РАСЧЁТ ОБЪЁМА ВОЗДУХА, ОБЪЁМА И СОСТАВА ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 6Следующая ⇒

При решении многих практических вопросов необходимо знать количество воздуха, расходуемого на горение единицы массы или объёма горючего вещества, количество образовавшихся продуктов горения и их процентный состав. Рассмотрим расчётные методы определения отдельных составляющих материального баланса процессов горения.

Методика расчёта объёма воздуха для горения зависит от состава горючего вещества, его агрегатного состояния и условий горения. По своей природе горючие вещества могут быть индивидуальными химическими соединениями и смесями сложных химических соединений. К индивидуальным химическим соединениям относятся такие вещества, которые имеют постоянное химическое строение и постоянную химическую формулу, например бензол (С₆Н₆), пропанол

(С₃Н₇ОН), уксусная кислота (СН₃СООН) и др. Смеси сложных химических соединений – вещества, не имеющие определённого химического строения, и их состав одной химической формулой выразить нельзя. К этой группе веществ относятся уголь, нефть, древесина, жиры и др. Состав этих веществ выражается в процентном содержании отдельных элементов или газов (C, S, H, и др. или СО, СН₄, Н₂S и др.).

Различают объём воздуха теоретически необходимый для горения (V_в^теор^.) и объём воздуха действительно (практически) израсходованный на горение (V_в^{действ.}). При этом:

V_в^действ=α *V_в^теор (2)

Множитель a называется коэффициентом избытка воздуха . Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз объём воздуха, поступивший на горение, больше теоретического объёма воздуха, необходимого для полного сгорания единицы количества вещества в стехиометрической смеси.

Разность между действительным и теоретически необходимым количеством воздуха называется избытком воздуха (Δ V_в).

Δ V_в = V_в^действ − V_в^теор^.. (3)

Объём продуктов горения, образовавшихся при сжигании единицы горючего (1 кг, 1 м³, 1 кмоль) в теоретическом количестве воздуха, равен сумме объёмов углекислого газа, паров воды и азота:

Vпг=Vсо₂+Vн₂о+V_N₂(4)

Полный, действительный объём продуктов горения находится с учётом избытка воздуха:

V_пг^действ=V_пг^теор+Δ V_в=V_пг^теор+(α -1)*V_в^теор (5)

Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на 4 группы (табл. 1): индивидуальные химические соединения (в газообразном и конденсированном состоянии); вещества сложного состава (древесина, торф, нефть и т. п.); смесь газов (генераторный, попутный газы и т. п.).

Таблица 1 Расчётные формулы для определения теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания веществ

Группа горючих веществ	Расчётные формулы	Размерность
Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии	(6)	м³/м³
Индивидуальное горючее вещество в конденсированном состоянии	(7)	м³/кг

Продолжение таблицы 1

Группа горючих веществ	Расчётные формулы	Размерность
Смесь газов		м³/м³
Вещество сложного состава в конденсированном состоянии		м³/кг

Примечание:

n_гв, n_О₂, n_N₂ – количества горючего, кислорода и азота, получаемые из уравнения реакции горения, кмоль/кмоль;

М_гв – молекулярная масса горючего вещества;

V_t – молярный объём газа при заданных условиях, м³/кмоль;

C, H, S, O – весовое содержание соответствующих элементов в составе горючего вещества, % масс.;

Σ β _i *φ _i– сумма произведений стехиометрического коэффициента реакций горения каждого компонента горючей смеси (β _i) на процентное содержание этого компонента φ _i) в смеси;

φ _о₂ – процентное содержание кислорода в сложном горючем газе.

Для газообразных горючих веществ расчёт объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м³/м³. Так как 1 кмоль любого газа в одинаковых условиях занимает один и тот же объём (при нормальных условиях 22, 4 м³), то объём, рассчитанный в м³/м³, численно будет таким же, как и в кмоль/кмоль.

Если горючее вещество находится в конденсированном состоянии (жидком или твёрдом), то, как правило, расчёты объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м³/кг.

Для определения объёма воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются уравнением идеальных газов:

Где Р₀-нормальное давление, Па;

Т₀ – нормальная температура, К;

V₀ – объём воздуха при нормальных условиях (м³или м³/кмоль);

P₁, T₁, V₁ – соответственно давление, объём и температура воздуха, характеризующие заданные условия горения.

Иногда на практике приходится решать обратную задачу – по известному процентному содержанию кислорода в продуктах горения находить коэффициент избытка воздуха:

Для веществ, у которых объём продуктов горения равен объёму израсходованного воздуха (например, горение углерода, серы), эта формула упрощается:

При расчёте объёма продуктов горения пользуются формулами, приведёнными в табл. 2.

Таблица 2

Расчётные формулы для определения теоретического объёма продуктов горения

Группа горючих веществ	Расчётные формулы	Размерность
Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии		м³/м³
Индивидуальное горючее вещество в конденсированном состоянии		м³/кг
Смесь газов		м³/м³
Вещество сложного состава в конденсированном состоянии		м³/кг

Процентный состав продуктов горения рассчитывается исходя из количества молей продуктов горения. Например, процентное содержание паров воды в продуктах горения составит:

Если горение протекает с избытком воздуха, то при расчёте количества молей продуктов горения учитывается избыточное число молей кислорода и азота ( и )

где

Рассмотрим примеры решения задач на расчёт объёма воздуха, объёма и состава продуктов горения.

ПРИМЕР: Сгорает 4 м³пропана (С₃Н₈). Рассчитать теоретические объёмы воздуха, объём и состав (в объёмных %) продуктов горения. Условия нормальные.

РЕШЕНИЕ:

Сгорает индивидуальное горючее вещество, находящееся в газообразном состоянии.

1. Запишем уравнение реакции горения пропана в воздухе:

С₃Н₈ + 5 * (О₂ + 3, 76N₂) = 3 CО₂ + 4 Н₂О + 3, 76 * 5 N₂.

2. Рассчитаем теоретические объёмы воздуха и продуктов горения по формулам (6) и (13) в расчёте на 1 м³горючего вещества:

3. Учитывая, что сгорает не 1 м³газа, а 4 м³находим действительные объёмы воздуха и продуктов горения:

м³

4. Рассчитаем состав продуктов горения:

ОТВЕТ: на сгорание 4 м³ пропана необходимо 95, 2 м³воздуха, при этом образуется 103, 2 м³продуктов горения, из которых СО₂ – 11, 6 %, Н₂О – 15, 5 %, N₂ – 72, 9 %.

ПРИМЕР: Сгорает 100 кг ацетона. Рассчитать действительные объёмы воздуха и продуктов горения и процентное содержание углекислого газа (СО₂), если коэффициент избытка воздуха равен 2. Условия нормальные.

РЕШЕНИЕ:

Сгорает индивидуальное химическое соединение в конденсированном состоянии.

1. Составляем уравнение реакции горения ацетона в воздухе:

С₃Н₆О + 4(О₂ + 3, 76 N₂) = 3 CО₂ + 3 Н₂О + 4 * 3, 76 N₂.

2. Объём воздуха, необходимый для сгорания 1 кг ацетона, рассчитываем по формуле (7), учитывая при этом, что масса одного киломоля ацетона составляет 58 кг/кмоль:

3. Действительный объём воздуха, пошедшего на сгорание 1 кг ацетона, рассчитывается с учётом коэффициента избытка воздуха:

4. Избыток воздуха составит:

5. Теоретический объём продуктов горения рассчитываем по формуле (14):

6. Действительный объём продуктов горения составит:

7. Объём воздуха теоретически необходимого для сгорания 100 кг ацетона составит соответственно 740 м³ (7, 4  100), при этом выделится 1 550 м³продуктов сгорания.

8. Процентное содержание углекислого газа рассчитывается по формуле:

При сгорании 100 кг ацетона объём воздуха при нормальных условиях составит 1 480 м³, а объём продуктов горения – 1 550 м³, процентное содержание углекислого газа в продуктах горения составило 7, 48 %.

Примечание. Если в процессе горения была заданы условия, отличные от нормальных (Т неравно 273 К, Р неравно 101, 3 кПа), то объём продуктов горения и воздуха рассчитывается с учётом объёма, который занимает один кмоль газа при этой температуре:

Где =101, 3кПа, =273К, Т и Р- заданные температура и давление.

ПРИМЕР: Газовая смесь объёмом 10 м³_,состоящая из 30 % ацетилена, 40 % пропана, 20 % углекислого газа и 10 % сгорает с 40 %-ным избытком воздуха. Вычислить объём воздуха, принимающего участие в горении, если процесс протекает при нормальных условиях.

РЕШЕНИЕ.

1. Составляем уравнения реакций горения горючих газов смеси в воздухе:

С₂Н₂ + 2, 5 (О₂ + 3, 76 N₂) = 2 СО₂ + Н₂О + 2, 5 * 3, 76 N₂ ,

С₃Н₈ + 5 (О₂ + 3, 76 N₂) = 3 СО₂ + 4 Н₂О + 5 * 3, 76 N₂.

2. Рассчитаем теоретические объёмы воздуха и продуктов горения при полном сгорании 1 м³газовой смеси (формулы 8 и 15):

3. Рассчитаем действительные объёмы воздуха и продуктов горения с учётом 40 % - ного избытка воздуха (α = 1, 4).

4. Поскольку объём горючей смеси составлял 10 м³, действительные объёмы воздуха и продуктов горения составят 176, 7 и 192, 9 м³соответственно.

ОТВЕТ : На сгорание 10 м³сложной газовой смеси требуется 176, 7 м³воздуха, при этом образуется 192, 9 м³продуктов горения.

ПРИМЕР: Определить объёмы воздуха и продуктов горения при сжигании 2 кг горючего вещества, имеющего элементный состав: С = 50 %; Н = 10 %; N = 10 %; золы = 12 %; влаги = 18 %. Считать, что воздух и продукты горения находятся при нормальных условиях.

РЕШЕНИЕ:

1. Для решения задачи воспользуемся формулами (9) и (16).

При сгорании 2 кг горючего вещества образуется соответственно 14, 34 и 16, 14 м³воздуха и продуктов горения.

ОТВЕТ: При сгорании 2 кг горючего вещества расходуется 14, 34 м³воздуха и образуется 16, 14 м³продуктов горения.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 Следующая ⇒