I. 1. Составить эквивалентную формулу и на ее основе – уравнение горения топливной смеси.

Топливо: метан CH₄, Окислитель: азотная кислота О₂

CH₄O₂ → CO₂+ H₂O

2. Определить кислородный баланс окислителя.

Горение топливной смеси, состоящей из ацетилена C₂H₂ и кислорода НNO_{3 (ж)}, протекает по уравнению:

CH₄+xO₂ →CO₂+ (1+x/2)H₂O

Принимаем за x - число молей кислорода, израсходованного на окисление одного моля метана; ставим коэффициент перед молекулой углекислого газа; стехиометрические коэффициенты перед молекулами воды ставятся с учетом содержания атомов водорода в молекуле метана.

Для расчета коэффициента x необходимо составить уравнение баланса кислорода: 2x =2+(1+x/2) откуда x=2.

С учетом величины x уравнения реакции горения запишется в виде

CH₄+2O₂ →CO₂+ 2H₂O

3. Рассчитать стехиометрический состав химического топлива в процентах, в мольных долях, в эквивалентных (массовых) долях.

Процентный состав топливной смеси:

a_CH4% =M _CH4/(M _CH4 + 2M_O2)*100= 16/ (16+2*32)*100= 20%

a_O2%= 2M _O2/(M_CH4 + 2M _O2)*100= 2*32/(16+2*32)*100=80%

где M_CH4=16 г/моль (Молярная масса метана);

M_O2= 32 г/моль (Молярная масса кислорода).

Мольные доли компонентов:

X_CH4=n _CH4/(n _CH4 + n _O2)= 1/(1+2)=0,33;

X_O2=n _O2/(n _CH4 + n _O2)= 2/(1+2)=0,66.

где n_CH4 – количество моль метана;

n _O2– количество моль кислорода.

Массовые доли элементов:

g_c =A(C) *2/(M_CH4 + 2M _O2)=12/(16+2*32)=0,15

g_Н=A(H)*2*4/(M_CH4 + 2M _O2)=4/(16+2*32)=0,05

g_o=A(O)*( 2*2)/(M_CH4 + 2M _O2)=16*4/(16+2*32)=0,8

4.Определить стехиометрический коэффициент топлива.

Стехиометрический коэффициент определяется по формуле:

k=М_окис*n_окис/М_топл= М _O2*n _O2/М_CH4 =32*2/16=4

5. Определить плотность топливной смеси.

Зная плотность каждого компонента топливной смеси (d_i) можно определить плотность топливной смеси:

d=(n₁M₁+n₂M₂ + ...+n_iM_i)/(n₁M₁/d₁ +n₂M₂/d₂ + ...+n_iM_i/d_i)

d _O2 = 1,426 г/см³

d_CH4=0,436 г/см³

d=(n _O2M _O2+n _CH4M _CH4)/(n _O2M _O2/d _O2+n _CH4M _CH4/d _CH4)=

=(2*32+1*16)/(2*32/ 1,426+1*16/0,436)=0,98 (г/см²)

6. Рассчитать высшую и низшую теплотворность химического топлива по тепловому эффекту процесса горения.

ΔH⁰_{обр CO2}= -393,51 кДж/моль

ΔH⁰_{обр H2O}=-285,84 кДж/моль

ΔH⁰_{обр CH4}= -74,84 кДж/моль

ΔH⁰_{обр O2}= 0 кДж/моль

ΔH⁰_{обр N2}= 0 кДж/моль

ΔH⁰_{исп CH4}= 8,178 кДж/моль

ΔH⁰_{исп O2}= 6,828 кДж/моль

Для реакции

CH₄+2O₂ →CO₂+ 2H₂O

_Qв=(ΔH⁰_{обр CO2}+2*ΔH⁰_{обр H2O}-1*ΔH⁰_{обр CH4} - 2*ΔH⁰_{обр O2})*10³/(1*M_CH4 +2*M _O2)= (2*(-393,51)+2*(-285,84)-1*(-74,84)-2*0)*10³/ (1*16+2*32)= -16048,25 кДж

_Qн=(ΔH⁰_{обр CO2}+2*ΔH⁰_{обр H2O}-1*ΔH⁰_{обр CH4} +1* ΔH⁰_{исп CH4} -2*ΔH⁰_обрO2+ +2*ΔH⁰_{исп O2})*10³/(1*M _CH4 +2*M _O2)=(2*(-393,51)+2*(-285,84)-1*(-74,84)+1*8,178- -2*0+2*6,828)*10³/ (1*16+2*32)= -15775,325 Дж

7.Рассчитать количество воздуха, необходимого для полного сгорания обычного топлива.

Требуется определить объем воздуха, необходимого для сжигания 1 кг метана при 20^оС и давлении 750 мм. рт. ст. при полном сгорании метана по реакции

CH₄+2O₂ →CO₂+ 2H₂O

8. Определить объем продуктов горения 1 кг обычного топлива.

Реакция горения обычного топлива проходит по реакции:

CH₄+2O₂ →CO₂+ 2H₂O

Один моль метана равен 16*10³ кг, отсюда 1 кг метана равен 0,0000625 молям.

При сгорании 1 моль метана выделяется 1 моль углекислого газа, 2 моль воды, при сгорании 0,0000625 моль метана выделяется соответственно 0,0000625 моль углекислого газа, 0,000125 моль воды. Для газообразных веществ 1 моль соответствует 22,4 л, отсюда следует

V_{(продуктов реакции)} =22,4*(0,0000625+0,000135)=0,042 (л).