1. Основные химические реакции процесса горения. Теплота сгорания

^ 2. Температура горения Выделяющееся в зоне горения тепло передается продуктам сгорания, которые нагреваются до высокой температуры. Продуктами сгорания называют газообразные, жидкие и твердые вещества, образующиеся в результате соединения горючего вещества с кислородом воздуха в процессе горения. При пожарах чаще всего горят органические вещества (древесина, ткани, бензин, нефть, резина и др.), в состав которых входят главным образом углерод, водород, азот, кислород, сера. При их полном сгорании образуются СО2, Н2О, N2, SO2, при неполном (при недостатке кислорода воздуха), - кроме продуктов полного сгорания, образуются СО и С. Реже при пожарах горят неорганические вещества, такие как фосфор, натрий, калий, кальций и др. Продуктами их сгорания, как правило, являются твердые вещества, например, Р2О5 , СаО , Na2O2. Образуются они в дисперсном состоянии, поэтому поднимаются в воздух в виде плотного дыма. Дым – дисперсная система, состоящая из мельчайших твердых частиц, взвешенных в смеси продуктов сгорания с воздухом. Диаметр частиц дыма колеблется от 1 до 0,01 мкм. Продукты сгорания называют влажными, если при расчёте их состава учитывают пары воды, и сухими, если содержание паров воды не учитывается. Различают калориметрическую, теоретическую и действительную температуры горения. Под калориметрической температурой горения понимают ту температуру, до которой нагреваются продукты сгорания при следующих условиях: происходит полное сгорание; всё выделяющееся при горении тепло расходуется на нагревание продуктов сгорания (потери тепла равны нулю); начальные температуры горючего вещества и воздуха равны 0оС. Теоретическая температура в отличие от калориметрической характеризует горение с учётом эндотермического процесса диссоциации продуктов сгорания при высокой температуре. Диссоциацию продуктов сгорания учитывают при t>17000. Действительная температура горения характеризует условия реальных пожаров. При пожарах не вся теплота, выделяющаяся при горении, расходуется на нагревание продуктов сгорания. Значительная её часть затрачивается на подготовку горючих веществ к горению, нагрев окружающего воздуха и ограждающих конструкций. Действительная температура горения ниже калориметрической. При определении калориметрической температуры горения можно воспользоваться рекомендациями [6]. Принимается, что энергия ^ Qт, необходимая для нагревания продуктов сгорания от 0оС до калориметрической температуры, равна низшей температуре сгорания Qн , (2.19) где Vпi - объём i-го продукта сгорания,; -средняя объёмная теплоёмкость i-го продукта сгорания при постоянном давлении и изменении температуры от 0оС до tг, ; tг-температура горения, оС. Величину Qт называют теплосодержанием продуктов сгорания. Если горючее вещество задано формулой , объём продуктов сгорания, определяемых по уравнению (1.34) , можно найти по соотношениям: ; ; , (2.20) где ,,- объём углекислого газа, паров воды, азота,; , , - число киломолей углекислого газа, паров воды, азота в уравнении реакции горения; ^ М- масса горючего вещества, численно равная молекулярной массе, кг. Пусть горючее вещество – сложное химическое соединение. Если известен его элементный состав, то состав и количество продуктов сгорания 1кг данного вещества можно определить по уравнениям реакции горения определенных элементов. Реакции горения углерода, водорода, серы имеют вид: С+О2+N2=CО2+N2+Qсг Н2+О2+·3,76N2=Н2О + 1,88 N2+Qсг (2.21) S+О2+N2=SO2+N+Qсг При сгорании 1кг углерода получается м3 СО2 и 22,4·3,76/12=7,0м3 N2; при сгорании 1кг серы образуется 0,7 м3 SO2 и 2,63м3 N2; при сгорании 1 кг водорода образуется 11,2 м3 H2O (паров воды) и 21 м3 N2. В состав горючего вещества могут входить азот и влага, которые в процессе горения переходят в продукты сгорания. Для их учёта необходимо знать объём 1кг азота и 1кг паров воды при нормальных условиях, а именно 0,8 м3 N2 и 1,24 м3 Н2О. Если в состав горючего вещества входит кислород, который также участвует в горении, то воздуха на горение расходуется соответственно меньше. Следует отметить, что в воздухе при 0оС и давлении 101,3 кПа на 1кг кислорода приходится м3 азота. С учётом приведенных данных определяют состав и объём продуктов сгорания 1кг горючего вещества. В качестве примера в табл.10 приведены результаты расчёта состава и объёма продуктов сгорания при сгорании 1кг каменного угля, в состав которого входят: углерод - 75,8%, водород - 3,8%, кислород - 2,8%, азот - 1,1%, сера - 2,5%, влага - 3%, зола - 11% [6]. ^ Продукты сгорания при горении каменного угля Элементный состав горючего вещества Продукты сгорания, СО2 Н2О SO2 N2 Углерод 1,86·0,758=1,4 - - 7·0,758=5,306 Водород - 11,2·0,038=0,425 - 21·0,038=0,798 Сера - - 0,7·0,25=0,017 2,63·0,025=0,658 Азот - - - 0,8·0,011=0,009 Влага - - - Итого: 1,4 0,462 0,017 6,771-0,074= =6,697 Примечание: Из общего объёма N2 вычитается объём N2 , приходящийся на кислород в составе каменного угля м3. Объём всех продуктов составит: м3. Для определения температуры горения нужно также знать теплоёмкости или теплосодержание продуктов сгорания при различных температурах t. Теплосодержание газообразных продуктов сгорания приведено в табл.11. Таблица 11 ^ Теплосодержание газов при постоянном давлении Температура оС Теплосодержание, СО2 Н2О SO2 O2 N2 0 100 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 0 170,1 357,7 772,6 1226 1706 2205 2719 3241 3771 4307 4848 5393 5933 6487 7033 7590 0 150,6 304,7 626,8 969,5 1335 1724 2134 2561 3004 3461 3929 4406 4891 5387 5898 6426 0 181,4 337,9 824,6 1270 1746 2237 2735 3238 3748 4161 4668 5337 5893 6460 7051 7655 0 131,8 267,2 551 851 1161 1479 1802 2130 2462 2800 3141 3498 3834 4185 4546 4915 0 130,1 260,9 528,7 807,8 1098 1398 1705 1809 2336 2656 2980 3306 3633 3954 4304 4635 Пример. Определить температуру горения керосина, состоящего из 86% углерода, 13% водорода и 0,3% серы. Теплота сгорания керосина 43347 кДж/кг. Решение. 1.Используя реакции горения углерода, водорода, серы (2.21), находим объём продуктов сгорания м3 м3 м3 м3 Итого: VП=1,6+1,53+0,002+8,905=12,04м3 Теплосодержание 1м3 продуктов сгорания . 2.В продуктах сгорания больше всего азота. Следовательно, на его теплосоединение целесообразно ориентироваться при подборе значения tг. Поскольку теплосодержание СО2 и Н2О выше, чем теплосодержание N2 , в качестве первого приближения примем tг=2200оС. Теплосодержание продуктов сгорания при этой температуре составляет: СО2 - Н2О - SO2 - N2 - Итого: 44821 кДж/кг 3.Так как 44821 кДж/кг, в качестве второго приближения принимаем значение tг=2000 оС. Находим: СО2 - Н2О - SO2 - N2 - 2980·8,095=26537 Итого: 39314 кДж/кг 4.Поскольку , значение tг находим интерполяцией tг=оС. Самостоятельный интерес представляет использование средних значений теплоемкости продуктов сгорания для определения температуры горения. Пусть, например, требуется оценить температуру горения пропано- воздушной смеси стехиометрического состава. Выпишем реакцию горения такой смеси, используя уравнение (1.39) C3H8 + 5O2+ 5*3,76 N2 = 3CO2 +2H2O + 5*3,76N2 +Qсг Для нахождения температуры горения смеси воспользуемся соотношением (2.19), представив его в виде Qн = Qт = *tг , (2.22) где Qн, Qт – низшая теплота сгорания и теплосодержание соответственно; = n i i - средняя теплоемкость продуктов сгорания при изменении температуры от начальной t0 до температуры горения tг; ni – число молей i– го продукта сгорания; i – средняя теплоемкость i – го продукта сгорания. Для определения величины воспользуемся соотношением (1.26), согласно которому Cp = Cv + R , где R – универсальная газовая постоянная. Принято величину средней теплоемкости представлять в виде = a+bt+ct2. В приближенных расчетах ограничиваются зависимостью Сv = a + bt. Одним из первых, определивших значение для ряда газов (N2,O2,H2,CO, CO2,H2O (пар)), были Mallard и Le Chatelier [11]. Позднее предложены следующие зависимости [12]: Двухатомные газы = 4,8 + 4,5 *10-4 *t кал/моль * град Пары воды = 4,0 + 21,5 * 10-4 *t кал/моль * град. Углекислый газ = 9.0 + 5.8 * 10-4 *t кал/моль * град (2.23) Четырехатомные газы = 10 + 4.5 * 10-4 *t кал/моль * град Пятиатомные газы = 12 + 4.5 *10-4 *t кал/моль * град Ниже для определения значений используется апроксимация данных [13]: N2 = 4.96 + 0,0006 t кал/моль.град при 0< t< 3000 H2O (пар) = 5,96 + 0,00135 t кал/моль.град при 0< t< 3000 (2.24) CO2 = 9,0 + 0,00093 t кал/моль.град при 0< t< 3000 Найдем теплоемкости продуктов сгорания рассматриваемой реакции горения: 18,8 N2 18,8(4,96 + 0,0006t) = 93,25 + 0,01128 t 4Н2О 4 (5,96 + 0,00135t) = 23,84 + 0,0054 t 3СO2 3 (9,0 + 0,00093t) = 27 + 0.00279 t Всех продуктов: = 144.09+ 0.01947 t Число молей продуктов сгорания N =Σ ni = 3+4+18,8=25,8. Следовательно, Cp = 144,09 + 0,01947t + 25,8 * 1,99 = 195,43 + 0,01947 t. Теплота сгорания пропана Qсг = Q н = 46,4 МДж/кг = 2042 кДж/моль = = 487* 103 кал/моль (см.табл.32). Так как Q н =Cp·· tг, имеет место уравнение 0,01947 t2г + 195,43 tг – 487 * 103 = 0 Решая уравнение, получаем: Примечание: расчет по способу, изложенному в предыдущем примере с использованием данных табл.11, дает значение температуры горения рассматриваемой смеси tг = 21000С. В табл.12 приведены для сравнения действительные температуры горения керосина и горючих газов в атмосфере воздуха. Приведены также данные по температуре горения некоторых других веществ и материалов. Таблица 12 ^ Температура факела при горении некоторых веществ Горючее вещество Температура факела, оС Древесина сосновая в виде пиломатериалов на открытой площадке Резина Каучук натуральный Орг. стекло Бензин Керосин Дизельное топливо Мазут Нефть Горючие газы 1100-1200 1200 1200 1100 1170 1100 1100 1030 1100 1500

Похожие:

	От чего зависит температура тела? Удельная теплоёмкость. Теплота нагревания и охлаждения Удельная теплота сгорания топлива. Теплота сгорания топлива		Огонь играет громадную роль в жизни человека. Применение огня для... Даже в наши дни значение огня и горения огромно. Работа многочисленных современных двигателей внутреннего сгорания, дизелей, паровых...
	1 Химические реакции при сгорании топлива Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива необходимо вполне определенное количество воздуха, которое называется...		Ется комплекс мероприятий, направлен ных на ликвидацию возникшего... Поскольку для возникновения и развития процесса горения, обусловливающего явления пожара, необходимо одновременное сочетание горючего...
	Задачи пожарной профилактики 4 2 Сущность процесса горения и развития... Основные законодательные документы и нормативно-правовые акты в области пожарной безопасности 7		Продукция Этот катализатор, встречающийся только в mpg-boost™, ускоряет реальную скорость, при которой топливо смешивается с воздухом в камере...
	Билеты органическая химия Химические свойства альдегидов(реакции восстановления, окисления, присоединения)		Химические свойства алифатических альдегидов Реакции альдегидов и кетонов, приводящих к образованию новых углерод–углеродных связей
	Бензины предназначены для применения в поршневых двигателях внутреннего... Несмотря на различия в условиях применения автомобильные и авиационные бензины характеризуются в основном общими показателями качества,...		Технологии работы биокатализатора mpg отличаются от химической присадки.... Садки к топливу являются обычными детергентами, то есть простыми очистителями камеры сгорания. Катализатор mpg также мягко очищает...