Расчёт объёма воздуха, объёма и состава продуктов горения

 

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. К этой группе относятся такие вещества, как бензол (С₆Н₆), пропанол (С₃Н₉ОН), 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

(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 (DV_в).

(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:

(4)

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

(5)

 

Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на 4 группы (табл. 15): индивидуальные химические соединений (в газообразном и конденсированном состоянии); вещества сложного состава (древесина, торф, нефть и т.п.); смесь газов (генераторный, попутный газы и т.п.).

Таблица 15

Расчётные формулы для определения теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания веществ.

Группа горючих веществ	Расчётные формулы	Размерности
Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии	(6)	м3/м3
Индивидуальное горючее вещество в конденсированном состоянии	(7)	м3 /кг
Смесь газов	(8)	м3/м3
Вещество сложного состава в конденсированном состоянии	(9)	м3 /кг

 

где - количество 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.;

- сумма произведений стехиометрического коэффициента реакций

горения каждого компонента горючей смеси (b_i) на процентное содержание

этого компонента (j_i) в смеси;

– 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:

, (10)

где Р₀ – нормальное давление, Па;

Т₀ – нормальная температура, К;

V₀ – объём воздуха при нормальных условиях (м³ или 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:

(11)

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

(12)

При расчёте объёма продуктов горения пользуются формулами, приведёнными в табл. 16.

Таблица 16

Расчётные формулы для определения теоретического объёма продуктов горения.

 

Группа горючих веществ	Расчётные формулы	Размер-ности
Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии	(13)	м3/м3
Индивидуальное горючее вещество в конденсированном состоянии	(14)	м3 /кг
Смесь газов	(15)	м3/м3
Вещество сложного состава в конденсированном состоянии	(16)	м3 /кг

 

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

, % (17)

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

, % (18)

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

 

Пример 1. Сгорает 4 м³ пропана (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

1. Рассчитаем теоретические объёмы воздуха и продуктов горения по формулам (6) и (13) в расчёте на 1 м³ горючего вещества:

(м³/м³);

(м³/м³);

 

1. Учитывая, что сгорает не 1 м³ газа, а 4 м³ находим действительные объёмы воздуха и продуктов горения:

(м³);

(м³).

4. Рассчитаем состав продуктов горения:

 

 

.

 

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

 

Пример 2. Сгорает 100 кг ацетона. Рассчитать действительные объёмы воздуха и продуктов горения, 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:

(м³/кг)

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

(м³/кг)

3. Избыток воздуха составит:

(м³/кг)

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

(м³/кг)

5. Действительный объём продуктов горения составит:

(м³/кг)

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

Ответ: При сгорании 100 кг ацетона объём воздуха при нормальных условиях составит 1 480 м³, а объём продуктов горения – 1 550 м³.

 

Примечание. Если в процессе горения была задана другая температура, то объём продуктов горения и воздуха рассчитывается с учётом объёма, который занимает один кмоль газа при этой температуре:

(19)

где Р₀ =101, 3 кПа; Т₀ = 273 К; Т и Р заданные температура и давление.

 

Пример 3. 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 м³ газовой смеси (формулы 8 и 15):

(м³/м³)

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

(м³/м³)

(м³/м³)

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

 

 

Пример 4. 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).

(м³/кг)

(м³/кг)

2. При сгорании 2 кг горючего вещества образуется соответственно 14, 34 и 16, 14 м³ воздуха и продуктов горения.

Ответ : При сгорании 2 кг горючего вещества образуется соответственно 14, 34 и 16, 14 м³ воздуха и продуктов горения.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I Расчет номинального состава бетона
2. I-1. Определение объёма гранта
3. III. Порядок заполнения титульного листа расчета
4. MS Excel. Расчеты с условиями. Работа со списками
5. V. Избавляйтесь от вчерашних продуктов жизнедеятельности
6. Алгоритм расчета доз органических и минеральных удобрений по прогнозному ротационному балансу элементов питания растений
7. Алгоритм расчета непроизводительных затрат рабочего времени
8. Алгоритм расчета режимов ТИГ
9. Алгоритмы проектных расчетов гидрометаллургического оборудования
10. Алгоритмы проектных расчетов пирометаллургического оборудования
11. Алгоритмы проектных расчетов электрометаллургического оборудования.
12. Анализ денежных потоков и расчет ликвидного денежного потока.