РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ

 

ПРИМЕР: Рассчитать действительную температуру горения вещества сложного состава, состоящего из 40 % углерода, 20 % водорода, 30 % азота, 10 % влаги. Горение протекает при коэффициенте избытка воздуха, равном 1, 2, а потери тепла на излучение составляют 30 %.

РЕШЕНИЕ:

1. Рассчитаем низшую теплоту сгорания горючего вещества, используя формулу Д.И.Менделеева (см. формулу 30)

Q_n^cм=339, 4*С+1257*H-108, 9(O-N-S)-25(9*H+W)=

=339*40+1257*20-109*30-25*(9*20+10)=30680(кДж/кг )

2. Рассчитаем объёмы продуктов горения при полном горании 1 кг горючего вещества сложного состава (см. формулы) (32–34):

В связи с тем, что горение происходит при избытке воздуха, то в продуктах горения будет присутствовать избыточный воздух, который не участвовал в горении.

3. Рассчитаем избыточный объём воздуха при полном сгорании 1 кг горючего вещества (см. формулу 9):

4. Рассчитаем температуру горения и, т.к. в условии задачи ничего не сказано о начальной температуре горения, будем считать, что горение протекает при нормальных условиях (см. формулу 36 и табл. 6):

ОТВЕТ: действительная температура горения вещества сложного состава составила 1418 К.

 

 

РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯМЕТОДОМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ

 

Для более точных расчётов используют метод последовательных приближений по известной зависимости теплосодержания (энтальпии) продуктов горения от температуры.

Если теплосодержание продуктов горения при Т=273 К принять равным нулю, то полное теплосодержание продуктов горения при Т_г будет равно количеству теплоты, выделившейся в результате химической реакции.

С учётом теплопотерь:

Q_н(1-η )=Σ Н_пгi*V_пгi, (38)

где Н_пгi – теплосодержание (энтальпия) i-го продукта горения.

Задача состоит в том, чтобы найти температуру, при которой будет справедливо это равенство.

ПРИМЕР: Найти адиабатную температуру горения этилового спирта в воздухе, если теплота его образования равна - 278, 2 кДж/моль.

РЕШЕНИЕ .

Адиабатную температуру горения вещества находят при условии отсутствия теплопотерь (η = 0) для стехиометрической смеси горючего с воздухом, т. е. при α = 1.

1. Для определения состава и объёма продуктов горения запишем уравнение химической реакции горения этилового спирта:

С₂Н₆О + 3(О₂ + 3, 76 N₂) = 2 CО₂ + 3 Н₂О + 3 * 3, 76 N₂.

2. Объём продуктов горения составляет: моль

V_CO2=2моль/моль, V_H2O=3моль/моль, V_N2=3*3, 76 =11, 28моль/моль; объём продуктов горения Σ V_пг=16, 28 моль/моль

3. Рассчитаем низшую теплоту сгорания этилового спирта по следствию из закона Гесса:

4. Так как теплопотери отсутствуют, то всё выделившееся тепло идёт на нагрев продуктов горения. Среднее теплосодержание 1 моля продуктов горения будет составлять:

 

5. Воспользовавшись зависимостью теплосодержания газов от температуры (табл. III приложения), можно установить какой температуре соответствует такое теплосодержание. Лучше всего это сделать, ориентируясь на азот, так как его больше всего в продуктах горения. Из табл. III (приложение) видно, что при температуре 2200^оС теплосодержание азота 74, 1 кДж/моль. Уточним, сколько потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой температуры. При Т₁= 2200^оС:

Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения , поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2200 ^оС. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов горения до 2100 ^оС.

Но и , значит Т_г < 2100^оС.

При температуре 2000^оС

Q уже меньше, чем Q_н, из этого можно сделать вывод, что температура горения этанола имеет значение между 2000 и 2100^оС.

 

Уточним искомую температуру линейной интерполяцией между двумя этими ближайшими значениями:

или 2302 К

ОТВЕТ : адиабатическая температура горения этанола составила 2302 К.

 

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. В каком случае в условиях пожара при горении бутана выделится больше тепла: при полном горении или неполном, протекающем по реакции С₄Н₁₀ + 4, 5О₂ → 4СО+5Н₂О. Ответ необходимо подтвердить расчётом с использованием закона Гесса.

2. Вычислить теплоту образования ацетилена из элементов, если его теплота горения равна 1411, 2 кДж/моль.

3. Определить теплоту сгорания 12 кг бензола, если теплота его образования составляет 82, 9 кДж/моль, теплота образования углекислого газа 396, 9 кДж/моль, теплота образования водяного пара 242, 2 кДж/моль.

4. Определить теплоту образования пимелиновой кислоты (С₇Н₁₂О₄), если теплота её сгорания составляет 3453, 5 кДж/моль.

5. Определить теплоту сгорания салициловой кислоты, если теплота её образования составляет 589, 5 кДж/моль.

6. Вычислить теплоту образования метана, если при сжигании 10 г его в стандартных условиях выделяется 556, 462 кДж тепла.

7. Определить теплоту сгорания бензилового спирта (С₇Н₈О), если теплота его образования составляет 875, 4 кДж/моль.

8. При образовании октана из элементов выделяется 208, 45 кДж/моль тепла. Рассчитать его теплоту горения.

9. Теплота образования ацетона составляет -248, 28 кДж/моль. Определить его теплоту горения и количество тепла, которое выделится при сгорании 30 г вещества.

10. Рассчитать теплоту сгорания сульфапиридазина (С₁₁Н₁₂О₃N₄S) без учёта потерь на испарение влаги.

11. Определить теплоту сгорания сульфофенилгидразина (С₆Н₈О₃N₂S) с учётом потерь на испарение воды. Содержание влаги в веществе 20 %.

12. Определить теплоту сгорания 4, 4^/-диаминодифенилсульфона (С₁₂Н₁₂О₂N₂S) без учёта потерь на испарение влаги.

13. Определить теплоты сгорания 4, 6-диметилгексагидро-1, 3, 5-триазинтиона-2 (С₅Н₉N₃S) по формулам Д. И. Менделеева.

14. Определить теплоту сгорания диаминомезитилен-6-сульфокислоты (С₉Н₁₄О₃N₂S), если содержание влаги в веществе 35 %.

15. Определить низшую теплоту горения древесины состава: С – 41, 5%; Н – 6%; О – 43 %; N – 2%; W– 7, 5%.

16. Определить теоретическую температуру горения ацетона с использованием средних значений теплоёмкостей.

17. Определить теоретическую температуру горения пентана с использованием средних значений теплоёмкостей.

18. Определить теоретическую температуру горения октана и использованием средних значений теплоёмкостей.

19. Определить теоретическую температуру горения бензола с использованием средних значений теплоёмкостей.

20. Методом последовательных приближений рассчитать адиабатическую температуру горения пропанола.

21. Рассчитайте температуру горения для стехиометрической смеси горючего вещества с воздухом (табл. 7).

Таблица 7

№ задания	Горючее вещество	Химическая формула
21.1	Толуол	С7Н8
21.2	Анилин	С6Н5NН2
21.3	Глицерин	С3Н5 (ОН)3
21.4	Этиленгликоль	С2Н4 (ОН)2
21.5	Ацетон	С3Н6О
21.6	Диэтиловый эфир	С4Н10О
21.7	Пропилацетат	С5Н10О2
21.8	Этанол	С2Н6О
21.9	Пропанол-1	С3Н8О
21.10	Бутанол-1	С4Н10О

22. Методом последовательных приближенийрассчитать действительную температуру горения горючего вещества (табл. 8), если горение протекает при коэффициенте избытка воздуха α, а доля потерь тепла излучением составляет η.

Таблица 8

№ задания	Название вещества	Элементный состав вещества, масс. %	α	η
C	H	O	S	N	W	зола
22.1	Антра-цит				0, 5	1, 0		21, 5	1, 1	0, 2
22.2	Горю-чий сланец	24, 2	1, 8	4, 5	3, 0	2, 0		39, 5	1, 2	0, 3
22.3	Керо-син		13, 7	0, 3	-	-		-	1, 3	0, 4
22.4	Бензин		8, 0	5, 0	-	2, 0			1, 4	0, 3
22.5	Соля-ровое масло	86, 0	12, 0	1, 2	0, 8	-	-	-	1, 5	0, 2
22.6	Мазут					-		-	1, 6	0, 3
22.7	Древе-сина				-			-	1, 7	0, 4
22.8	Уголь							-	1, 8	0, 3
22.9	Цере- зин				-	-	-	-	1, 7	0, 2
22.10	Горю-чий сланец								1, 6	0, 3

23. Определить теоретическую температуру горения резины состава: С = 80 %, Н = 15 %, S = 2 %, О= 1 %, N = 2 %.

24. Определить действительную температуру горения бумаги состава: С = 55 %, Н = 25 %, N = 3 %, О = 15 %, Н₂О = 2 %, если потери тепла за счёт недожога составили η _х=0, 15, за счёт излучения η _изл=0, 20.

25. Определить действительную температуру горения пластмассы состава: С = 70 %, Н = 20 %, N = 5 %, О = 2 %, негорючие компоненты (наполнители) составили 3 %/, если потери тепла за счёт недожога составили η _х=0, 20, за счёт излучения η _изл=0, 25. Коэффициент избытка воздухаα = 1, 4.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Список принятых обозначений

 

n – число молей вещества;

β – стехиометрический коэффициент;

V_в^теор – теоретически необходимый для горения, м³;

V_в^д – действительный (практический) объём воздуха, пошедшего на горение, м³;

V_пг^т – теоретический объём продуктов горения, м³;

Р – давление газа, Па;

Р₀ – исходное (атмосферное) давление, Па;

Т – температура вещества, К;

Q – количество теплоты, Дж;

V_i – объём i-того газообразного вещества, м³, кмоль;

α - коэффициент избытка воздуха;

m – масса вещества, кг;

М – масса одного кмоля вещества, кг/кмоль;

Q_н – низшая теплота сгорания вещества, кДж/моль, кДж/кг;

Н_i – энтальпия i-го вещества, кДж/моль, кДж/м³ ;

Т_г – температура горения, К;

срi – теплоёмкость i-го газа при постоянном давлении, кДж/моль*К; кДж/^м3 ;

η – коэффициент теплопотерь.

 

 

Таблица I

Основные физические константы некоторых газов

 

Название	М, \кг/кмоль	ρ , кг/м3	Тпл, К	Ткип, \ К	Δ Нf0, кДж/моль
Воздух О2+3, 76 N2		1, 29			-
Аргон Ar		1, 78	83, 7	87, 3
Оксид углерода СО		1, 25			-110, 6
Диоксид углерода СО2		1, 98	216, 4	194, 5	-396, 9
Метан СН4		0, 72	90, 5	112, 4	-74, 8
Этан С2Н6		1, 36	90, 5	184, 4	-88, 4
Пропан С3Н8		2, 02	85, 6	230, 9	-109, 4
Бутан С4Н10		2, 70	134, 6	272, 5	-126
Изобутан С4Н10		2, 67	113, 4	261, 3	-
Этилен С2Н4		1, 26	110, 8	169, 3	39, 8
Ацетилен С2Н2		1, 17	192, 2	189, 2	226, 8
Водород Н2		0, 09	13, 8	20, 3
Водяной пар Н2Опар		0, 77		373, 0	242, 2
Азот N2		1, 25		77, 2
Кислород О2		1, 43	54, 9	90, 1
Аммиак NН3		0, 77	-	240, 0	-46, 8
Сероводород Н2S		1, 26	160, 9	319, 3	-20, 16

 

 

Таблица III

Средняя объёмная теплоёмкость

 

Темпера-тура, К	Ср, кДж/м3К
СО2	Н2О	N2	О2	SO2	Н2	СН4
	1, 79	1, 52	1, 30	1, 37	1, 89	1, 30	1, 76
	1, 86	1, 54	1, 31	1, 37	1, 96	1, 30	1, 89
	1, 93	1, 57	1, 32	1, 38	2, 01	1, 30	2, 01
	1, 99	1, 59	1, 33	1, 40	2, 07	1, 31	2, 14
	2, 04	1, 63	1, 34	1, 41	2, 12	1, 31	2, 26
	2, 09	1, 64	1, 35	1, 44	2, 15	1, 31	2, 38
	2, 13	1, 67	1, 37	1, 45	2, 18	1, 32	2, 50
	2, 17	1, 70	1, 38	1, 47	2, 22	1, 33	2, 60
	2, 20	1, 72	1, 39	1, 48	2, 24	1, 33	2, 70
	2, 24	1, 75	1, 40	1, 49	2, 26	1, 34	2, 80
	2, 26	1, 78	1, 41	1, 50	2, 28	1, 34	2, 86
	2, 29	1, 80	1, 42	1, 51	2, 29	1, 35	-
	2, 30	1, 83	1, 43	1, 52	2, 31	1, 36	-
	2, 34	1, 85	1, 44	1, 53	2, 32	1, 37	-
	2, 36	1, 88	1, 45	1, 54	2, 34	1, 38	-
	2, 38	1, 90	1, 46	1, 55	2, 35	1, 38	-
	2, 39	1, 92	1, 47	1, 55	2, 36	1, 39	-
	2, 41	1, 94	1, 48	1, 56	2, 38	1, 40	-
	2, 42	1, 96	1, 48	1, 57	2, 40	1, 41	-
	2, 44	1, 98	1, 49	1, 58	2, 41	1, 42	-
	2, 45	2, 00	1, 50	1, 58	2, 43	1, 42	-

Примечание: средняя теплоёмкость приводится для температурного интервала от 273 К до указанной в таблице температуры.

 

Таблица IV

Теплота образования некоторых веществ

 

Название вещества	Теплота образования, кДж/моль
Оксид углерода	-112, 70
Диоксид углерода	-396, 90
Диоксид серы	-296, 90
Метан	-74, 80
Этан	-84, 68
Пропан	-103, 85
Этилен	52, 30
Ацетилен	226, 75
Водяной пар	-242, 2
Аммиак	-46, 10
Сероводород	-20, 60
Сероуглерод	115, 30
Бензол	82, 90
Глицерин	-675, 40
Этиленгликоль	-453, 80
Толуол	50, 17
Ацетон	-217, 57
Гексан	-167, 2
Пропанол	-257, 70
Метанол	-239, 0
Бутанол	-274, 60
Этанол	-278, 20
Диэтиловый эфир	-252, 20

 

 

Таблица V

Энтальпия (теплосодержание) газов при постоянном давлении

Температура, оС	Теплосодержание, кДж/моль
О2	N2	Воздух	СО2	Н2О	SO2
	3, 0	2, 9	2, 9	3, 8	3, 3	4, 1
	6, 0	5, 8	5, 8	8, 0	6, 8	8, 5
	9, 1	8, 8	8, 9	12, 5	10, 4	13, 2
	12, 4	11, 8	11, 9	17, 3	14, 0	18, 2
	15, 7	14, 9	15, 1	22, 3	17, 8	23, 3
	19, 1	18, 1	18, 3	27, 5	21, 7	28, 5
	22, 5	21, 3	21, 5	32, 8	15, 8	33, 9
	26, 0	24, 6	24, 8	38, 2	29, 9	39, 3
	29, 6	28, 0	28, 2	43, 8	34, 2	44, 8
	33, 1	31, 3	31, 6	49, 4	38, 6	50, 3
	36, 8	34, 8	35, 1	55, 1	43, 2	55, 9
	40, 4	38, 2	38, 6	60, 9	47, 8	61, 5
	44, 0	41, 7	42, 1	66, 8	52, 6	67, 2
	47, 7	45, 3	45, 6	72, 7	57, 4	72, 3
	51, 5	48, 8	49, 2	78, 6	62, 3	78, 4
	55, 2	52, 4	52, 8	84, 6	67, 3	84, 1
	59, 0	55, 9	56, 4	90, 5	72, 4	89, 8
	62, 8	59, 5	60, 0	96, 6	77, 6	95, 6
	66, 6	63, 1	63, 6	102, 6	82, 8	101, 2
	70, 4	66, 8	67, 3	108, 6	88, 1	107, 1
	74, 2	70, 4	71, 0	114, 7	93, 4	112, 7
	78, 1	74, 1	74, 7	120, 8	98, 8	118, 5
	82, 0	77, 8	78, 4	126, 9	104, 2	124, 2
	85, 9	81, 5	82, 1	133, 0	109, 6	130, 0
	89, 9	85, 1	85, 9	139, 1	115, 1	135, 8
Продолжение таблицы V
Температура, оС	Теплосодержание, кДж/моль
О2	N2	Воздух	СО2	Н2О	SO2
	94, 0	89, 0	89, 3	145, 3	119, 4	141, 5
	97, 9	92, 6	93, 1	151, 5	124, 8	147, 3
	101, 8	96, 4	96, 8	157, 6	130, 3	153, 0
	105, 1	100, 5	100, 5	163, 8	135, 8	158, 8
	110, 1	103, 8	104, 2	169, 9	141, 2	164, 7

 

Таблица VI

 

Энтальпия (теплосодержание) газов при постоянном давлении

 

Температура   оС	Теплосодержание, кДж/м3*10-2
О2	N2	воздух	СО2	Н2О	SO2
	1, 3	1, 3	1, 3	1, 7	1, 5	1, 8
	2, 7	2, 6	2, 6	3, 6	3, 0	3, 8
	4, 1	3, 9	3, 9	5, 6	4, 7	5, 9
	5, 5	5, 3	5, 3	7, 7	5, 9	8, 2
	6, 7	6, 7	6, 7	9, 3	6, 3	10, 3
	8, 5	8, 1	8, 1	12, 3	9, 7	12, 7
	10, 0	9, 5	9, 6	14, 6	11, 5	15, 1
	11, 6	11, 0	11, 1	17, 1	13, 4	7, 5
	13, 2	12, 5	12, 6	19, 5	15, 3	19, 9
	14, 8	14, 0	14, 1	22, 1	17, 2	22, 4
	16, 4	15, 5	15, 6	24, 6	19, 3	24, 9
	18, 0	17, 1	17, 2	27, 2	21, 3	27, 4
	19, 7	18, 6	18, 8	29, 8	23, 5	29, 8
Продолжение таблицы VI
Температура оС	Теплосодержание, кДж/м3*10-2
О2	N2	воздух	СО2	Н2О	SO2
	21, 3	20, 1	20, 4	32, 4	25, 6	32, 4
	23, 0	21, 8	21, 9	35, 1	27, 8	34, 9
	24, 6	23, 4	23, 6	37, 7	30, 0	37, 5
	26, 3	25, 0	25, 2	40, 4	32, 3	40, 0
	28, 0	26, 6	26, 8	43, 1	34, 6	42, 6
	29, 7	28, 2	28, 4	45, 8	36, 9	45, 3
	31, 4	29, 8	30, 0	48, 5	39, 3	47, 9
	33, 1	31, 4	31, 7	51, 2	41, 7	50, 6
	35, 0	33, 0	33, 3	53, 9	44, 1	53, 4
	36, 6	34, 7	35, 0	56, 6	46, 7	56, 1
	38, 3	36, 3	36, 6	59, 3	48, 9	58, 9
	40, 0	38, 0	38, 3	62, 1	51, 4	61, 7
	41, 8	39, 5	40, 0	64, 8	53, 9	64, 6
	43, 7	41, 4	41, 6	67, 6	56, 4	67, 5
	45, 5	43, 0	43, 2	70, 3	59, 0	70, 5
	47, 3	44, 7	44, 8	73, 1	61, 6	73, 5
	49, 4	46, 3	46, 5	75, 9	64, 3	76, 6

 

 

⇐ Предыдущая123456

Поделиться:

Популярное:

1. I. АНАЛИЗ И ПОДГОТОВКА ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ПУТИ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ТЯГОВЫХ РАСЧЕТОВ
2. IV. Генезис образов, значений и понятий
3. IV. Расчет потребности в материальных ресурсах.
4. V. Анализ типов значений слова
5. VI класс — история средних веков до середины XVII века
6. VI. Расчет параметров цепной передачи
7. VI. Центральные СКВ. Расчет и подбор оборудования. Компоновка кондиционера
8. А. Изображение мнимое. Б. Линза рассеивающая. В. Изображение уменьшенное. Г. В расчетах ошибка. Д. Линза собирающая. Е. Изображение увеличенное.
9. Аккредитив как форма международных расчетов
10. Алгоритм расчета клиноременной передачи
11. Алгоритм расчёта отпускной, оптовой и розничной цены товара
12. Алгоритм расчета температуры горения