Практична робота №3

Тема: Матеріальний баланс процесів горіння.

Мета: ознайомити студентів із рівняннями матеріального балансу та розрахунками об’єму првітря, необхідного для горіння, і об’єм продуктів горіння.

 

3.1. Рівняння матеріального балансу

При горінні речовин в повітрі відбувається швидка хімічна реакція між горючою речовиною і киснем повітря з інтенсивним тепловиділенням. В результаті цієї реакції утворюються переважно оксиди елементів, що входять до складу горючої речовини. При згоранні вуглеводнів, що складаються з С і Н, утворюються СО₂ (карбон діоксид) і Н₂О (вода). При неповному згорянні поряд з ними утворюються СО (карбон оксид) і С(тверд) (вуглець) у вигляді сажі. При написанні рівнянь горіння і складанні матеріального балансу, як правило, записують лише продукти повного окислення СО₂ і Н₂О. Якщо до складу горючої речовини входить сульфур, то при згорянні утворюється SО₂. Нітроген(N), що входить до складу горючої речовини, при горінні в повітрі не окислюється, а виділяється у вигляді вільного азоту (N₂). Це пояснюється тим, що при горінні в повітрі температура горіння відносно невисока (1500-2000 К) і при такій температурі оксиди азоту не утворюються.

Приклади реакцій горіння:

горіння  пропану С₃Н₈ + О₂ → СО₂ + Н₂О

горіння ацетону С₃Н₆О + О₂ → СО₂ + Н₂О

горіння сірковуглецю СS₂ + О₂ → СО₂ + SО₂

горіння сірководню Н₂S + О₂ → Н₂О + SО₂

горіння аміаку NН₃ + О₂ → N₂ + Н₂О

 

Згідно закону збереження маси кількість атомів кожного елемента в лівій і правій частині рівняння повинно бути однаковим. Для того, щоб урівняти обидві частини рівняння, рекомендується спочатку розставити  коефіцієнти перед оксидами в правій частині для того, щоб урівняти число атомів елементів горючої речовини (С, Н, S, N …). Потім, підрахувавши кількість атомів оксигену в правій частині рівняння, ставлять коефіцієнт перед оксигеном в лівій частині рівняння. При цьому слід враховувати оксиген, який може входити до складу горючої речовини (наприклад, як це має місце в ацетоні С₃Н₆О чи етиловому спирті С₂Н₅ОН).

З врахуванням вище сказаного, напишемо рівняння реакцій горіння вищенаведених речовин:

С₃Н₈ + 5О₂ → 3СО₂ + 4Н₂О

С₃Н₆О + 4О₂  = 3СО₂ + 3Н₂О

СS₂ + 3О₂ = СО₂ + 2SО₂

Н₂S + 1,5О₂ = Н₂О + SО₂

NН₃ + 0,75О₂ = 0,5N₂ + 1,5Н₂О

Слід пам’ятати, що записані рівняння хімічних реакцій горіння є брутто-рівняннями, які показують лише початковий і кінцевий стан системи, тобто, які вихідні речовини вступають у реакцію і які продукти при цьому утворюються. Вони не відображають механізму хімічної взаємодії при горінні, який досить складний і протікає через ряд проміжних стадій за участю атомів і радикалів.

Рівняння матеріального балансу процесу горіння відрізняється від рівняння хімічної реакції тим, що в нього для зручності розрахунків включають азот, що міститься у повітрі і не бере участі в хімічному перетворенні. Оскільки повітря складається з 21 % (об.) кисню і 79 % (об.) азоту, тобто в ньому на 1 моль кисню приходиться 79/21 = 3,76 молів, в рівнянні матеріального балансу перед азотом ставлять коефіцієнт 3,76. Наприклад, рівняння матеріального балансу для горіння пропану буде наступним:

С₃Н₈ + 5О₂ + 5∙3,76N₂ = 3СО₂ + 4Н₂О + 5∙3,76N₂.

Коефіцієнт, який записують перед О₂  (в даному випадку 5) необхідно повторити і перед N₂, так як азот і кисень в повітрі нероздільні.

 

3.2.Об’єм повітря, необхідний для горіння, і об’єм продуктів горіння

Рівняння матеріального балансу дозволяє розрахувати кількість повітря, необхідного для горіння будь-якої горючої речовини і кількість утворених продуктів горіння.

Мінімальна кількість повітря, необхідного для повного згоряння одиниці кількості (кг, кмоль, м³)горючої речовини, називається теоретичною кількістю повітря V_п⁰.

Розглянемо для прикладу матеріальний баланс процесу горіння бензолу в повітрі:

C₆H₆ + 7,5O₂ + 7,5×3,76N₂ = 6CO₂ + 3H₂O + 28,2N₂.

З цього рівняння видно, що для повного згоряння 1 кмоля бензолу необхідно (7,5 + 7,5×3,76) кмолів  повітря, яке складається з 7,5 кмолів O₂ і 7,5×3,76 кмолів N₂, який не бере участі у горінні. При згорянні 1кмоля бензолу утворюються 6 кмолів СО₂, 3 кмоля H₂O і залишається 7,5×3,76 = 28,2 кмоля N₂, який не брав участі у хімічному перетворенні.

В загальному вигляді формула для розрахунку кількості повітря:

V_п⁰=nО₂ +nN₂/n_г                                                                                (3.1)

де nО₂, nN₂, n_г – число кмолів кисню, азоту і горючої речовини в рівнянні матеріального балансу, кмоль.

А для розрахунку об’ємів продуктів горіння:

V_СО2=n_СО2/ n_г;     V_н2о=n_н2о/ n_г;   V_N2^о=n _N2/ n_г;                (3.2)

 

де nCO₂ , nH₂O , nN₂ – кількість кіломолів речовин  у правій частині рівняння матеріального балансу; V_N2^о – об’єм азоту з повітря, що брав участь у горінні, кмоль/кмоль.

Загальний об’єм продуктів горіння визначається за формулою:

V_пг^о= V_СО2+ V_н2о+ V_N2^о

Горюча газоповітряна суміш,  що відповідає рівнянню матеріального балансу називається стехіометричною. В такій суміші немає нічого зайвого, горюча речовина і окисник знаходяться в пропорції, що забезпечує повне її згоряння.

Для вищенаведеного прикладу стехіометрична суміш складається з 1 об’єму бензолу (парів у газоподібному стані), 7,5 об’ємів кисню та 7,5×3,76 об’ємів азоту. При спалюванні такої суміші в продуктах горіння буде лише СО₂, Н₂О і N₂ в об’ємах, що відповідають правій частині рівняння.

При горінні витрата повітря може відрізнятися від теоретично необхідної. Відношення кількості повітря, що брала участь в горінні до теоретично необхідної, називається коефіцієнтом надлишку повітря.

Фактична витрата повітря на одиницю горючої речовини записується як V_п= =aV_п⁰.  Різниця між фактичною і теоретично необхідною кількістю повітря називається надлишком повітря.

DV_п = V_п - V_п⁰    або   DV_п= V_п⁰(a-1)                                 (3.3)

Для стехіометричної суміші  α = 1 і ∆V_п =0.

Якщо горіння відбувається з надлишком повітря (α > 1), то азоту в продуктах горіння буде більше (додається азот з надлишку повітря):

V_N2 = V_N2^о+0,79 DV_п                                                                       (3.4)

і в продуктах горіння з’явиться кисень:

V_О2=0,21 DV_п                                                                                        (3.5)

В цьому випадку повний об’єм продуктів горіння:

V_пг= V_пг^о+DV_п           або V_пг = V_СО2 + V_н2о+ V_N2 + V_О2                     (3.6)

Для газоподібних горючих речовин розрахунок об’ємів повітря і продуктів горіння найчастіше проводять у в м³/м³. Так як 1 кмоль будь-якого газу в одинакових умовах займає один і той же об’єм (при нормальних умовах 22,4 м³), то об’єм, розрахований в м³/м³, чисельно буде таким самим,  як і в кмоль/кмоль.

Якщо горюча речовина знаходиться в конденсованому стані (рідкому чи твердому), то, як правило, розрахунки об’ємів повітря та продуктів горіння проводять в м³/кг. Для цього кмоль повітря чи продуктів горіння переводять в м³, множать на об’єм одного кмоля газу (22,4 м³/кмоль), а кмоль горючої речовини переводять в кг, перемножуючи  на масу одного кімоля горючої речовини (М_г, кг/кмоль). Наприклад, при згорянні 1 кг гептана

С₇Н₁₆ + 11O₂ + 11×3,76N₂ = 7CO₂ + 8H₂O + 11×3,76N₂  

необхідно повітря

V_п⁰=( nО₂+nN₂)×22,4/ М_г n_г = (11+11×3,76) 22,4/100×1=11,7 м³/кг

утвориться  V_СО2= n_СО2×22,4/ М_г n_г =7×22,4/100×1=1,57 м³/кг

і далі за хімічним рівнянням.

Приклад 1. Визначити, яка кількість повітря необхідна для згоряння 1м³ пропану і яка кількість продуктів горіння при цьому утвориться. Згоряння відбувається при α = 1 (стехіометрична суміш, температуру і тиск вважати нормальними).

Розв’язання. Запишемо рівняння матеріального балансу горіння пропану:

C₃H₈ + 5O₂ + 5×3,76N₂ = 3CO₂ + 4H₂O + 5×3,76N₂.

Об’єм повітря, необхідний для горіння:

V_п⁰=nО₂+nN₂/ n_г =5+5×3,76/1=23,8 кмоль/кмоль чи м³/м³.

Об’єм продуктів горіння

V_СО2= n_СО2/ n_г=3/1=3 кмоль/кмоль чи м³/м³.

V_н2о=n_н2о/ n_г=4/1 кмоль/кмоль чи м³/м³.

V_N2^о=n _N2/ n_г=5×3,76/1=18,8 кмоль/кмоль чи м³/м³.

так як α = 1, надлишок повітря ∆V_п= 0,тоді повний об’єм продуктів горіння

V_СО2+ V_н2о+ V_N2^о = 3 + 4 +18,8 = 25,8 кмоль/кмоль чи м³/м³.

Таким чином, для згоряння 1 м³ пропану необхідно 23,8 м³ повітря, об’єм продуктів горіння при цьому складе 25,8 м³ (при н.у.).

Приклад 2. Визначити об’єми повітря та продуктів горіння при нормальних умовах, якщо при пожежі на складі згоріло 1000 кг ацетону, горіння протікало при  a= 2.

Розв’язання. Запишемо рівняння матеріального балансу горіння ацетону в повітрі:

C₃H₆O + 4O₂ + 4×3,76N₂ = 3CO₂ + 3H₂O + 4×3,76N₂.

Об’єм повітря, необхідного для згоряння1 кг ацетону

V_п⁰=( nО₂+nN₂)×22,4/ М_г n_г

враховуючи, що маса одного кіломоля ацетону складає 58 кг/моль, отримаємо

V_п⁰=(4+4×3,76) 22,4/58×1=7,4 м³/кг.

Фактичний об’єм повітря з урахуванням коефіцієнту надлишку повітря a= 2.

V_п= =aV_п⁰.  = 2 × 7,4 =14,8 м³/кг,

а надлишок повітря

DV_п = V_п - V_п⁰ =V_п⁰(a-1)=7,4 (2-1)= 7,4 м³/кг.

Об’єм продуктів горіння

V_пг^о= (n_СО2+ n_н2о+ n_N2 )×22,4/ М_г n_г=(3+3+4×3,76) 22,4/58×1=8,1 м³/кг.

З врахуванням надлишку повітря повний об’єм продуктів горіння

V_пг = V_пг^о +DV_п = 8,1+ 7,4 =15,5 м³ / кг.

При згорянні 1000 кг ацетону об’єм повітря за нормальних умов складе 14,8 м³/кг ×1000 кг = 14 800 м³, а об’єм продуктів горіння

15,5 м³/кг×1000 кг = 15 500 м³.

Примітка. Якщо в процесі горіння будуть задані інші значення температури та тиску то об’єм продуктів і повітря розраховується з урахуванням об’єму, який займає 1 кмоль газу при цих умовах:

V=22,4×P₀×T/ T₀×P

де P₀ = 101,3 кПа; T₀ = 273,15 К; T і P – задані температура і тиск.