Объем и состав продуктов полного сгорания

Знание количества и состава продуктов горения позволяет вычислять такие характеристики процесса горения, как температуру горения, температуру взрыва и давление при взрыве. Продукты горения могут быть влажными и сухими. Во влажных продуктах объем водяных паров учитывается, а в сухих — нет. Объем продуктов горения выражается в метрах кубических на килограмм (м³/кг) или на метр кубический (м³/м³) горючего вещества, а состав — в объемных процентах.

Состав продуктов горения зависит от химической природы горючего материала и условий его горения. Практически всегда органические вещества горят с образованием продуктов полного и неполного горения.

К продуктам полного сгорания относятся: углекислый газ, образующийся при горении углерода, разложении карбонатов; водяной пар, образующийся при горении водорода и испарении влаги в исходном веществе; оксид серы (IV) SO₂ и азот — продукты горения соединений, содержащих серу и азот.

Продукты неполного сгорания — это оксид углерода (II) — угарный газ СО, сажа С, продукты термоокислительного разложения — смолы.

Неорганические вещества сгорают, как правило, до соответствующих оксидов.

Выход продуктов неполного горения количественно установить невозможно из-за чрезвычайной сложности их состава, поэтому материальный баланс процесса горения рассчитывается из предположения, что вещество сгорает полностью до конечных продуктов. При этом в состав продуктов горения включают также азот воздуха, израсходованного на горение, и избыток воздуха при > 1.

Как и в случае расчета объема воздуха, необходимого для горения, свои особенности имеет расчет продуктов горения для индивидуальных веществ, смеси газов и веществ с известным элементным составом.

В случае, когда горючее — индивидуальное химическое соединение, расчет объема продуктов горения ведется по уравнению реакции горения:

м³

где:

V_пг — объем продуктов горения;

— общее число кмолей продуктов горения, которые выделяются при сгорании одного кмоля горючего вещества:

= n₁(СО₂) +n₂(Н₂O) +n₃(SO₂) +n₄(HCl) + n₅(N₂) +.;

m — масса горючего вещества, кг;

V_M — объем кмоля продуктов горения;

М — молярная масса горючего вещества, кг/м³.

Если горение протекает с избытком воздуха, то при расчете общего числа кмолей продуктов горения учитывается избыточное число кмолей кислорода и азота:

⁼ (-1) — число кмолей кислорода в избытке вздуха (остаточного кислорода);

= 3,76· (-1) — число кмолей азота в избытке воздуха.

Процентный состав продуктов горения рассчитывается, исходя из общего числа кмолей продуктов горения. Общее число кмолей продуктов горения.

(= n₁CO₂) + n₂(H₂O) + n₃(SO₂) + n₄(НСl) + n₅(N₂) + +).

принимается за 100% и вычисляется процентное содержание каждого компонента продуктов горения.

ц (СО₂) = n₁(СО₂)· 100/?n_i; %; ц (Н₂О) = n₂(H₂O) · 100/?n_i; %;

ц (SО₂) = n₃(SО₂)· 100/?n_i; %; ц (НСl) = n₄(HCl) · 100/?n_i; %;

ц (N₂) = [n₅ (N₂)+Дn_азота]· 100/?n_i; % ;

ц (O₂) = Дn_кисл · 100/?n_i; % .

Если требуется рассчитать объем отдельного компонента продуктов горения, выделившегося при сгорании данного весового количества вещества, то такой расчет ведут по формуле:

; м³ ;

Задача 4.

Условие: Определить объем и состав в объемных % продуктов горения, образовавшихся при сгорании 1 кг толуола С₇Н₈. Начальная температура окружающей среды 20⁰С, давление 780 мм рт.ст., коэффициент избытка воздуха = 4,5, температура горения 1500 °C.

1. Записываем уравнение реакции горения С₇Н₈ + 9(О₂ + 3,76N₂) = 7СО₂ + 4Н₂О + 93,76N₂

2. По уравнению реакции горения определяем количество каждого из продуктов сгорания:

Поскольку в рассматриваемом случае горение протекает с избытоком воздуха (), необходимо учесть остаточный кислород в продуктах сгорания и азот в избытке воздуха:

Таким образом, практический состав продуктов сгорания следующий:

4. Определяем процентный состав продуктов горения:

Производим проверку:4,2+2,4+91,6+2,8=100%.

Поскольку известно, что 1 киломоль любого газа или пара при одинаковых условиях занимает одинаковый объем, то найденные концентрации также будут являться и объемными концентрациями продуктов сгорания.

5. Определяем общее количество продуктов сгорания при сжигании 1 кг горючего, для этого составляем пропорцию:

Отсюда:

6. При определения общего объема продуктов сгорания, примем, что нагретые до высокой температуры продукты сгорания отдают свою теплоту в окружающее пространство и строительным конструкциям, поэтому температуру продуктов сгорания принимаем 20 °C (см. условие задачи).

Рассчитаем, какой объем занимает 1 кмоль газообразных веществ при заданных температуре и давлении.

м³/кмоль Объем продуктов сгорания составит:

ОТВЕТ:

При сжигании 1 кг толуола при заданных условиях выделяется 42,12 м³ продуктов сгорания, из них: СО₂ — 4,2%; Н₂О — 2,4%; N₂ — 91,6%; О₂ — 4,8%.

Расчет по элементному составу вещества В этом случае теоретический выход продуктов горения определяется как сумма продуктов горения каждого элемента, входящего в состав вещества.

Рассчитаем, сколько киломолей и какой теоретический объем продуктов горения образуется при сгорании 1 кг каждого элемента при нормальных условиях.

Для углерода:

1 кг n₁, х₁ м³ n₂, х₂ м³

С + (О₂ + 3,76N₂) = СО₂ + 3,76N₂

М=12 кг/кмоль 1кмоль;22,4 м³ 3,76кмоль; 3,7622,4 м³

V (СО₂) = х₁ = = 1,87 м³

V (N₂) = х₂ = = 7,0 м³

Для водорода:

1 кг n₁, х₁ м³ n₂, х₂ м³

Н + 0,25(О₂ + 3,76N₂) = 0,5Н₂О + 0,253,76N₂

М=1 кг/кмоль 0,5кмоль; 0,522,4 м³ 0,25· 3,76 кмоль; 0,253,7622,4 м³

V (Н₂О) = х₁ = = 11,2 м³

V (N₂) = х₂ = = 21,0 м³

Для серы:

• 1 кг n₁, х₁ м³ n₂, х₂ м³
• S + (О₂ + 3,76N₂) = SО₂ + 3,76N₂

М=32 кг/моль 1кмоль;22,4 м³ 3,76 кмоль;3,7622,4 м³

V (SО₂) = х₁ = = 0,7 м³

V (N₂) = х₂ = = 2,63 м³

Для фосфора:

1 кг n₁, х₁ м³ n₂, х₂ м³

Р + 1,25(О₂ + 3,76N₂) = 0,5Р₂О₅ + 1,253,76N₂

31 кг 0,5кмоль; 0,522,4 м³ 1,25· 3,76кмоль; 1,253,7622,4 м³

V (Р₂О₅) = х₁ = = 0,36 м³

V (N₂) = х₂ = = 3,4 м³

В состав горючего вещества может входить азот, влага, которые удаляются вместе с продуктами горения.

Объем 1 кг азота при нормальных условиях составит:

V (N₂) = = 0,8 м³

При нормальных условиях 1 кг паров воды займет объем:

V (Н₂О) = = 1,24 м³

Если в состав горючего вещества входит кислород, то при горении он будет расходоваться на окисление горючих компонентов (углерода, водорода, серы, фосфора) и, поэтому из воздуха на горение будет израсходовано кислорода меньше на количество, которое содержалось в горючем веществе. Следовательно, в продуктах горения и азота будет меньше на количество, которое приходилось бы на кислород, если бы он находился не в горючем веществе, а в воздухе.

На 1 кг кислорода в воздухе будет приходиться объем азота, равный.

V (N₂) = = 2,63 м³

Используя данные можно определить количество и состав продуктов горения, а так же вычислить объем продуктов горения любого вещества с известным элементным составом при нормальных условиях.

Пусть ©, (Н), (S), (О), (N) — - массовые доли элементов в веществе, %; (W) — содержание влаги в веществе, %.

Тогда общие формулы для расчета каждого компонента продуктов горения при сгорании заданной массы (m) вещества будут иметь следующий вид:

Углекислый газ:

(10).

V (СО₂) = m, м³ (11).

Вода:

m, кмоль (12).

V (H₂O) = m, м³ (13).

Оксид серы:

(14).

V (SО₂) = m, м³ (15).

Азот:

m (16).

V (N₂) = m, м³ (17).

В случае, когда горение происходит при избытке воздуха, т. е. коэффициент избытка воздуха, при расчетах необходимо учесть остаточное содержание кислорода и азот в избытке воздуха:

В случае, если условия окружающей среды, по условиям задачи, отличаются от нормальных, полученный объем следует привести к заданным условиям.

Далее задача решается аналогично как для индивидуального химического вещества.

Задача 5.

Условие: Представить толуол С₇Н₈ как вещество сложного элементного состава. Определить объем и состав в объемных % продуктов горения, образовавшихся при сгорании 1 кг этого вещества. Начальная температура окружающей среды 20⁰С, давление 780 мм рт. ст, коэффициент избытка воздуха = 4,5.

Решение:

1. Вычислим массовые доли элементов в веществе:

Молярная масса бутанола составляет М (С₇Н₈) = 127 + 8 = 92 кг/кмоль.

© = = 91,3%;

(Н) = = 8,7%;

2. Условия отличаются от нормальных, следовательно, необходимо определить, какой объем будет занимать 1 кмоль любого газообразного вещества при данных условиях (расчет VМ).

Для заданных в задаче условий:

V_М = = 23,4 м³/кмоль.

3. Вычислим число киломолей каждого компонента продуктов горения.

= 0,075 кмоль.

= 0,043 кмоль.

= 0,361 кмоль В состав продуктов горения входит избыточный воздух.

= 0,0119 (4,5 — 1) =1,629 кмоль.

n (ПГ) = 0,075 + 0,043 + 0,361 + 1,629 = 2,108 кмоль.

4. Суммарный объем продуктов горения составит:

V (ПГ) = n (ПГ) V_М = 2,108 23,4 = 49,3 м³

5. Процентный состав продуктов горения.

(СО₂) = = 3,5%;

(Н₂О) = = 2%;

(N₂) = = 17,2%;

(возд) = = 77,3%.

Ответ: объем продуктов горения толуола при заданных условиях составляет 49,3 м³/кг; объемные доли продуктов горения составляют:

(СО₂) = 3,5%; (Н₂О) = 2%; (N₂) 17,2%; (возд) = 77,3%.