2H4Cl2 + 2,5 (O2 + 3,76 N2) = 2CO2 + H2O + 2HCl + 2,5·3,76N2.

5. Присутствующий в горючем кислород также вступает к реакции окисления подобно кислороду воздуха, при этом количество воздуха, который поступает из окружающей среды, соответственно, уменьшается. Примером может служить горение взрывчатых и пиротехнических веществ, в частности нитроглицерина:

С3Н5(NО3)3 = 3СО2 + 2,5Н2О + 0,25О2 + 1,5N2.

6. Для правильного составления уравнения реакции горения стоит сначала уравнять количество атомов углерода, потом серы, фосфора и кремния, потом уравнивается количество галогенов, после этого – количество водорода. Последним уравнивают количество атомов кислорода и азота в правой и левой части уравнения.

Количество молей воздуха, необходимого для полного сгорания одного моля горючего вещества, определяется стехиометрическим коэффициентом β, который можно рассчитать по формуле:

где C, S, H, Halogen, О, P – количество атомов соответственно углерода, серы, водорода, галогена, кислорода и фосфора в молекуле горючего вещества.

Пример решения задачи

Составить уравнение реакции горения основных классов органических веществ в воздухе.

Углеводороды: горение пропана в воздухе:

C3H8 + 5(O2 + 3,76N2) → 3CO2 + 4H2O + 5·3,76N2;

Кислородсодержащие вещества: горение ацетона в воздухе: C3H6O + 4(O2 + 3,76N2) → 3CO2 + 3H2O + 4·3,76N2;

Азотсодержащие вещества: горение диэтиламина в воздухе: C4H11N + 6,75(O2 + 3,76N2) → 4CO2 + 5,5H2O + 0,5N2 + 6,75·3,76N2;

Серасодержащие вещества: горение тиофена в воздухе: C4H4S + 6(O2 + 3,76N2) → 4CO2 + 2H2O + SO2 + 6·3,76N2;

Фосфорсодержащие вещества: горение фосфористого водорода в воздухе:

РН3 + 2(О2 + 3,76N2) → 0,5Р2О5 + 1,5Н2О + 2·3,76N2;

Галогенсодержащие вещества: горение дихлорэтана в воздухе: C2H4Cl2 + 2,5(O2 + 3,76N2) → 2CO2 + H2O + 2HCl + 2,5·3,76N2;

Горение трихлорэтана в воздухе:

C2H3Cl3 + 2(O2 + 3,76N2) → 2CO2 + 3HCl + 2·3,76N2;

7

Горение хлорбромэтана в воздухе:

C2H4Cl Br + 2,5(O2 +3,76N2) → 2CO2 + HCl + HBr + H2O + 2,5·3,76N2;

Элементоорганические вещества: горение триэтилтиофосфата в воздухе:

С6Н15О3РS + 10,5(О2 + 3,76N2) → 6CO2 + 7,5H2O + 0,5P2O5 + SO2 +10,5·3,76N2;

Горение фосфамида в воздухе:

С5Н12О2РS2N + 10,25(О2 + 3,76N2) →

→ 5CO2 + 6H2O + 0,5P2O5 +2SO2 + 0,5N2 + +10,25·3,76N2.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ВЕЩЕСТВА В ПРОЦЕССЕ ГОРЕНИЯ

При рассмотрении разных аспектов процесса горения важную роль играет материальный баланс между исходными веществами реакции горения и продуктами, образующимися в результате этой реакции. Это позволяет расчетным путем определить количество воздуха, необходимого для горения, объем и состав продуктов полного сгорания, температуру горения и другие параметры, которые будут определять характер процесса горения в тех или других условиях.

Горючая смесь, состав которой отвечает уравнению реакции горения, называется смесью стехиометрического состава. В таких смесях обеспечивается наиболее полное выгорание топлива, а значит максимально быстрое распространение фронта пламени и наивысшая температура горения. Поэтому в практической деятельности необходимо уметь рассчитывать условия, при которых данное горючее будет образовывать с воздухом наиболее энергетически выгодную систему. Концентрация горючего, которое отвечает стехиометрической смеси, называется стехиометрической.

Для определения объемной стехиометрической концентрации горючего вещества используют расчетные формулы:

где µ – молярная масса вещества, кг/кмоль; Vµ – молярный объем газа при данной температуре м3/кмоль.

8

Пример решения задачи

Определить объемную и массовую стехиометрическую концентрацию диоксина в смеси с воздухом при температуре окружающей среды 30ºC, давлении воздуха 105,0 кПа.

1. Составляем уравнение реакции горения.

C4H8O2+ 5 (O2+3,76 N2) = 4CO2 + 4H2O + 5 3,76 N2,

таким образом, β = 5.

2. Рассчитываем объемную стехиометрическую концентрацию горючего вещества в смеси с воздухом:

ϕ0стм = 1 +1004,76 5 = 4,03 %

3. Рассчитываем молярную массу горючего µ и молярный объем газа при данных условиях Vµ:

µ = 4·12 + 8 + 16·2 = 88 кг/кмоль.

4. Рассчитываем массовую стехиометрическую концентрацию горючего вещества в смеси с воздухом:

ϕ′стм = 4,03 10 88 =140,84 , г/м3. 23,98

Вывод: концентрацией диоксина, обеспечивающей его максимально полное выгорание в смеси с воздухом, является 4,03% или 140,8 г/м3.

Расчет баланса материи в процессе горения

Расчет баланса материи в процессе горения заключается в определении объема воздуха, необходимого для полного сгорания горючего, и объема продуктов сгорания, которые при этом образуются. Различают удельное и полное, теоретическое и действительное количество воздуха, которое расходуется на сгорания горючего.

Удельное количество воздуха – количество воздуха, которое необходимо для сгорания единицы количества горючего (1моль, 1 м3, 1 кг). Полное количество воздуха – количество воздуха, которое необходимо для сгорания определенного количества горючего. Теоретическое количество воздуха – минимальное количество воздуха, которое необходимо для полного сгорания горючего. Действительное количество воздуха – количество воздуха, ко-

торое поступает для горения горючего при данных условиях.

Минимальный объем воздуха, который необходим для полного сгорания единицыколичествагорючеговещества(1 моль, 1 м3, 1 кг), называетсяудельным

9

теоретическим объемом воздуха и обозначается vв0 . В действительности объем

воздуха, поступающий в зону горения, отличается от теоретического объема. Такой объем воздуха, приходящийся на единицу количества горючего вещества, называется удельным действительным объемом и обозначается vв. Разница между количеством воздуха, идущим на горение и теоретически необходимым называется избытком воздуха. Для характеристики степени обеспеченности воздухом используют понятие коэффициента избытка воздуха или коэффициента избытка окислителя (α), который показывает, во сколько раз количество воздуха, действительно поступающего в зону горения, отличается от теоретически необходимогоколичества воздухадляполногосгораниягорючего.

α= vв0 , vв

где vв0 – удельный теоретический объем воздуха, необходимый для полного

сгорания горючего вещества, м3/кг; vв – удельный действительный объем воздуха, поступающий в зону реакции и при горении горючего, м3/кг.

Следовательно, действительный удельный объем воздуха равняется: vв = vв0 α.

Часть воздуха, которая не расходуется на горение – избыток воздуха, переходит в продукты сгорания:

∆vв = vв – vв0 = vв0 (α – 1).

Продукты сгорания – это газообразные, твердые и жидкие вещества, образующиеся при взаимодействии окислителя с горючим в процессе горения. Состав продуктов сгорания зависит от состава горючего и условий протекания реакции горения. К продуктам сгорания переходят и нейтральные примеси, которые находились в исходной смеси, и часть горючего или окислителя, не принимавшего участия в реакции. В целом продукты сгорания образуют систему, называемую дымом.

Дымом называется дисперсная система, состоящая из твердых и жидких частей (дисперсной фазы), взвешенных (зависших) в газовой дисперсионной среде.

Расчет баланса материи в процессе горения зависит от состава и агрегатного состояния горючего вещества.

Теоретическое число молей воздуха и продуктов сгорания при горении одного моля горючего, можно определить из уравнения реакции горения.

Для индивидуальных веществ уравнение реакции горения имеет вид: 1 ГР + β (О2 + 3,76 N2) = Σni ПСi.

Удельное теоретическое число молей воздуха, необходимое для полного сгорания одного моля вещества, можно определить как:

10