По-висока калоричност(превъзходна калорична стойност): Количеството топлина, което може да бъде освободено от пълното изгаряне във въздуха на определено количество газ по такъв начин, че налягането p 1, при което протича реакцията, остава постоянно и всички продукти на горенето поемат същата температура T 1 като температурата на реагентите. В този случай всички продукти са в газообразно състояние, с изключение на водата, която кондензира в течност, когато T 1 .
Долна калоричност(долна калорична стойност): Количеството топлина, което може да се отдели при пълното изгаряне във въздуха на определено количество газ, така че налягането стр 1, при която протича реакцията, остава постоянна, всички продукти на горенето приемат същата температура t 1 като температурата на реагентите. В този случай всички продукти са в газообразно състояние.
Стойността на моларната топлина на изгаряне на идеален газ, определена въз основа на стойностите на моларната фракция на компонентите на смес с известен състав, при температура t 1 се изчислява по формула (5):
където е стойността на идеалната калоричност на сместа (по-висока или по-ниска);
е моларната част на j-тия компонент;
е стойността на идеалната калоричност на j-тия компонент (по-висока или по-ниска).
Числените стойности за t 1 \u003d 25 ° С са дадени в GOST 31369-2008 (таблица 3, раздел 10).
4.2.2 Изчисляване на масовата калоричност
Стойността на масовата топлина на изгаряне на идеален газ, определена въз основа на стойностите на масовата част на компонентите на смес с известен състав, при температура се изчислява по формула (6):
където е моларната фракция й-ти компонент;
- моларна маса й-ти компонент.
4.2.3 Изчисляване на обемната калоричност
Стойността на калоричността на идеален газ, изчислена въз основа на стойностите на обемната фракция на компонентите, за температурата на горене T 1 смес с известен състав, измерена при T 2 и налягане стр 1 се изчислява по формула (8):
|
|
,където е стойността на идеалната (по-висока или по-ниска) обемна калоричност на сместа;
Ре универсалната газова константа;
T 2 – абсолютна температура, K.
4.2.4 Изчисляване на плътност, относителна плътност и число на Wobbe
Плътност(плътност): Масата на газова проба, разделена на нейния обем при определени налягания и температури.
Относителна плътност(относителна плътност): Плътността на газ, разделена на плътността на сух въздух със стандартен състав (Приложение B към GOST 31369-2008) при същото дадено налягане и температура. Терминът "идеална относителна плътност" се използва, когато и газът, и въздухът се считат за среди, които се подчиняват на закона за идеалния газ; терминът "реална относителна плътност" се използва, когато и газът, и въздухът се считат за реални среди.
Номер на Wobbe(Индекс на Wobbe): Стойността на брутната обемна калоричност при определени стандартни условия, разделена на корен квадратен от относителната плътност при същите стандартни условия на измерване.
Числото на Wobbe е характеристика на горим газ, която определя взаимозаменяемостта на горимите газове при изгаряне в битови и промишлени горелки, измерена в мегаджаули на кубичен метър.
Относителна плътностидеалният газ не зависи от избора на стандартното състояние и се изчислява по формула (9):
където е относителната плътност на идеален газ;
е моларната маса на j-тия компонент;
Химичните реакции са придружени от поглъщане или освобождаване на енергия, по-специално топлина. реакции, придружени от поглъщане на топлина, както и съединенията, образувани в този процес, се наричат ендотермичен . При ендотермичните реакции нагряването на реагентите е необходимо не само за протичане на реакцията, но и през цялото време на тяхното протичане. Без външно нагряване ендотермичната реакция спира.
реакции, придружени с отделяне на топлина, както и съединенията, образувани при този процес, се наричат екзотермичен . Всички реакции на горене са екзотермични. Поради отделянето на топлина, те, възникнали в една точка, могат да се разпространят върху цялата маса на реагиращите вещества.
Количеството топлина, отделено по време на пълното изгаряне на дадено вещество и свързано с един мол, единица маса (kg, g) или обем (m 3) на горимо вещество, се нарича топлина на изгаряне. Топлината на изгаряне може да се изчисли от таблични данни, като се използва законът на Хес. Руският химик Г.Г. През 1840 г. Хес открива закон, който е частен случай на закона за запазване на енергията. Законът на Хес е следният: топлинният ефект от химическата трансформация не зависи от пътя, по който протича реакцията, а зависи само от началното и крайното състояние на системата, при условие че температурата и налягането (или обемът) при началото и края на реакцията са еднакви.
Нека разгледаме това, като използваме примера за изчисляване на топлината на изгаряне на метан. Метанът може да се получи от 1 мол въглерод и 2 мола водород. При изгаряне на метан се получават 2 мола вода и 1 мол въглероден диоксид.
C + 2H 2 = CH 4 + 74.8 kJ (Q 1).
CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + Q планини.
Същите продукти се образуват при изгарянето на водород и въглерод. При тези реакции общото количество отделена топлина е 963,5 kJ.
2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + 570,6 kJ
C + O 2 \u003d CO 2 + 392,9 kJ.
Тъй като първоначалният и крайният продукт са едни и същи и в двата случая, общите им топлинни ефекти трябва да бъдат равни според закона на Хес, т.е.
Q 1 + Q планини = Q,
Q планини \u003d Q - Q 1. (1.11)
Следователно топлината на изгаряне на метана ще бъде равна на
Q планини \u003d 963,5 - 74,8 \u003d 888,7 kJ / mol.
По този начин топлината на изгаряне на химично съединение (или негова смес) е равна на разликата между сумата от топлините на образуване на продуктите от горенето и топлината на образуване на изгореното химично съединение (или вещества, които съставляват горимата смес). ). Следователно, за да се определи топлината на изгаряне на химичните съединения, е необходимо да се знае топлината на тяхното образуване и топлината на образуване на продуктите, получени след изгарянето.
По-долу са дадени стойностите на топлината на образуване на някои химични съединения:
|
Алуминиев оксид Al 2 O 3 ……… |
Метан CH 4 …………………… |
||
|
Железен оксид Fe 2 O 3 ………… |
Етан C 2 H 6 …………………… |
||
|
Въглероден окис CO …………. |
Ацетилен C 2 H 2 ……………… |
||
|
Въглероден диоксид CO 2 ……… |
Бензен C 6 H 6 ………………… |
||
|
Вода H 2 O ……………………. |
Етилен C 2 H 4 ………………… |
||
|
Водна пара H 2 O …………… |
Толуен C 6 H 5 CH 3 ……………. |
Пример 1.5 .Определете температурата на горене на етан, ако топлината на неговото образуване еQ 1 = 88,4 kJ. Нека напишем уравнението за изгаряне на етан.
C2H6 + 3.5О 2 = 2 CO 2 + 3 з 2 О + Qпланини.
За определянеQпланининеобходимо е да се познават топлините на образуване на продуктите от горенето. топлината на образуване на въглероден диоксид е 396,9 kJ, а тази на водата е 286,6 kJ. Следователно,Qще бъде равно на
Q = 2 × 396,9 + 3 × 286,6 = 1653,6 kJ,
и топлината на изгаряне на етана
Qпланини= Q - Q 1 = 1653,6 - 88,4 = 1565,2 kJ.
Топлината на изгаряне се определя експериментално в бомбен калориметър и газов калориметър. Има по-висока и по-ниска калоричност. По-висока калоричност Q in е количеството топлина, отделено по време на пълното изгаряне на 1 kg или 1 m 3 горимо вещество, при условие че съдържащият се в него водород изгаря, за да образува течна вода. по-ниска калоричност Q n е количеството топлина, отделено по време на пълното изгаряне на 1 kg или 1 m 3 горимо вещество, подложено на изгаряне на водород до образуване на водна пара и изпаряване на влагата от горимото вещество.
По-високите и по-ниските калорични стойности на твърди и течни горими вещества могат да се определят по формулите на D.I. Менделеев:
където Q в, Q n - най-високата и най-ниската калоричност, kJ / kg; W е съдържанието на въглерод, водород, кислород, горима сяра и влага в горимото вещество, %.
Пример 1.6. Определете най-ниската температура на горене на сярно гориво, състоящо се от 82,5% C, 10,65% H, 3,1%Си 0.5% О; A (пепел) \u003d 0,25%,У = 3%. Използвайки уравнението на D.I. Менделеев (1.13), получаваме
\u003d 38622,7 kJ / kg
По-ниската калоричност на 1 m 3 сухи газове може да се определи по уравнението
По-ниската калоричност на някои горими газове и течности, получена експериментално, е дадена по-долу:
|
Въглеводороди: метан ………………………….. |
|||
|
етан …………………………… |
|||
|
пропан ………………………… |
|||
|
метил …………………. |
|||
|
етил …………………… |
|||
|
пропил ………………… |
Долната топлина на изгаряне на някои горими материали, изчислена от техния елементен състав, има следните стойности:
|
Бензин …………………… |
Синтетичен каучук |
||
|
Хартия …………………… |
Керосин ……………… |
||
|
дърво |
Органично стъкло.. |
||
|
изсушаване на въздух ……….. |
Каучук ……………….. |
||
|
в строителни конструкции... |
торф ( У = 20 %) ……. |
Има долна граница на калоричността, под която веществата стават неспособни да горят във въздушна атмосфера.
Експериментите показват, че веществата са незапалими, ако не са класифицирани като експлозивни и ако долната им калоричност във въздуха не надвишава 2100 kJ/kg. Следователно топлината на изгаряне може да служи като ориентировъчна оценка на запалимостта на веществата. Все пак трябва да се отбележи, че запалимостта на твърдите вещества и материали до голяма степен зависи от тяхното състояние. И така, лист хартия, който лесно се запалва от пламъка на кибрит, когато се приложи върху гладката повърхност на метална плоча или бетонна стена, става трудно запалим. Следователно, запалимостта на веществата също зависи от скоростта на отстраняване на топлината от зоната на горене.
На практика по време на горене, особено при пожари, топлината на горене, посочена в таблиците, не се освобождава напълно, тъй като горенето е придружено от недогаряне. Известно е, че петролните продукти, както и бензенът, толуенът, ацетиленът, т.е. вещества, богати на
въглерод, изгаряне на пожари с образуване на значително количество сажди. Саждите (въглеродът) могат да горят и да отделят топлина. Ако се образува по време на горене, тогава горимото вещество отделя топлина, по-малко от количеството, посочено в таблиците. За вещества, богати на въглерод, коефициентът на недогаряне че 0,8 - 0,9. Следователно при пожари при изгаряне на 1 kg каучук могат да се отделят не 33520 kJ, а само 33520´0,8 = 26816 kJ.
Размерът на пожара обикновено се характеризира с площта на пожара. Количеството топлина, отделена на единица площ на огъня за единица време, се нарича топлината на огъня Q стр
QП= Qнυ мч ,
където υ ме масовата скорост на изгаряне, kg/(m 2 s).
Специфичната топлина на пожар по време на вътрешни пожари характеризира топлинното натоварване на конструкциите на сградите и конструкциите и се използва за изчисляване на температурата на пожара.
1.6. температура на горене
Топлината, отделена в зоната на горене, се възприема от продуктите на горенето, така че те се нагряват до висока температура. Температурата, до която се нагряват продуктите от горенето по време на горенето, се нарича температура на горене . Има калориметрични, теоретични и реални температури на горене. Действителната температура на горене за условия на пожар се нарича температура на пожар.
Под калориметрична температура на горене се разбира температурата, до която се нагряват продуктите от пълното изгаряне при следните условия:
1) цялата топлина, отделена по време на горенето, се изразходва за нагряване на продуктите от горенето (загубата на топлина е нула);
2) началните температури на въздуха и горимото вещество са равни на 0 0 С;
3) количеството въздух е равно на теоретично необходимото (a = 1);
4) настъпва пълно изгаряне.
Калориметричната температура на горене зависи само от състава на горимото вещество и не зависи от неговото количество.
Теоретичната температура, за разлика от калориметричната, характеризира горенето, като се вземе предвид ендотермичният процес на дисоциация на продуктите от горенето при висока температура
2CO 2 2CO + O 2 - 566,5 kJ.
2H 2 O 2 H 2 + O 2 - 478.5 kJ.
На практика дисоциацията на продуктите от горенето трябва да се вземе предвид само при температури над 1700 0 C. По време на дифузионно изгаряне на вещества в условия на пожар действителните температури на горене не достигат такива стойности, следователно само калориметричната температура на горене и температурата на пожар се използват за оценка на условията на пожар. Правете разлика между вътрешни и външни температури. Вътрешната температура на пожара е средната температура на дима в помещението, където възниква пожарът. Температурата на открит огън е температурата на пламъка.
При изчисляване на калориметричната температура на горене и температурата на вътрешен пожар се приема, че долната калорична стойност Q n на горимо вещество е равна на енергията q g, необходима за нагряване на продуктите от горенето от 0 0 C до калориметричната температура на горене
, е топлинният капацитет на компонентите на продуктите от горенето (топлинният капацитет на CO 2 се приема за смес от CO 2 и SO 2), kJ / (m 3? K).Всъщност не цялата топлина, отделена по време на горене в пожар, се изразходва за нагряване на продуктите от горенето. По-голямата част от него се изразходва за отопление на конструкции, подготовка на горивни вещества за изгаряне, нагряване на излишния въздух и т.н. Следователно температурата на вътрешния пожар е много по-ниска от калориметричната температура. Методът за изчисляване на температурата на горене предполага, че целият обем продукти на горенето се нагрява до една и съща температура. В действителност температурата в различните точки на горивната камера не е еднаква. Най-високата температура е в областта на пространството, където протича реакцията на горене, т.е. в зоната на горене (пламък). Температурата е много по-ниска на места, където има горими пари и газове, отделяни от горящото вещество и продукти от горенето, смесени с излишния въздух.
За да се прецени естеството на температурната промяна по време на пожар в зависимост от различните условия на горене, се въвежда понятието средна обемна температура на пожар, което се разбира като средната стойност на температурите, измерени с термометри в различни точки на вътрешен пожар. Тази температура се определя от опит.
Калоричността или калоричната стойност (калорична стойност) на горивото Q е количеството топлина, отделено по време на пълното изгаряне на 1 мол (kcal / mol), 1 kg (kcal / kg) или 1 m3 гориво (kcal / m3 ),
Стойността на обемната топлина на изгаряне обикновено се използва при изчисления, свързани с използването на газообразни горива. В същото време топлината на изгаряне на 1 m3 газ се отличава при нормални условия, т.е. при температура на газа от 0 ° C и налягане от 1 kgf / cm2, а при стандартни условия - при температура от 20 ° C и налягане 760 mm Hg. ст.:
Vct- 293 "нормален-
В тази книга всички изчисления на калоричността на газообразните горива са дадени за 1 m3 при нормални условия.
За нормални условия са изчислени и обемите на продуктите от горенето на всички видове горива.
При анализиране на гориво и при изчисления на топлинна техника трябва да се работи с по-високи и по-ниски калорични стойности.
Брутната калоричност на горивото QB, както вече беше споменато, е количеството топлина, отделена по време на пълното изгаряне на единица гориво с образуването на CO2, H2O в течно състояние и SO2. Близка до най-високата калоричност е калоричността, определена чрез изгаряне на гориво в калориметрична бомба в кислородна атмосфера.<2б. Незначительное отличие теплоты сгорания в бомбе от высшей теплоты сгорания QB обусловлено тем, что при сжигании в атмосфере кислорода топливо окисляется более глубоко, чем при его сгорании на воздухе. Так, например, сера топлива сгорает в калориметрической бомбе не до SO2, а до S03, и при сжигании топлива в бомбе образуются серная и азотная кислоты.
Нетната калоричност на горивото QH, както бе споменато по-горе, е количеството топлина, отделена по време на пълното изгаряне на единица гориво с образуването на CO2, H2O в състояние на пара и SO2. Освен това при изчисляване на нетната калоричност се взема предвид консумацията на топлина за изпаряване на влагата от горивото.
Следователно по-ниската калоричност се различава от по-високата в разхода на топлина за изпаряване на влагата, съдържаща се в горивото Wр и образува
Крекинг по време на изгарянето на водорода, съдържащ се в горивото
При изчисляване на разликата между най-високата и най-ниската калоричност се взема предвид консумацията на топлина за кондензация на водни пари и за охлаждане на получения кондензат до 0 ° C. Тази разлика е около 600 kcal на 1 kg влага, т.е. 6 kcal за всеки процент влага, съдържаща се в горивото или образувана при изгарянето на водорода, който е част от горивото.
Стойностите на по-високата и по-ниската калоричност на различните видове горива са дадени в табл. осемнадесет.
За горива с ниско съдържание на водород и влага разликата между по-високата и по-ниската калоричност е малка, например за антрацит и кокс - само около 2%. Въпреки това, за горива с високо съдържание на водород и влага, тази разлика става доста значителна. Така че за природния газ, който се състои главно от CH4 и съдържа 25% (според imaose) H, по-високата калоричност надвишава по-ниската с 11%.
По-високата калоричност на горимата маса от дърва за огрев, торф и кафяви въглища, съдържаща около 6% H, надвишава долната калоричност с 4-5%. Има много по-голяма разлика между по-високите и по-ниските калорични стойности на работната маса на тези много мокри CH ^ горива. Тя е около 20%.
При оценката на ефективността на използването на тези видове гориво е от съществено значение каква калоричност се взема предвид - по-висока или по-ниска.
В СССР и в повечето чужди страни топлотехническите изчисления обикновено се извършват въз основа на по-ниската калоричност на горивото, тъй като температурата на отработените газове, отстранени от инсталациите, използващи гориво, надвишава 100 ° C и следователно не се получава кондензация на водни пари, съдържащи се в продуктите на горенето.
В Обединеното кралство и Съединените щати подобни изчисления обикновено се правят на базата на горната калоричност на горивото. Следователно, когато се сравняват данните от изпитванията на котли и пещи, извършени на базата на най-ниската и най-високата калоричност, е необходимо да се преизчислят Qн и QB по формулата
Q„ \u003d QB-6 (G + 9H) kcal / kg. (II.2)
При изчисленията на топлотехниката е препоръчително да се използват и двете стойности на калоричността. Така че, за да се оцени ефективността на използването на природен газ в котелни, оборудвани с контактни економайзери, при температура на димните газове от около 30-40 ° C, трябва да се вземе най-високата калоричност и изчислението при условия, при които кондензацията на водна пара не е по-удобно е да се извърши въз основа на най-ниската калорична стойност.
Топлината на изгаряне на горивото се определя от състава на горимата маса и съдържанието на баласт в работната маса на горивото.
Топлината на изгаряне на горивните горивни елементи е значително различна (за водорода, около 4 пъти повече, отколкото за въглерода, и 10 пъти повече, отколкото за сярата).
Топлината на изгаряне на 1 kg бензин, кеоозин, мазут, т.е. течно гориво с високо съдържание на водород, значително надвишава топлината на изгаряне на горимата маса на кокс, антрацит и други видове твърдо гориво с високо съдържание на въглерод и много ниско съдържание на водород. Топлината на изгаряне на горима маса от гориво се определя от неговия елементарен състав и химичния състав на съставните му съединения.
По-високата калоричност на атомния водород, генериран от специални инсталации, е около 85 500 kcal/kg-атом, а най-високата
|
Стойността на по-високата и по-ниската калоричност на някои видове гориво
|
Топлината на изгаряне на молекулярен водород, съдържащ се в газообразното гориво, е само 68 000 kcal/mol. Разликата в топлините на изгаряне (2-85 500-68 000), която е около 103 000 kcal/mol, се дължи на потреблението на енергия за разрушаване на връзките между водородните атоми.
Естествено, разликата в количеството топлина, отделена при изгарянето на водорода, който е част от горимата маса на различните видове гориво, е несравнимо по-малка от разликата между топлината на изгаряне на атомния и молекулярния водород, но все пак отнема място.
Естеството на връзките между въглеродните атоми в молекулата също оказва значително влияние върху топлината на изгаряне на горивото.
Съставът на различни видове гориво включва въглеводороди от различни хомоложни серии. Влиянието на естеството на химичните връзки между атомите върху топлината на изгаряне на горима маса от гориво може да се види от разглеждането на състава и топлината на изгаряне на въглеводородното гориво.
1. Алканите (парафиновите въглеводороди) са наситени въглеводороди с алифатна структура. Общата формула на алканите е SpNgp + 2, или CH3-(CH2) p-2-CH3.
Най-лекият въглеводород, метан CH4, е включен в. състав на повечето технически газове и е основният компонент на природните газове: Ставропол, Шебелински, Тюмен, Оренбург и др. Етанът CgHv се намира в нефт и природни газове, както и в газове, получени чрез суха дестилация на твърди горива. Пропан C3H8 и бутан C4H10 са предимно втечнени газове.
Алканите с високо молекулно тегло се намират в различни видове течни горива. В наситените въглеводородни молекули съществуват следните връзки между атомите: С-Н и С-С. Например, структурната формула на нормален хексан C6Hi4 е
аз аз аз аз аз аз
Има 5 C-C връзки и 14 C-H връзки в молекула хексан.
2. Циклани - наситени въглеводороди с циклична структура. Обща формула на цикланите SpN2p.
|
6 C-C връзки и 12 C-H връзки. 3. Алкени - ненаситени моноолефинови въглеводороди. Общата формула на SpNgp. Етиленът (етен), най-лекият въглеводород от тази хомоложна серия, се намира в газовете от коксови пещи и полукоксови пещи; той е включен в значителни количества в газовете от рафинериите. Връзки между атоми: C-H, C-C и една двойна (олефинова) връзка между два въглеродни атома C \u003d C; например за нормален хексен C6H12 (хексен-1) 5. Алкини - ненаситени въглеводороди с алифатна структура с тройна връзка C \u003d C. Общата формула на алкините SpN2p-2. От въглеводородите от този клас най-важен е ацетиленът НС = СН. Връзките между атомите в алкините: H-C, C-C и C \u003d C. Топлината на изгаряне и топлинната мощност на въглеводородите се влияят силно от енергията на разкъсване на връзките между атомите в молекулата. Топло? и разкъсването на H-H връзката с образуването на атомен водород е около 103 хиляди kcal / mol. В табл. 19 показва данни за топлината на разкъсване на връзката във въглеводородите според Я. К. Сиркин и М. Е. Дяткина G161 и според Л. Паулин - GU. Таблица 19 |
За да разберете влиянието на естеството на връзките между въглеродните атоми в въглеводородна молекула върху топлината на тяхното изгаряне, препоръчително е да използвате не абсолютните стойности на енергията на връзките между атомите, а разликите в енергийния резерв поради до различния характер на връзките: между атомите в молекулата.
Когато се сравняват топлината на разкъсване на връзките между въглеродните атоми в една въглеводородна молекула, лесно е да се види, че разкъсването на една двойна връзка изисква много по-малко енергия, отколкото разкъсването на две единични връзки. Консумацията на енергия за разкъсване на една тройна връзка е дори по-малка от консумацията на енергия за разкъсване на три единични връзки. Да се установи ефектът от разликата в топлината на разкъсване на двойните и единичните връзки между въглеродните атоми върху топлината на изгаряне
29-
въглеводороди, сравняваме два въглеводорода с различни структури: етилен H2C=CH2 и циклохексан CeHi2. И двата въглеводорода имат два водородни атома на въглероден атом. Въпреки това, ненаситеният етиленов въглеводород има двойна връзка между въглеродните атоми, а наситеният цикличен въглеводород циклохексан има единични връзки между въглеродните атоми.
За по-лесно изчисление сравняваме три мола етилен (3-C2H4) с един мол циклохексан (CeHi2), тъй като в този случай, когато връзките между атомите се разкъсат, се образуват същия брой грам атоми въглерод и водород.
Енергията, необходима за разрушаване на връзките между атомите в три мола C2H4 етилен, е по-малка от енергията, необходима за разрушаване на връзките в един мол SvH12 циклохексан. Всъщност и в двата случая е необходимо да се разкъсат 12 C-H връзки между въглеродни и водородни атоми, а в допълнение към това, в първия случай - три двойни връзки C \u003d C, а във втория случай - шест единични C-C връзки, което води до голям разход на енергия.
Тъй като броят на грам атомите въглерод и водород, получени чрез разкъсване на връзки в три мола етилен и един мол циклохексан, е еднакъв, топлината на изгаряне на три мола етилен трябва да бъде по-висока от топлината на изгаряне на един мол циклохексан с броя килокалории, съответстващ на разликата в топлината на разкъсване на връзките между атомите в един мол циклохексан и три мола етилен.
Нетната топлина на изгаряне на три мола етилен е 316-3 = = 948 хиляди kcal, а един мол циклохексан е 882 хиляди kcal.
Топлината на образуване на въглеводороди от графит и молекулярен водород може да се изчисли по формулата
Където Qc „Hm - долна калоричност на въглеводорода, kcal / mol; Qc - топлината на изгаряне на въглерод под формата на графит, kcal/kg-атом; n е броят на въглеродните атоми във въглеводородна молекула; Qh2 - долна топлина на изгаряне на молекулярен водород, kcal/mol; m е броят на водородните атоми във въглеводородна молекула.
В табл. 20 показва топлините на образуване на графит и молекулярен газообразен водород от някои въглеводороди и показва съотношенията на топлините на образуване към топлините на изгаряне на съответните количества въглерод и молекулярен водород.
Нека разгледаме няколко примера, илюстриращи валидността на горните разпоредби.
Метан CH4. Най-ниската калоричност е 191,8 хиляди kcal/mol. Топлинното съдържание на 1 kg въглероден атом и 2 kmol водород, еквивалентно на 1 kmol метан, е 94 + 2-57,8 = 209,6 хиляди kcal. Следователно топлината на образуване на графит и молекулярен водород от метан е 191,8-209,6=-17,8 хиляди kcal/mol.
Съотношението на топлината на образуване на въглерод и водород от метан към сумата от топлините на изгаряне на въглерод и водород, образувани от метан, е
|
Таблица 20 Топлина на изгаряне на въглеводороди и еквивалентни количества въглерод и водород
|
Съотношението на топлината на образуване на въглерод и водород от етан към сумата от топлината на изгаряне, образувана от въглерод и водород от етан, е 20-100
AC>=-ZbM~ = -5’5%-
Пропан CzH8. Нетната калоричност на пропана е 488,7 хиляди kcal / mol. Сумата от топлините на изгаряне на пропан-еквивалентни количества въглерод и водород е равна на
3-94 + 4-57,8 \u003d 513,2 хиляди kcal / mol.
Топлина на образуване на графит и водород от пропан
488,7-513,2 \u003d -24,5 хиляди kcal / mol.
Съотношението на топлината на образуване на въглерод и водород от пропан към сумата от топлините на изгаряне на образувания въглерод и водород е -24,5-1000
Л<2=——— 513^- =-4,8%.
Етилен (етен) CaH4. Долната калоричност на етилена е 316,3 хиляди kcal/mol. Сумата от топлината на изгаряне, еквивалентна на един мол етилен, 2 kg-атом въглерод и 2 kmol водород, е 303,6 хиляди kcal / mol.
Топлината на образуване на графит и водород от етилен е равна на
316,3-303,6 \u003d 12,7 хиляди kcal / mol.
Следователно съотношението на топлината на образуване на въглерод и водород от етилен към сумата от топлините на изгаряне, образувани от етилен на въглерод и водород, е 12,7-100
НО
Пропилен (пропен) C3Hb. Долната калоричност на пропилена е 460,6 хиляди kcal / mol.
Топлината на образуване на графит и водород от пропилен е
460,6-455,4 \u003d 5,2 хиляди kcal / mol,
Съотношението на топлината на образуване на въглерод и водород от пропилей към сумата от техните топлини на изгаряне е
Топлината на разлагане на въглерод и молекулярен водород в първите членове на съответната хомоложна серия от ненаситени въглеводороди е положителна (екзотермична реакция), а с увеличаване на молекулното тегло топлината на разлагане намалява и става отрицателна. Следователно сред ненаситените въглеводороди трябва да има вещество с определено молекулно тегло, чиято топлина на разлагане на въглерод и водород е малка.
В поредицата от ненаситени въглеводороди с една двойна връзка - алкен - бутиленът е такъв въглерод.
CH2 \u003d CH-CH2-SNYA.
Топлината на разлагане на 1 kmol бутилен във въглерод и молекулярен водород е само ~600 kcal, което е около 0,1% от сумата на топлините на изгаряне, образувани по време на разлагането на въглерод и водород бутилен.
В съответствие с гореизложеното топлината на изгаряне на въглеводороди и други органични вещества се определя по-точно от техния групов компонентен състав. Въпреки това е практически възможно да се фиксира топлината на изгаряне на едно гориво въз основа на груповия му компонентен състав само за газообразните горива.
Определянето на груповия състав на течните и особено твърдите горива е толкова трудно, че трябва да се ограничи само до определяне на елементния състав на горивото и да се изчисли топлината на изгаряне според елементния анализ на горимата маса на горивото и съдържанието на баласт в работната маса на горивото. В допълнение към въглерода, водорода и сярата, съставът на горимата маса на горивото включва азот и кислород.
Всеки процент азот, съдържащ се в горимата маса на горивото, намалява топлината му на изгаряне с 1%. Съдържанието на азот в горимата маса на течното гориво обикновено е десети от процента, в твърдото гориво 1-2%. Следователно наличието на азот в горимата маса на течността и. твърдото гориво има относително малък ефект върху неговата калоричност.
В газообразното гориво, за разлика от течното и твърдото, азотът не влиза в състава на компонентите на горимата маса, а се съдържа под формата на молекулярен азот N2 и е баластиращ компонент. Съдържанието на азот в някои видове газообразни горива е много високо и значително влияе върху тяхната калоричност.
|
Зависимост на калоричността и топлинната мощност на горимата маса на твърдо гориво от съдържанието на кислород в него1
|
Както бе споменато по-горе, всеки процент химически свързан кислород, съдържащ се в горимата маса, намалява топлината на изгаряне с 26 kcal/kg.
По този начин, 1% увеличение на съдържанието на кислород в горимата маса на твърдо гориво, например въглища с калоричност около 8000 kcal/kg, намалява калоричността на горимата маса на горивото с 1% в резултат на намаляване на съдържанието на въглерод и водород и с (26-100) -.8000=0.32% поради частично окисление на горимата маса на горивото, но само с около 1.3%. Следователно промяната в съдържанието на кислород в горимата маса на горивото се отразява силно върху неговата калоричност.
Топлините на изгаряне на горимата маса на твърдо гориво със съдържание на водород около 6%, сравнително ниско съдържание на сяра и различно съдържание на кислород и въглерод са дадени в табл. 21.
Данните, дадени в таблицата, показват, че калоричността на горимата маса от тлъсти въглища е с 80% по-висока от калоричността на горимата маса от дървесина поради по-ниското съдържание на кислород и съответно по-високото съдържание на въглерод.
Баластът в горивото рязко намалява неговата калоричност, главно поради съответното намаляване на съдържанието на горимата маса. В допълнение, част от топлината се изразходва за изпаряване на влагата и със значително съдържание на минерална маса на горивото, също и за разлагането му при високи температури в пещите. Съответно делът на полезната топлина се намалява.
При битуминозни въглища с калоричност от около 6000 kcal/kg, увеличаването на съдържанието на влага с 1% намалява нетната калоричност с 66 kcal/kg, включително 60 kcal/kg в резултат на увеличаване на съдържанието на баласт в гориво и с 6 kcal/kg поради потреблението на топлина за изпаряване на влага.
2 B M Rarich 33
По този начин допълнителната консумация на топлина за изпаряване на влагата е само Vio от намаляването на калоричността поради намаляването на съдържанието на горима маса в горивото. За мазут с калоричност над 9000 kcal/kg делът на допълнителната консумация на топлина за изпаряване на влага е още по-малък (Таблица 22).
Таблица 22
|
Промяна в нетната калоричност на горивото с увеличаване на съдържанието на влага с 1%
|
За гориво с постоянен състав на горимата маса и ниско съдържание на пепел калоричността се определя еднозначно от съдържанието на влага. Следователно, за горива като дърва за огрев, нетната калоричност на работната маса QS може да се определи в зависимост от съдържанието на влага по формулата
Qjj (100 - WV) - 600WP
QЈ=—————— jqq————— kcal/kg,
Където QЈ е долната калоричност на сухото гориво (малко променяща се стойност, взета от референтните таблици), kcal / kg; - съдържанието на іvl^gi, се определя от анализа на работното гориво,% тегловни).
При променливо пепелно съдържание на горивото долната калоричност на работната маса се изчислява от калоричността на горимата маса по формулата
600WP
Qk=———————- jqq—————— kcal/kg,
Където Qh е най-ниската калоричност на горимата маса, kcal/kg; Рр е пепелното съдържание на горивото, %'. - съдържание на влага в горивото, %
5. ТОПЛИНЕН БАЛАНС НА ГОРЕНЕ
Обмислете методите за изчисляване на топлинния баланс на процеса на изгаряне на газообразни, течни и твърди горива. Изчислението се свежда до решаване на следните задачи.
· Определяне на топлината на изгаряне (калоричността) на горивото.
· Определяне на теоретичната температура на горене.
5.1. ТОПЛИНА НА ГОРЕНЕ
Химичните реакции са придружени от отделяне или поглъщане на топлина. При отделяне на топлина реакцията се нарича екзотермична, а при поглъщане – ендотермична. Всички реакции на горене са екзотермични, а продуктите от горенето са екзотермични съединения.
Топлината, отделена (или абсорбирана) по време на химическа реакция, се нарича топлина на реакцията. При екзотермичните реакции той е положителен, при ендотермичните е отрицателен. Реакцията на горене винаги е придружена от отделяне на топлина. Топлина на изгаряне Q g(J / mol) е количеството топлина, което се отделя по време на пълното изгаряне на един мол вещество и превръщането на горимо вещество в продукти на пълно изгаряне. Молът е основната единица SI за количеството вещество. Един мол е такова количество вещество, което съдържа толкова частици (атоми, молекули и т.н.), колкото има атоми в 12 g от изотопа въглерод-12. Масата на количество вещество, равно на 1 мол (молекулна или моларна маса), числено съвпада с относителното молекулно тегло на дадено вещество.
Например, относителното молекулно тегло на кислорода (O 2 ) е 32, въглеродния диоксид (CO 2 ) е 44, а съответните молекулни тегла биха били M=32 g/mol и M=44 g/mol. Така един мол кислород съдържа 32 грама от това вещество, а един мол CO 2 съдържа 44 грама въглероден диоксид.
В техническите изчисления често се използва не топлината на изгаряне Q g, и калоричността на горивото Q(J/kg или J/m 3). Калоричността на дадено вещество е количеството топлина, което се отделя при пълното изгаряне на 1 kg или 1 m 3 вещество. За течни и твърди вещества изчислението се извършва на 1 kg, а за газообразни вещества - на 1 m 3.
Познаването на топлината на изгаряне и калоричността на горивото е необходимо за изчисляване на температурата на горене или експлозия, налягането на експлозията, скоростта на разпространение на пламъка и други характеристики. Калоричността на горивото се определя експериментално или изчислително. При експерименталното определяне на калоричността дадена маса твърдо или течно гориво се изгаря в калориметрична бомба, а при газообразно гориво - в газов калориметър. Тези устройства измерват общата топлина Q 0 , освободен по време на изгарянето на проба от теглото на горивото м. Калорична стойност Q gсе намира по формулата
Връзката между топлината на изгаряне и
калоричност на горивото
За да се установи връзката между топлината на изгаряне и калоричността на дадено вещество, е необходимо да се напише уравнението за химическата реакция на горене.
Продуктът от пълното изгаряне на въглерода е въглероден диоксид:
C + O 2 → CO 2.
Продуктът от пълното изгаряне на водорода е вода:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O.
Продуктът от пълното изгаряне на сярата е серен диоксид:
S + O 2 → SO 2.
В същото време азот, халогениди и други незапалими елементи се освобождават в свободна форма.
горим газ
Като пример ще изчислим калоричността на метан CH 4, за който топлината на изгаряне е равна на Q g=882.6 .
Определете молекулното тегло на метана в съответствие с неговата химична формула (CH 4):
М=1∙12+4∙1=16 g/mol.
Определете калоричността на 1 kg метан:
Нека намерим обема на 1 kg метан, като знаем неговата плътност ρ=0,717 kg/m 3 при нормални условия:
.
Определете калоричността на 1 m 3 метан:
Калоричността на всички горими газове се определя по подобен начин. За много често срещани вещества калоричните стойности и калоричните стойности са измерени с висока точност и са дадени в съответната референтна литература. Нека дадем таблица със стойности за калоричността на някои газообразни вещества (Таблица 5.1). Стойност Qв тази таблица е дадено в MJ / m 3 и в kcal / m 3, тъй като 1 kcal = 4,1868 kJ често се използва като единица за топлина.
Таблица 5.1
Калоричност на газообразните горива
|
вещество |
ацетилен |
|||||
|
Q |
||||||
Горимо вещество - течно или твърдо
Като пример ще изчислим калоричността на етилов алкохол C 2 H 5 OH, за който топлината на изгаряне Q g= 1373,3 kJ/mol.
Определете молекулното тегло на етилов алкохол в съответствие с неговата химична формула (C 2 H 5 OH):
М = 2∙12 + 5∙1 + 1∙16 + 1∙1 = 46 g/mol.
Определете калоричността на 1 kg етилов алкохол:
Калоричността на всякакви течни и твърди горими вещества се определя по подобен начин. В табл. 5.2 и 5.3 показват калоричността Q(MJ/kg и kcal/kg) за някои течни и твърди вещества.
Таблица 5.2
Калоричност на течните горива
|
вещество |
Метилов алкохол |
Етанол |
Мазут, масло |
||||
|
Q |
|||||||
Таблица 5.3
Калоричност на твърдите горива
|
вещество |
свежо дърво |
дърво сухо |
Кафяви въглища |
Торф сух |
Антрацит, кокс |
||
|
Q |
|||||||
Формулата на Менделеев
Ако калоричността на горивото е неизвестна, тогава тя може да се изчисли с помощта на емпиричната формула, предложена от D.I. Менделеев. За да направите това, трябва да знаете елементарния състав на горивото (еквивалентната формула на горивото), тоест процентното съдържание на следните елементи в него:
Кислород (О);
Водород (H);
Въглерод (C);
Сяра (S);
Пепел (A);
Вода (W).
Продуктите от горенето на горивата винаги съдържат водна пара, която се образува както поради наличието на влага в горивото, така и при изгарянето на водорода. Отпадъчните продукти от горенето напускат промишленото предприятие при температура над температурата на точката на оросяване. Следователно топлината, която се отделя при кондензацията на водните пари, не може да се използва полезно и не трябва да се взема предвид при топлинните изчисления.
За изчислението обикновено се използва нетната калоричност. Q nгориво, което отчита топлинните загуби с водни пари. За твърди и течни горива стойността Q n(MJ / kg) се определя приблизително по формулата на Менделеев:
Q n=0.339+1.025+0.1085 – 0.1085 – 0.025, (5.1)
където процентното (масово%) съдържание на съответните елементи в горивния състав е посочено в скоби.
Тази формула отчита топлината на екзотермичните реакции на горене на въглерод, водород и сяра (със знак плюс). Кислородът, който е част от горивото, частично замества кислорода във въздуха, така че съответният член във формула (5.1) се приема със знак минус. Когато влагата се изпарява, се изразходва топлина, така че съответният член, съдържащ W, също се приема със знак минус.
Сравнението на изчислените и експериментални данни за калоричността на различни горива (дърво, торф, въглища, масло) показа, че изчислението по формулата на Менделеев (5.1) дава грешка, която не надвишава 10%.
Долна калоричност Q n(MJ / m 3) на сухи горими газове може да се изчисли с достатъчна точност като сумата от произведенията на калоричността на отделните компоненти и техния процент в 1 m 3 газообразно гориво.
Q n= 0,108[Н 2 ] + 0,126[СО] + 0,358[CH 4 ] + 0,5[С 2 Н 2 ] + 0,234[Н 2 S ]…, (5.2)
където процентното (об.%) съдържание на съответните газове в сместа е посочено в скоби.
Средната калоричност на природния газ е приблизително 53,6 MJ/m 3 . В изкуствено произведените горими газове съдържанието на CH 4 метан е незначително. Основните горими компоненти са водород H2 и въглероден оксид CO. В коксовия газ, например, съдържанието на H 2 достига (55 ÷ 60)%, а долната калоричност на този газ достига 17,6 MJ/m 3 . В генераторния газ съдържанието на CO ~ 30% и H 2 ~ 15%, докато нетната калорична стойност на генераторния газ Q n= (5.2÷6.5) MJ/m 3 . В доменния газ съдържанието на CO и H 2 е по-малко; величина Q n= (4.0÷4.2) MJ/m 3 .
Помислете за примери за изчисляване на калоричността на веществата по формулата на Менделеев.
Нека определим калоричността на въглищата, чийто елементарен състав е даден в табл. 5.4.
Таблица 5.4
Елементарен състав на въглищата
Нека заместим даденото в табл. 5.4 данни във формулата на Менделеев (5.1) (азот N и пепел А не са включени в тази формула, тъй като те са инертни вещества и не участват в реакцията на горене):
Q n=0,339∙37,2+1,025∙2,6+0,1085∙0,6–0,1085∙12–0,025∙40=13,04 MJ/kg.
Нека определим количеството дърва за огрев, необходимо за загряване на 50 литра вода от 10 ° C до 100 ° C, ако 5% от топлината, отделена по време на горенето, се изразходва за отопление и топлинния капацитет на водата с\u003d 1 kcal / (kg ∙ deg) или 4,1868 kJ / (kg ∙ deg). Елементният състав на дървата за огрев е даден в табл. 5.5:
Таблица 5.5
Елементен състав на дърва за огрев
|
Нека намерим калоричността на дървата за огрев според формулата на Менделеев (5.1): Q n=0,339∙43+1,025∙7–0,1085∙41–0,025∙7= 17,12 MJ/kg. Определете количеството топлина, изразходвано за нагряване на вода при изгаряне на 1 kg дърва за огрев (като вземете предвид факта, че 5% от топлината (a = 0,05), отделена по време на горенето, се изразходва за нагряването й): Q 2=а Q n=0,05 17,12=0,86 MJ/kg. Определете количеството дърва за огрев, необходими за загряване на 50 литра вода от 10°C до 100°C:
Така за загряване на вода са необходими около 22 кг дърва за огрев. |
килограма.
