Материальный балансы процессов горения

Теоретической базой для расчётов материального и теплового балансов являются фундаментальные законы сохранения веществ и энергии.

1.1. Расчёт количества воздуха, необходимого для горения веществ

Для практических расчётов принимают, что состав воздуха состоит из 21%кислорода и 79% азота. Таким образом, объёмное соотношение азота и кислорода в воздухе составит:

(1.1.1)

где - соответственно объёмное (% об.) содержание азота и кислорода

в окислительной среде.

Следовательно, на 1 м³ (кмоль) кислорода в воздухе приходится 3,76 м³ (кмоль) азота.

Весовое соотношение азота и кислорода в воздухе составляет 23,3% О₂ и 76,7% N₂. Его можно определить, исходя из:

(1.1.2)

где -молекулярные массы соотношение азота и кислорода.

Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на три типа (табл.1.1.1): индивидуальные химические соединения (метан, уксусная кислота и т.п.), вещества сложного состава (древесина, торф, сланцы, нефть, и т.п.), смесь газов (генераторный газ и т.п.).

Таблица 1.1.1

Тип горючего вещества	Расчётные формулы	Размерность
Индивидуальное вещество	(1.1.3,а) (1.1.3,б)
Вещество сложного состава	(1.1.4)
Смесь газов	(1.1.5)

Здесь -теоретическое количество воздуха; , , -количество горючего, кислорода и азота, получаемого из уравнения химической реакции горения, кмоль; М – молекулярная масса горючего; V₀ – объем 1 кмоля газа при нормальных условиях (22,4 м³); C, H, S, O - весовое содержание соответствующих элементов в составе горючего, % - концентрация I - го горючего компонента, % об.; -концентрация кислорода в составе горючего газа, % об.; - количество кислорода, необходимое для окисления одного кмоля i- го горючего компонента, кмоль.

Для определения объёма воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются уравнением состояния идеальных газов

, (1.1.6)

где - нормальное давление, Па;

Т₀ - нормальная температура, К;

V₀ - объём воздуха при нормальных условиях, м³;

- заданное давление, Па;

- заданная температура, К;

- заданный объём газа, м³.

Практический объём воздуха V_в, поступивший в зону горения. Отношение практического объёма воздуха к теоретическому называется коэффициентом избытка воздуха :

(1.1.7)

Разность между практическим и теоретическим объёмами воздуха называется избытком воздуха :

(1.1.8)

Из уравнений (1.1.7) и (1.1.8) следует, что

(1.1.9)

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

(1.1.10)

где - содержание кислорода в продуктах горения, % об.;

- теоретический объём продуктов горения.

Для веществ у которых объём продуктов горения равен объёму исходного воздуха (например, углерод), формула (1.1.10) упрощается:

. (1.1.11)

В случае образования продуктов неполного сгорания (CO, H₂, CH₄, и др.) формула (1.1.11) приобретает вид:

(1.1.12)

где - содержание соответствующих веществ в продуктах

горения, % об.

Если содержание кислорода в окислительной среде отличается от содержания его в воздухе, то формулу (1.1.12) можно записать в виде:

(1.1.13)

и соответственно формулу (1.1.13)

(1.1.14)

где - исходное содержание кислорода в окислительной среде, % об.

Часто в пожарно-технических расчётах требуется определить массу воздуха, пошедшего на горение,

(1.1.15)

где - плотность воздуха, кг/м³.

Очевидно, что

(1.1.16)

После подстановки постоянных значений в формулу (1.1.16) получим

(1.1.17)

где Р – атмосферное давление, Па;

Т – температура воздуха, К.

Примеры

Пример 1. определить теоретическую массу и объём воздуха, необходимого для сгорания 1 м³ метана при нормальных условиях.

Решение.

Горючее вещество является индивидуальным химическим соединением, поэтому для расчёта его объёма надо пользоваться формулой (1.1.3,а), запишем уравнение химической реакции горения СН₄ в воздухе

_.

Из уравнения находим тогда

м³/м³ или кмоль/кмоль

По формуле (1.1.15) с учётом уравнения (1.1.16) рассчитаем массу воздуха

кг/м³.

Пример 2. Определить теоретический объём воздуха, необходимого для горения 1 кг бензола.

Решение.

Горючее – индивидуальное химическое соединение, поэтому для расчёта по формуле (1.1.3,б) запишем уравнение химической реакции горения

найдём .

Молекулярная масса бензола .

Объём 1 кмоля газа при нормальных условиях составляет 22,4 м³

м³/кг.

Пример 3. Определить объём и массу воздуха, необходимого для горения 1 кг органической массы состава С – 60%, Н – 5%, О – 25%, N – 5%, W – 5%(влажность), если коэффициент избытка воздуха ; температура воздуха 305 К, давление 99500 Па.

Решение.

Так как горючее вещество сложного состава, то теоретическое количество воздуха при нормальных условиях определим по формуле (1.1.4)

м³/кг.

Из формулы (1.1.7) рассчитаем практическое количество воздуха при нормальных условиях

м³/кг.

Находи количество воздуха, пошедшего на горение веществ при заданных условиях горения. Используя формулу (1.1.6), получим

м³/кг,

кг/кг.

Пример 4. Определить объём воздуха, необходимого для горения 5 м смеси газов, состоящих из 20% - СН₄; 40% - С₂Н₂; 10% - СО; 5% - N₂ и 25% - O₂, если коэффициент избытка воздуха 1,8.

Решение.

Горючее-смесь газов, поэтому для расчёта объёма воздуха, пошедшего на горение, воспользуемся формулой (1.1.5). Для определения стехиометрических коэффициентов при кислороде запишем уравнение реакций горения горючих компонентов в кислороде

тогда

м³/м³.

Для горения 5 м³ газовой смеси необходимый теоретический объём воздуха составит м³. Практическое количество воздуха:

м³.

Пример 5. Определить коэффициент избытка воздуха при горении уксусной кислоты, если на горение 1 кг поступило 3 м³ воздуха.

Решение.

Для определения коэффициента избытка воздуха по формуле (1.1.7) необходимо рассчитать его теоретическое количество. Молекулярная масса уксусной кислоты 60.

м³/кг.

Тогда коэффициент избытка воздуха по формуле (1.1.7) равен

Горение протекало при недостатке воздуха.

Пример 6. Определить объём воздуха, пошедшего на окисление 1 м³ аммиака, если в продуктах горения содержание кислорода составило 18%.

Решение. Определяем теоретическое количество воздуха, необходимого для горения 1 м³ аммиака:

тогда

м³/м³.

Для определения коэффициента избытка воздуха необходимо рассчитать теоретическое количество продуктов горения 1 м³ аммиака

м³/м³.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: