Equation Chapter 2 Section 22. Материальный баланс процессов горения 1 Расчёт объёма воздуха, необходимого для горения веществ - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Equation Chapter 3 Section 33. Тепловой баланс процессов горения... 1 148.46kb.
Определение количества воздуха, необходимого для горения топлива 1 29.24kb.
Лабораторная работа №2 тепловой баланс горения определение теплоты... 1 192.59kb.
Теория горения 1 7 1247.07kb.
Вопросы для подготовки к зачёту по дисциплине «Топливо и теория горения» 1 21.88kb.
Исследование нелинейных волновых процессов в газах и жидкостях 1 75.13kb.
Физико-математическая модель стационарных процессов горения горючей... 1 106.75kb.
Equation Chapter 1 Section 1Бифуркации Андронова-Хопфа 1 70.44kb.
«Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва» 1 79.68kb.
Equation Chapter 4 Section 44. Распространение пламени 1 Концентрационные... 1 98.39kb.
Материальный баланс химических реакций и его характеристики 1 67.21kb.
Equation Chapter 3 Section 33. Тепловой баланс процессов горения... 1 148.46kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Equation Chapter 2 Section 22. Материальный баланс процессов горения 1 Расчёт объёма - страница №1/1

Equation Chapter 2 Section 22. Материальный баланс процессов горения

2.1 Расчёт объёма воздуха, необходимого для горения веществ


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, например бензол (С6Н6), пропанол (С3Н7ОН), 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 сжигания вещества и действительно израсходованный объём воздуха . При этом

. \* MERGEFORMAT (.)

Множитель α называется коэффициентом избытка воздуха. Он показывает во сколько раз объём израсходованного воздуха больше теоретического объёма воздуха, необходимого для полного сгорания единицы количества вещества в стехиометрической смеси.

Разность между действительно необходимым и теоретическим объёмом воздуха называется избытком воздуха.

. \* MERGEFORMAT (.)

Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что



. \* MERGEFORMAT (.)

Для удобства расчётов все горючие вещества разделены на четыре группы в зависимости от состава и агрегатного состояния. В табл. 2-1 приведены формулы для расчёта теоретически необходимого объёма воздуха для сгорания всех групп веществ.



Табл. 2 Расчётные формулы, для определения теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания различных типов горючих веществ.

Группа горючих веществ

Формула

Размерность

Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии

\* MERGEFORMAT (.)

м33, кмоль/кмоль

Индивидуальное горючее вещество в конденсированном состоянии

\* MERGEFORMAT (.)

м3/кг

Смесь газов

\* MERGEFORMAT (.)

м33, кмоль/кмоль

Вещество сложного состава в конденсированном состоянии

\* MERGEFORMAT (.)

м3/кг

Мг – молярная масса горючего, Vt – молярный объём газа при заданных условиях (м3/кмоль), - процентное (по объёму) содержание i-того горючего газа и кислорода соответственно в горючей смеси. C,H,S,O- массовые проценты соответствующих элементов в составе горючего

Для вычисления Vt воспользуемся объединённым газовым законом



, \* MERGEFORMAT (.)

где P0 – нормальное давление (101,3 кПа или 760 мм. рт. ст.), P, T-заданные давление и температура (в К). Молярный объём газа при нормальных условиях (P0=101,3 кПа или760 мм. рт. ст. T0 – 273К) равен 22,413 м3/кмоль.



Пример 1: Определить теоретические объём и массу воздуха, необходимые для сгорания 1 м3 метана (CH4) при нормальных условиях.

Горючее – индивидуальное химическое соединение. Для расчёта следует воспользоваться формулой . Составим уравнение реакции



CH4 + 2(O2 + 3,76N2) = CO2 +2H2O + 2·3,76N2.

Из уравнения находим β = 2. По формуле находим м33. по формуле с учетом находим массу воздуха. кг/м3.



Пример 2: Определить теоретически необходимый объём воздуха для сжигания 1 кг бензола (С6H6) при нормальных условиях.

Горючее вещество – индивидуальное химическое соединение в конденсированном состоянии. Воспользуемся для расчётов формулой . Составим уравнение реакции



C6H6 + 7,5(O2 + 3,76N2) = 6CO2 + 3H2O + 7,5·3,76N2.

По уравнению найдём β=7,5. Найдём молярную массу бензола, зная, что молярные массы углерода 12 и водорода – 1 кг/кмоль соответственно. кг/кмоль. Найдём теоретический объём воздуха м3/кг.



Пример 3: Определить объём и массу воздуха необходимого для сжигания 1 кг горючего вещества следующего состава: C – 60%, H – 5%. O – 25%, N – 5%, W – 5%. Коэффициент избытка воздуха α=2,5, температура – 305 К, давление -99500 Па.

Горючее сложного состава, поэтому теоретическое количество воздуха определим по формуле м3/кг. Действительный объём воздуха при нормальных условиях найдём по формуле м3/кг. Находим объём воздуха, израсходованного на горение вещества при заданных условиях по формуле м3/кг. Массу воздуха найдём по формуле с учётом кг/кг.



Пример 4: Определить объём воздуха, пошедшего на сжигание 5 м3 газовой смеси состава CH4 – 20%, C2H2 – 40%, CO – 10%, N2 – 5%, O2 – 25%.. Коэффициент избытка воздуха – 1,8.

Горючее – смесь газов. Составим для всех горючих компонентов смеси уравнения реакций



CH4 + 2(O2 + 3,76N2) = CO2 + 2H2O + 2·3,76N2

C2H2 + 2,5(O2 + 3,76N2) = 2CO2 + H2O + 2,5·3,76N2

CO + 0,5(O2 + 3,76N2) = CO2 + 0,5·3,76N2.

Определив коэффициент при воздухе для каждой реакции, и воспользуемся формулой . м33. Для горения 5 м3 понадобится 5·5,7 = 28,5 м3 воздуха. Действительный объём воздуха найдём по формуле м3.



Пример 5: Определить массу2,4- динитротолуола, сгорающего в замкнутом объёме 100 м3 если остаточное содержание кислорода в продуктах горения составило 12 %.

В продуктах горения находится кислород, значит горение протекало в избытке воздуха. коэффициент избытка воздуха определим по формуле . Составим уравнение реакции



C7H6(NO2)2 + 6,5(O2 + 3,76N2) = 7CO2 + 3H2O +N2 + 6,5·3,76N2

Молекулярная масса горючего – 182 кг/кмоль. Теоретически необходимый объём воздуха по формуле м3/кг. Отсюда коэффициент избытка воздуха . Действительный объём воздуха составит м3/кг. Массу сгоревшего горючего найдём из отношения объёма воздуха во всём помещении к объёму воздуха, необходимого для сгорания одного килограмма. кг.


2.2 Расчёт объёма и состава продуктов горения


При расчёте объёма продуктов горения пользуются формулами, приведёнными в табл. 2-2.

Табл. 22 Расчётные формулы для определения объёмов продуктов горения

Группа горючих веществ

Формула

Размерность

Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии

\* MERGEFORMAT (.)

м33, кмоль/кмоль


Индивидуальное горючее вещество в конденсированном состоянии

\* MERGEFORMAT (.)

м3/кг

Смесь газов

\* MERGEFORMAT (.)

м33, кмоль/кмоль


Вещество сложного состава в конденсированном состоянии

\* MERGEFORMAT (.)

м3/кг

Здесь A – содержание негорючих компонентов (золы) в горючем, W – влажность горючего ni – коэффициенты при продуктах горения в уравнении реакции, φi – объёмная доля газообразного горючего в смеси. В формуле первое слагаемое даёт объём CO2, второе – H2O, третье - SO2, четвёртое – N2.

Действительный объём продуктов горения будет складываться из объёма продуктов сгорания и избыточного воздуха.

\* MERGEFORMAT (.)

Процентный состав продуктов горения рассчитывается исходя из количества молей продуктов горения с учётом избыточного числа молей кислорода и азота. Процентное содержание продукта горения X составит

, \* MERGEFORMAT (.)

где


\* MERGEFORMAT (.)

и

\* MERGEFORMAT (.)



количества кислорода и азота, перешедшие из избыточного воздуха в продукты горения.

Если горючее имеет сложный состав и составить уравнение реакции невозможно, то состав продуктов горения может быть найден по формуле

, \* MERGEFORMAT (.)

где Vi – объём i-того продукта горения, Объёмы кислорода и азота воздуха в составе продуктов реакции составят



\* MERGEFORMAT (.)

и

\* MERGEFORMAT (.)



соответственно.

Если известно содержание кислорода в продуктах горения, то коэффициент избытка воздуха определяется по формуле

. \* MERGEFORMAT (.)

Если содержание кислорода в окислительной среде отличается от его содержания в воздухе, то формула принимает следующий вид

, \* MERGEFORMAT (.)

где - содержание кислорода в окислительной среде, а - теоретически необходимый объём окислительной среды.

Перейти от объёма воздуха к его массе можно зная плотность воздуха

. \* MERGEFORMAT (.)

Считая воздух идеальным газом, и применяя уравнение Менделеева-Клапейрона для плотности воздуха, получим выражение

, \* MERGEFORMAT (.)

где M, φ – молярная масса и объёмная доля соответствующего вещества, P0 = 101,3 кПа, T0 – 273,15 К – нормальные давление и температура, V0 =22,413 м3/кмоль – молярный объём газа при нормальных условиях. В составе воздуха по-прежнему учитываем только два компонента – кислород и азот. Подставляя числовые значения, получаем зависимость плотности воздуха от температуры и давления

. \* MERGEFORMAT (.)

Для приведения объёма воздуха или продуктов горения к заданным условиям используется объединённый газовый закон

, \* MERGEFORMAT (.)

где P,T,Vзаданные давление, температура и искомый объём, P0 – 101325 Па, T0 = 273,15 К - нормальные давление и температура. V0 – объём газа при нормальных условиях.



Пример 6: Определить объем продуктов горения при сгорании 1 кг фенола, если температура горения 1200 К, давление 95 000 Па, коэффициент избытка воздуха 1,5.

Горючее – индивидуальное химическое соединение в конденсированном состоянии. Воспользуемся формулой . Запишем уравнение реакции горения.



C6H5OH + 7(O2 + 3,76N2) = 6CO2 +3H2O + 7·3,76N2

Молярная масса горючего 98 кг/кмоль. Теоретический объём продуктов горения при нормальных условиях составит м3/кг. Действительный объём продуктов горения найдём по формуле с учётом формулы для расчёта теоретически необходимого объёма воздуха. м3/кг. Объём продуктов горения при заданных условиях найдём, используя объединённый газовый закон .



м3/кг.

Пример 7: Определить объем продуктов горения при сгорании 1 кг органической массы состава: С – 55 %, O – 13 %, Н – 5 %, S – 7%, N – 3 %, W – 17 %, если температура горения 1170 К, коэффициент избытка воздуха – 1,3.

Горючее – вещество сложного состава. Для расчёта объёма продуктов горения воспользуемся формулой



м3/кг. Действительный объём продуктов горения найдём по формулам и . м3/кг. Пересчитаем объём продуктов горения для заданной температуры горения, используя м3/кг.

Пример 8: Рассчитать объем продуктов горения при сгорании 1 м3 газовой смеси, состоящей из С3Н6 – 70 %, С3Н8 – 10 %, СО2 – 5 %, O2 – 15 %, если температура горения 1300 К, коэффициент избытка воздуха 2,8. Температура окружающей среды 298 К.

Горючее – смесь газов. Для расчёта объёма продуктов горения запишем уравнения реакций горения и воспользуемся формулой



C3H6 + 4,5(O2 + 3,76N2) = 3CO2 +3H2O + 4,5·3,76N2

C3H8 + 5(O2 + 3,76N2) = 3CO2 + 4H2O + 5·3,76N2.

Рассчитаем теоретический объём продуктов горения м33. Рассчитаем действительный объём продуктов горения с учётом избытка воздуха (по формулам и ) м33. Для пересчёта этого объёма продуктов горения на заданные условия воспользуемся объединенным газовым законом м33.



Пример 9: Определить состав продуктов горения метилэтилкетона CH3COC2H5.

Состав горючего выражается химической формулой. В данной задаче удобно воспользоваться формулами . Уравнение реакции имеет вид



CH3COC2H5 + 5,5(O2 + 3,76N2) = 4CO2 + 4H2O + 5,5·3.76N2.

По умолчанию коэффициент избытка воздуха равен 1 (т.е. расчёт ведётся для стехиометрической смеси). Так как коэффициенты при углекислом газе и воде равны, то процентное содержание обоих продуктов будет одинаково , .



Пример 10. Определить объем и состав (% об.) продуктов горения 1 кг минерального масла состава: С 85 %, H 15 %, если температура горения 1450 К, коэффициент избытка воздуха 1,9.

Горючее – вещество сложного состава в конденсированном состоянии. Состав продукта горения удобно определять по объёму продуктов реакции (формула ). Воспользуемся формулой для вычисления объёмов отдельных продуктов горения. общий объём продуктов горения найдём с учётом избытка воздуха по формуле . м3/кг, м3/кг, м3/кг. Суммарный объём продуктов реакции – 1,6 + 1,7 + 9,1 = 12,4 м3/кг. Действительный объём продуктов горения будет м3/кг. м3/кг. Состав продуктов горения не зависит от температуры, поэтому вычислять объём продуктов горения при температуре горения нет нужды. состав продуктов горения по формулам - , , %, %.


2.3 Задачи для самостоятельного решения


1. Определить объём воздуха, необходимого для сгорания 50 м3 ацетилена (C2H2) приα=1,7

2. Определить объёмы воздуха, продуктов горения и процент содержания продуктов горения 2 м3 этана (C2H6). Температуру продуктов горения принять 1200 К, давление 101,3 кПа, избыток воздуха α=1,2.

3. Определить объём воздуха, необходимого для сгорания 15 м3 бутана (C4H10) при температуре 100С и давлении 750 мм рт. ст., если горение протекает с коэффициентом избытка воздуха, равным 1,4 (α=1,4).

4. Рассчитать объём и состав (в %) продуктов горения при сгорании сероводорода (H2S) объёмом 12 м3 при температуре 300С и давлении 106 кПа. Коэффициент избытка воздуха составил 1,1.

5. Рассчитать объём воздуха, объём продуктов горения и процентное содержание в них диоксида углерода при полном сгорании 5 м3 этилена (C2H4), если горение протекает с избытком воздуха (коэффициент избытка воздуха 1,7).

6. Рассчитать количество амилбензола (C6H5C5H11), которое может сгореть в закрытом помещении объёмом 200 м3, если горение прекратилось при остаточном содержании кислорода 12 %. Начальная температура в помещении 240С, давление 98 кПа.

7. Определить, какое количество бутилацетата (CH3CO2C4H9) может сгореть в помещении объёмом 200 м3, если его горение прекращается при содержании кислорода воздуха, равном 13,8% (условия нормальные).

8. Определить объёмы продуктов горения и воздуха при сжигании 7 кг гексана (C6H14). Процесс горения протекал при температуре 33°С и давлении 730 мм. рт. ст. Температура продуктов горения принять равной 1300 К.

9. Определить объёмы продуктов горения и воздуха при сжигании 11 кг ацетона (C3H6O). Процесс горения протекал при температуре 300С и давлении 720 мм рт. ст. Температуру продуктов горения принять равной 1300 К.

10. Определить объём продуктов горения и воздуха при сжигании 17 кг толуола (C7H8). Процесс горения протекал при температуре 300С и давлении 745 мм рт. ст. Температуру продуктов горения принять равной 1100 К.

11. Рассчитать объём воздуха и объём продуктов горения при полном сгорании 6 кг целлюлозы, состоящей из 80 % углерода, 13 % водорода и 7 % кислорода, если горение протекает при температуре 250С и давлении 95 кПа. Коэффициент избытка воздуха равен 1,4.

12. Определить объём воздуха, необходимого для сгорания 6 кг диэтилового эфира (C4H10O) при температуре 150С и давлении 750 мм рт. ст. Коэффициент избытка воздуха составил 1,3.

13. Определить, какое количество бензола (C6H6) сгорело в закрытом помещении объёмом 180 м3, если известно, что горение его прекратилось при содержании кислорода в воздухе, равном 14,6%. Температура до пожара была 190С и давление 100 кПа.

14. Рассчитать количество сгоревшего аллилового (C3H6O) спирта и процентное содержание водяного пара в продуктах горения, если на его сгорание при температуре 230С и давлении 99 кПа израсходовано 110 м3 воздуха.

15. Определить коэффициент избытка воздуха, если для сгорания 8 кг этилацетата (CH3CO2C2H5) израсходовано 212 м3 воздуха при температуре 250С и давлении 760 мм рт. ст.

16. Рассчитать коэффициент избытка воздуха и процентное содержание в продуктах горения диоксида углерода, если на полное сгорание 4 кг этилпропилового эфира (C5H12O) при температуре 220С и давлении 92 кПа израсходовано 70 м3 воздуха.

17. Сгорает 3 кг акролеина (C3H4O) при температуре 210С и давлении 98 кПа. Рассчитать объём воздуха, перешедшего в продукты горения, и процентное содержание в них водяного пара, если горение протекает с избытком воздуха (коэффициент избытка воздуха равен 1,2).

18. Рассчитать объём воздуха и продуктов горения, образующихся при сгорании 10 кг глицерина (C3H6O3), если горение протекало при 250С и давлении 102 кПа. Коэффициент избытка воздуха составил 1,3.

19. Рассчитать объём и состав (в %) продуктов горения, образующихся при сгорании 8 кг пропилацетата (CH3CO2C3H7), если горение протекало при 200С и давлении 103 кПа. Коэффициент избытка воздуха составил 1,4.

20. Рассчитать объём газовой смеси, состоящей из 45 % бутана, 30 % метана, 20% ацетилена и 5 % кислорода, если на её сгорание при нормальных условиях израсходовано 80 м3 воздуха. Коэффициент избытка воздуха равен 1,6.

21. Рассчитать количество угля, состоящего из 70 % углерода, 20 % водорода и 10 % серы и объём образовавшихся при этом продуктов горения, если на сгорание угля при нормальных условиях израсходовано 100 м3 воздуха.

22. Рассчитать объём воздуха и объём продуктов горения при полном сгорании 7 м3 газовой смеси, состоящей из 57 % водорода, 18 % окиси углерода и 25 % метана, если горение протекает с избытком воздуха (коэффициент избытка воздуха равен 1,3).

23. Рассчитать объём воздуха и объём продуктов горения при полном сгорании 6 кг церезина, состоящего из 80 % углерода, 15 % водорода и 5 % кислорода, если горение протекает при температуре 250С и давлении 95 кПа. Коэффициент избытка воздуха равен 1,5.

24. Рассчитать концентрацию пропанола (C3H8O), сгоревшего в закрытом помещении объёмом 150 м3, если горение прекратилось при остаточном содержании кислорода 9%. Начальная температура в помещении 213 С, давление 99 кПа.

25. Определить объём и состав продуктов горения (в об. %) смеси газов, если горение происходит при коэффициенте избытка воздуха α (см. табл. 2-3).

26. Рассчитать объём воздуха и продуктов горения при сгорании горючего вещества заданной массы при заданных условиях (см. табл. 2-4).

Табл. 2-3

Состав смеси (об %)

задания

25.1

25.2

25.3

25.4

25.5

25.6

25.7

25.8

25.

25.10

CO оксид углерода




10










43




10




5

H2 водород

50






















25

5

CH4 метан







20







36




20




60

C2H6 этан










45

45




24




5




C3H8 пропан






















14







C4H10 бутан

8










20
















C2H4 этилен

20

22

28










16

2







C3H6 пропилен










20




21













C2H2 ацетилен




8













10




20




CO2 углекислый газ

20

10

18

20

20




10

26




25

N2 азот




50

24




15




15

25

30




O2 кислород

2




10

15







25

3

20

5

α

1,2

2

1,3

1,1

1,2

1,2

1,2

1,4

1,1

1,3

Табл. 2-4



задания

Вещество

Элементный состав вещества

t0 C

Масса вещества, кг

C

H

O

S

W(влажность)

A(зола)







25.1

Церезин

85

14

1

0

0

0

12

3

25.2

Уголь

70

4

4

3

19

0

14

4

25.3

Древесина

46

6

37

1

10

0

16

5

25.4

Бензин

85

14

0

1

0

0

17

6

25.5

Нефть

82

8

0

10

0

0

18

7

25.6

Мазут

83

11

1

4

1

0

20

8

25.7

Керосин

80

14

3

1

2

0

22

9

25.8

Сланец

35

5

10

4

16

30

24

10

25.9

Каменный уголь

75

4

2

2

4

13

26

12

25.10

Антрацит

70

3

4

0.2

5,8

17

28

14







Мерой человека является метр. Станислав Ежи Лец
ещё >>