Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Vayutner_Bezzaaponnaya[2]

.pdf
Скачиваний:
30
Добавлен:
12.03.2015
Размер:
428.24 Кб
Скачать

где η коэффициент теплопотерь (доля потерь тепла на излучение, а также в результате неполноты сгорания);

срПГi теплоёмкость i-го продукта горения при постоянном давлении, кДж/моль

К;

VПГi – объём i-го продукта горения, м3.

Расчёт объёма продуктов горения (СО2, следующим формулам:

VCO2

=1,86

 

С

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VH2O

=11,2

 

 

Н

+1,24

 

W

 

;

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

;

VN2

=

 

 

 

7C + 21(H

 

 

 

) + 2,6 S + 0,8

N

100

 

8

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VSO

=0,7

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из уравнения теплового баланса:

 

 

ТГ =Т0 +

 

 

Qн (1 η)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

срПГi VПГi

 

 

 

 

 

Н2О, SO2, N2) проводится по

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

Трудность в определении температуры горения по этой формуле

заключается в том, что теплоёмкость газа зависит от температуры. Так как газы

нагреваются от температуры Т0 до температуры Тг , то в формулу (36) необходимо подставить среднее значение теплоёмкости именно в этом интервале температур. Но температура горения нам неизвестна и мы хотим её найти. В этом случае можно поступить следующим образом. Среднее значение температуры горения большинства веществ в воздухе составляет примерно 1500 К. Поэтому с небольшой погрешностью в определении Тг для расчётов можно взять среднее значение теплоёмкости в интервале температур 273–1500 К. Эти значения для основных продуктов горения приведены в табл. 6.

Таблица 6 Средние значения теплоёмкостей основных продуктов горения

в интервале температур 273–1500°С

Вещество

Удельная теплоёмкость,

срi

 

 

 

 

 

 

кДж/(м3 К)

кДж/(моль К)

Диоксид углерода

2, 27

5,

 

-2

 

 

08 10

 

Диоксид серы

2, 28

5,

 

-2

 

 

11 10

 

Вода (пар)

1, 78

3,

 

-2

 

 

99 10

 

Азот

1, 42

3,

 

-2

 

 

18 10

 

Воздух

1, 44

3,

 

-2

 

 

23 10

 

 

21

 

 

 

Среднее значение теплоёмкости некоторых газообразных веществ в различных температурных интервалах приведены также в табл. III приложения.

Рассмотрим примеры решения задач на расчёт температуры горения.

3.1.РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ

СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 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).

Qн = 339,4 С +1257 Н 108,9(О + N S) 25(9 Н +W ) =

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

2.Рассчитаем объёмы продуктов горения при полном сгорании 1 кг горючего

вещества сложного состава (см. формулы) (32–34):

V

=1,86

 

С

=1,86

40

=0,744(м3 / кг) ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CO

 

 

 

100

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VH 2O

=11,2

 

Н

+1,24

 

W

=11,2

 

20

+1,24

 

10

 

= 2,36 (м3 / кг) ;

 

100

100

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

VN2

=

1

7C + 21(H

O

) + 2,6 S +0,8 N

=

 

1

[7 40 + 21 20 +0,8 30]= 7,24(м3

/ кг)

 

 

100

 

100

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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):

Vвоздизб = 0,269( 403 + 20) (1,2 1) =1,79(м3 / кг) .

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):

Тг

= 273 +

 

 

30680 (1 0,3)

 

=1418 К .

2,27

0,744

+1,78 2,364 +1,42 7,24

+1,44 1,79

 

 

 

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

22

3.2. РАСЧЁТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ МЕТОДОМ 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 Тг будет равно количеству теплоты, выделившейся в результате химической реакции.

С учётом теплопотерь:

Qн (1 η) = НПГi VПГi ,

(38)

где НПГi – 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:

VCO2 = 2моль/ моль;

VН2O = 3моль / моль ;

VN2 =3 3,76 =11.28моль/ моль; объём

продуктов горения

VПГ =16,28моль/ моль.

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

Qн =−( НСО2 nCO2 + НН2О nН2О НС2Н6О nC2Н6О ) =−(2 (396,9) +3 (242,2) (278,2)) = =1242,2 (кДж/ моль)

4. Так как теплопотери отсутствуют, то всё выделившееся тепло идёт на нагрев

продуктов горения. Среднее теплосодержание 1 моля продуктов горения будет

составлять:

Нср =

Qн

=

1242,2

=76,3 (кДж/моль).

VПГi

 

16,28

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°С теплосодержание азота 74, 1 кДж/моль. Уточним, сколько

23

потребовалось бы тепла, чтобы нагреть продукты горения до такой

температуры. При Т1 = 2200 °С:

Qн1 = НСО2 VСО2 + НН2О VН2О + НN2 VN2 =120,8 2 +98,8 3 +74,1 11,28 =1373,5(кДж

/моль).

Но это больше, чем выделилось тепла в результате реакции горения Qн1 Qн ,

поэтому можно сказать, что температура горения меньше, чем 2200 °С. Определим, сколько потребуется тепла для нагревания продуктов горения до 2100 °С.

 

 

 

Qн2

=114,7 2 +93,4 3 +70,4 13,16 =1303,7(кДж/ моль).

 

 

 

Но и Qн2 Qн , значит Тг < 2100°С.

 

 

 

При температуре 2000°С:

 

 

 

 

 

Qн3

=180,6 2 +88,1 3 +66,8 11,28 =1217(кДж/ моль) .

 

 

 

Qн3

уже меньше, чем Qн , из этого можно сделать вывод, что температура

горения этанола имеет значение между 2000 и 2100°С.

 

 

 

 

Уточним искомую температуру линейной интерполяцией между двумя

этими ближайшими значениями:

 

 

Т

г

=Т

3

+

Т2

Т3

(Q Q ) = 2000 +

2100 2000

(1242 1217) = 20290 С или 2302 К.

 

 

 

 

 

 

Q2

 

н 3

1303,7 1217

 

 

 

 

 

Q3

ОТВЕТ: адиабатическая температура горения этанола составила 2302 К.

3.3.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 + 4,5О24СО+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.

24

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

9Н14О3N2S), 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

С6Н52

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

 

25

 

21.8

Этанол

С2Н6О

21.9

Пропанол-1

С3Н8О

21.10

Бутанол-1

С4Н10О

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

η.

Таблица 8

Название

Элементный состав вещества, масс. %

α

η

задания

вещества

С

Н

О

S

N

W

зола

22.1

Антрацит

67

3

4

0,5

1,0

3

21,5

1,1

0,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22.2

Горючий

24,2

1,8

4,5

3,0

2,0

25

39,5

1,2

0,3

сланец

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22.3

Керосин

80

13,7

0,3

-

-

6

-

1,3

0,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22.4

Бензин

85

8,0

5,0

-

2,0

 

 

1,4

0,3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22.5

Соляровое

86,0

12,0

1,2

0,8

-

-

-

1,5

0,2

 

масло

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22.6

Мазут

84

10

2

3

-

1

-

1,6

0,3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22.7

Древесина

46

6

37

-

2

9

-

1,7

0,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22.8

Уголь

72

6

4

2

3

13

-

1,8

0,3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22.9

Церезин

85

14

1

-

-

-

-

1,7

0,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22.10

Горючий

30

5

12

5

2

10

36

1,6

0,3

 

сланец

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 ηх=0,15, за счёт излучения ηизл=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 воздуха α = 1, 4.

26

ПРИЛОЖЕНИЕ Список принятых обозначений

n – число молей вещества;

β – стехиометрический коэффициент;

Vвтеор – теоретически необходимый для горения, м3;

Vвд – действительный (практический) объём воздуха, пошедшего на горение, м3; Vпгт – теоретический объём продуктов горения, м3;

Р – давление газа, Па; Р0 – исходное (атмосферное) давление, Па;

Т – температура вещества, К; Q – количество теплоты, Дж;

Vi – объём i-того газообразного вещества, м3, кмоль; α - коэффициент избытка воздуха;

m – масса вещества, кг;

М – масса одного кмоля вещества, кг/кмоль;

Qн – низшая теплота сгорания вещества, кДж/моль, кДж/кг; Нi – энтальпия i-го вещества, кДж/моль, кДж/м3 ;

Тг – 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,

ρ,

Тпл,

Ткип,

Нf0,

кг/кмоль

кг/м3

К

К

кДж/моль

Воздух О2+3,76 N2

29

1,29

60

81

-

Аргон Ar

40

1,78

83,7

87,3

0

Оксид углерода СО

28

1,25

68

81

-110,6

Диоксид углерода СО2

44

1,98

216,4

194,5

-396,9

Метан СН4

16

0,72

90,5

112,4

-74,8

Этан С2Н6

30

1,36

90,5

184,4

-88,4

Пропан С3Н8

44

2,02

85,6

230,9

-109,4

Бутан С4Н10

58

2,70

134,6

272,5

-126

Изобутан С4Н10

58

2,67

113,4

261,3

-

Этилен С2Н4

28

1,26

110,8

169,3

39,8

Ацетилен С2Н2

26

1,17

192,2

189,2

226,8

Водород Н2

2

0,09

13,8

20,3

0

Водяной пар Н2Опар

18

0,77

273

373,0

242,2

Азот N2

28

1,25

63

77,2

0

Кислород О2

32

1,43

54,9

90,1

0

Аммиак NН3

17

0,77

-

240,0

-46,8

Сероводород Н2S

34

1,26

160,9

319,3

-20,16

 

 

27

 

 

 

Таблица II

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева

Таблица III

Средняя объёмная теплоёмкость

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Темпера-

 

 

 

Ср, кДж/м3К

 

 

 

тура, К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СО2

Н2О

N2

 

О2

 

SO2

Н2

СН4

500

1,79

1,52

1,30

 

1,37

 

1,89

1,30

1,76

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

600

1,86

1,54

1,31

 

1,37

 

1,96

1,30

1,89

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

700

1,93

1,57

1,32

 

1,38

 

2,01

1,30

2,01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

800

1,99

1,59

1,33

 

1,40

 

2,07

1,31

2,14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

900

2,04

1,63

1,34

 

1,41

 

2,12

1,31

2,26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1000

2,09

1,64

1,35

 

1,44

 

2,15

1,31

2,38

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1100

2,13

1,67

1,37

 

1,45

 

2,18

1,32

2,50

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1200

2,17

1,70

1,38

 

1,47

 

2,22

1,33

2,60

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1300

2,20

1,72

1,39

 

1,48

 

2,24

1,33

2,70

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1400

2,24

1,75

1,40

 

1,49

 

2,26

1,34

2,80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1500

2,26

1,78

1,41

 

1,50

 

2,28

1,34

2,86

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1600

2,29

1,80

1,42

 

1,51

 

2,29

1,35

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1700

2,30

1,83

1,43

 

1,52

 

2,31

1,36

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1800

2,34

1,85

1,44

 

1,53

 

2,32

1,37

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1900

2,36

1,88

1,45

 

1,54

 

2,34

1,38

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2000

2,38

1,90

1,46

 

1,55

 

2,35

1,38

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2100

2,39

1,92

1,47

 

1,55

 

2,36

1,39

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2200

2,41

1,94

1,48

 

1,56

 

2,38

1,40

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2300

2,42

1,96

1,48

 

1,57

 

2,40

1,41

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2400

2,44

1,98

1,49

 

1,58

 

2,41

1,42

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2500

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.

29

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

 

 

30

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]