Уравнение горения метана в воздухе (2 видео)

Расчеты горения

Расчеты горения ведут по химическим уравнениям реакций, используя законы газового состояния: Бойля – Мариотта , Гей-Люссака , Шарля и Клапейрона – Менделеева . Используется также закон Авогадро, согласно которому один грамм-моль любого газа при нормальных условиях (Т = 273 К, Р = 760 мм рт. ст.) занимает одинаковый объём – 22,4 дм 3 . Соответственно один кг-моль – 22,4 м 3 .

Рассмотрим реакцию горения водорода в кислороде: . Из уравнения следует, что при нормальных условиях для полного сгорания 2 × 22,4 = 44,8 м 3 водорода требуется 22,4 м 3 кислорода. Обычно для простоты и удобства расчеты ведут на один кубометр сжигаемого газа, т.е. для сгорания 1 м 3 водорода требуется 0,5 м 3 кислорода.

Рассмотрим реакцию горения метана в кислороде: . Из уравнения следует, что для полного сгорания 22,4 м 3 метана требуется 2 × 22,4 = 44,8 м 3 кислорода. Следовательно, для сгорания 1 м 3 метана необходимо 2 м 3 кислорода.

В практических условиях сжигание газа осуществляется в воздухе. Примем состав сухого воздуха: О₂ – 21 %, N₂ – 79%. Следовательно, 1 м 3 кислорода содержится в 100/21 = 4,76 м 3 воздуха. Или на 1 м 3 кислорода приходится 3,76 м 3 азота. Отсюда условная формула воздуха: (О₂ + 3,76N₂).

Запишем реакцию горения водорода в воздухе:

Из уравнения следует, что при нормальных условиях для полного сгорания 1 м 3 водорода требуется 0,5 × 4,76 = 2,38 м 3 воздуха. Таким образом, для сгорания 1 м 3 водорода требуется 2,38 м 3 воздуха. В результате образуются продукты сгорания: 1 м 3 воды в виде пара и 1,88 м 3 азота.

Запишем реакцию горения метана в воздухе:

Из уравнения следует, что для полного сгорания 1 м 3 метана необходимо 2 × 4,76 = 9,52 м 3 воздуха. Таким образом, при нормальных условиях для сгорания 1 м 3 метана требуется 9,52 м 3 сухого воздуха. Продукты сгорания содержат 1 м 3 диоксида углерода, 2 м 3 паров воды и 7,52 м 3 азота.

Запишем реакцию горения пропана в воздухе:

Из уравнения видно, что для полного сгорания 1 м 3 пропана необходимо 5 × 4,76 = 23,8 м 3 воздуха. Таким образом, при нормальных условиях для сгорания 1 м 3 пропана требуется 23,8 м 3 сухого воздуха.

Приведенные расчеты выполнены для стехиометрических уравнений и полученные соотношения воздуха и газа называются стехиометрическими. Например, для горения метана в воздухе стехиометрическое соотношение – 9,52. В реальных условиях воздуха может не хватать для полного сгорания газа или, напротив, воздух подается в избыточном количестве. Для характеристики реальных соотношений воздуха и газа в процессе горения введена безразмерная величина: коэффициент избытка воздуха (окислителя) – коэффициент α. Для стехиометрического соотношения α = 1. Если имеет место недостаток воздуха, то α 1. Например, в процессе горения израсходовано 23 м 3 воздуха и 2 м 3 метана. Подсчитываем коэффициент α. Реальное соотношение воздуха и газа 23/2 = 11,5. Отсюда α = 11,5/9,52 = 1,2.

Выше показано, как можно подсчитывать необходимое количество воздуха для сгорания и определять объем продуктов сгорания для индивидуальных газов. Но обычно используемый газ – смесь различных газов. В этом случае расчет теоретически необходимого объема воздуха (воздуха сухого) ведется по формуле:

нм 3 /нм 3 , (10.4)

где – соответственно объемное процентное содержание данных газов в исходной смеси.

Используемый для сжигания атмосферный воздух содержит влагу, поэтому расчет объема влажного воздуха производят по формуле:

нм 3 /нм 3 , (10.5)

где – влагосодержание воздуха, г/нм 3 ;

0,00124 – объем 1 г водяного пара.

И, наконец, определяется объем воздуха действительный с учетом величины коэффициента α по формуле:

. (10.6)

Пример. Имеется газ состава СН₄ – 95%, С₃Н₈ – 5%. Определить объем воздуха действительного для сжигания данного газа при α = 1,1 и = 10 г/м 3 .

, нм 3 /нм 3 ,

, нм 3 /нм 3 .

Объем продуктов сгорания газовой смеси определяется по следующим формулам.

Объем диоксида углерода

, нм 3 /нм 3 . (10.7)

Объем водяных паров

, нм 3 /нм 3 . (10.8)

, нм 3 /нм 3 . (10.9)

где N₂ – процентное содержание азота в газовой смеси.

, нм 3 /нм 3 . (10.10)

Суммарный объем продуктов сгорания

, нм 3 /нм 3 . (10.11)

Дата добавления: 2015-06-22 ; просмотров: 8078 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Видео:Горение метанаСкачать

Горение метана

Метан представляет собой газообразное химическое соединение с химической формулой CH4. Это самый простой представитель алканов. Другие названия этой группы органических соединений: предельные, насыщенные или парафиновые углеводороды. Они характеризуются наличием простой связи между атомами углерода в молекуле, а все остальные валентности каждого углеродного атома насыщены атомами водорода. Для алканов наиболее важной реакцией является горение. Они горят с образованием газообразной двуокиси углерода и паров воды. В результате выделяется огромное количество химической энергии, которая превращается в тепловую или электрическую. Метан является горючим веществом и основным компонентом природного газа, что и делает его привлекательным топливом. В основе широкого использования природного ископаемого лежит реакция горения метана. Поскольку он в нормальных условиях является газом, то его трудно транспортировать на далекие расстояния от источника, поэтому часто его предварительно сжижают.

Процесс горения заключается в реакции между метаном и кислородом, то есть в окислении простейшего алкана. В результате образуется двуокись углерода, вода и много энергии. Горение метана может быть описано уравнением: CH4 [газ] + 2O2 [газ] → CO2 [газ] + 2H2O [пар] + 891 кДж. То есть одна молекула метана при взаимодействии с двумя молекулами кислорода образует молекулу двуокиси углерода и две молекулы воды. При этом выделяется тепловая энергия, равная 891 кДж. Природный газ является самым чистым для сжигания ископаемым, так как уголь, нефть и другие виды топлива более сложные по составу. Поэтому при сгорании они выделяют в воздух различные вредные химические вещества. Поскольку природный газ в основном состоит из метана (примерно на 95%), то при его сжигании практически не образуются побочные продукты или их получается намного меньше, чем в случае с другими видами ископаемого топлива.

Теплотворная способность метана (55,7 кДж/г) выше, чем его гомологов, например, этана (51,9 кДж/г), пропана (50,35 кДж/г), бутана (49,50 кДж/г) или других видов топлива (древесина, уголь, керосин). Горение метана дает больше энергии. Для обеспечения в течение года работы лампочки накаливания мощностью 100 Вт необходимо сжечь 260 кг древесины, или 120 кг угля, или 73,3 кг керосина, или всего 58 кг метана, что соответствует 78,8 м³ природного газа.

Простейший алкан является важным ресурсом для получения электроэнергии. Происходит это за счет сжигания его в качестве топлива котла, вырабатывающего пар, который приводит в движение паровую турбину. Также горение метана используется для получения горячих дымовых газов, энергия которых обеспечивает работу газовой турбины (сжигание осуществляется до турбины или в самой турбине). Во многих городах метан подается по трубам в дома для внутреннего отопления и приготовления пищи. По сравнению с другими видами углеводородного топлива сжигание природного газа характеризуется меньшим выделением углекислого газа и большим количеством полученного тепла.

Горение метана используется для достижения высоких температур в печах различных химических производств, например, крупнотоннажных этиленовых установок. Природный газ в смеси с воздухом подается в горелки печей пиролиза. В процессе сгорания образуются дымовые газы с высокой температурой (700—900 °С). Они нагревают трубы (находятся внутри печи), в которые подается смесь сырья с водяным паром (для снижения образования кокса в трубах печей). Под действием высоких температур происходит множество химических реакций, в результате которых получают целевые компоненты (этилен и пропилен) и побочные продукты (смола пиролизная тяжелая, водородная и метановая фракции, этан, пропан, углеводороды С4, С5, пироконденсат; каждый из них имеет свое применение, например, пироконденсат используют для получения бензола или компонентов автомобильного бензина).

Горение метана является сложным физико-химическим явлением на основе экзотермической окислительно-восстановительной реакции, характеризующейся высокой скоростью течения и выделением огромного количества тепла, а также теплообменными и массообмеными процессами. Поэтому расчетное определение температуры горения смеси представляет собой сложную задачу, так как кроме состава горючей смеси сильно влияют ее давление и начальная температура. С их увеличением наблюдается рост температуры горения, а теплообменные и массообменые процессы способствуют ее снижению. Температура горения метана при проектировании процессов и аппаратов химических производств определяется расчетным методом, а на действующих установках (например, в печах пиролиза) ее измеряют с помощью термопар.

Видео:Уравнивание реакций горения углеводородовСкачать

Уравнение горения метана в воздухе

Горением называют быстро протекающую во времени химическую реакцию соединения горючих компонентов топлива с кислородом воздуха, сопровождающуюся интенсивным выделением теплоты, света и продуктов сгорания.

Для метана реакция горения с воздухом:

Для СУГ:

Продуктами полного сгорания газов являются водяные пары (H₂O), диоксид углерода (CO₂) или углекислый газ.

При полном сгорании газов цвет пламени, как правило, голубовато-фиолетовый.

Объемный состав сухого воздуха принимается: O₂≈ 21%, N₂ ≈ 79%, из этого след., что

1м 3 кислорода содержится в 4,76м 3 (≈5 м 3 ) воздуха.

Вывод: для сжигания

— 1м 3 метана необходимо 2м 3 кислорода или около 10м 3 воздуха,

— 1м 3 пропана – 5м 3 кислорода или около 25м 3 воздуха,

— 1м 3 бутана – 6,5м 3 кислорода или около 32,5м 3 воздуха,

— 1м 3 СУГ

6м 3 кислорода или около 30м 3 воздуха.

Практически при сжигании газа водяные пары, как правило, не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания. Поэтому технические расчеты ведут по низшей теплоте сгорания Q_н.

Условия, необходимые для горения:

1. наличие топлива (газа);

2. наличие окислителя (кислорода воздуха);

3. наличие источника температуры воспламенения.

Неполное сгорание газов.

Причиной неполного сгорания газа является недостаточное количество воздуха.

Продуктами неполного сгорания газов являются оксид углерода или угарный газ (CO), несгоревшие горючие углеводороды (C_nH_m) и атомарный углерод или сажа.

Для природного газа CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O + CO + CH₄ + C

Для СУГ C_nH_m + O₂ → CO₂ + H₂O + CO + C_nH_m + C

Наиболее опасным является появление угарного газа, который действует на организм человека отравляюще. Образование сажи придает пламени желтую окраску.

Неполное сгорание газа опасно для здоровья человека (при содержании 1% СО в воздухе 2-3 вздоха для человека достаточно, чтобы отравиться со смертельным исходом).

Неполное сгорание неэкономично (сажа препятствует процессу передачи тепла, при неполном сгорании газа мы недополучаем тепло, ради которого сжигаем газ).

Для контроля полноты сгорания обращают внимание на цвет пламени, которое при полном сгорании должно быть голубым, а при неполном сгорании – желтовато-соломенным. Наиболее совершенный способ контроля полноты сгорания – анализ продуктов сгорания с помощью газоанализаторов.

Способы сжигания газа.

Понятие о первичном и вторичном воздухе.

Существуют 3 способа сжигания газа:

1) диффузионный,

2) кинетический,

3) смешанный.

Диффузионный способ или способ без предварительного смешения газа с воздухом.

Из горелки в зону горения поступает только газ. Воздух, необходимый для горения, смешивается с газом в зоне горения. Этот воздух называется вторичным.

Пламя вытянутое, желтого цвета.

a= 1,3÷1,5 t ≈ (900÷1000) о С

Кинетический способ – способ с полным предварительным смешением газа с воздухом.

В горелку подается газ и подается воздух дутьевым устройством. Воздух, необходимый для горения и который подается в горелку для предварительного смешения с газом, называется первичным.

Пламя короткое, зеленовато-синеватого цвета.

a= 1,01÷1,05 t≈ 1400 о С

Смешанный способ – способ с частичным предварительным смешиванием газа с воздухом.

Газ инжектирует первичный воздух в горелку. В зону горения из горелки поступает газовоздушная смесь с недостаточным для полного сгорания количеством воздуха. Остальной воздух – вторичный.

Пламя средних размеров, зеленовато-голубоко цвета.

a=1,1¸1,2 t ≈1200 о С

Коэффициент избытка воздуха a=Lпр./Lтеор. — это отношение количества воздуха, необходимого для горения на практике к количеству воздуха, необходимого для горения и теоретически посчитанного.

Всегда должен быть a>1, в противном случае будет недожог.

Lпр.=a∙Lтеор., т.е. коэффициент избытка воздуха показывает во сколько раз количество воздуха, необходимого для горения на практике больше количества воздуха, необходимого для горения и посчитанного теоретически.