Горение газов

При проектировании и эксплуатации газопламенного оборудования часто возникает вопрос об определении оптимального соотношения количества горючего и окислителя, обеспечивающего их полное сгорание с выделением максимального количества тепловой энергии.

Рассмотрим методику определения оптимального соотношения количества горючего и окислителя на примере: горючий газ – метан (CH4), окислитель – кислород (O2).

Реакция окисления (горения) метан/кислород:

CH₄+2xO₂→CO₂+2xH2O (1)

Молярная масса одной молекулы: водорода (Н) – 1 г/моль, углерода (C) составляет 12 г/моль, кислород (O) – 16 г/моль. Тогда, молярная масса молекулы метана (CH₄) составляет 16 г/моль, а молярная масса молекулы кислорода (O₂) составляет 32 г/моль. Как следует из формулы (1), для полного окисления одной молекулы метана (CH₄) требуется две молекулы кислорода (O₂).

Введем понятие стехиометрического отношения [1] окислителя к горючему (по массе):

где m – масса газа;
ν - количество вещества, моль [2];
M – молярная масса газа;
индекс «ок» - окислитель;
индекс «гг» – горючий газ.

Количество вещества определяется в молях и характеризует число структурных единиц (ими могут быть атомы или молекулы) определяемого вещества, отнесенного к числу структурных единиц (атомов) в 0,012 кг (12 гр) изотопа углерода C¹². Из этого следует, что в 0,012 кг (12 гр) изотопа углерода C12 содержится один моль количества вещества. Само число структурных единиц, содержащихся в одном моле вещества, называется числом Авогадро и равно N_A = 6,023x10²³ моль^-1 = 6,023x10²⁶ кмоль^-1 [2].

В таком случае количество вещества определяется соотношением:

где N - число структурных единиц (молекул) веществ, участвующих в реакции окисления.

Как указывалось выше, в одном моле любого вещества содержится N_A число структурных единиц, при этом у каждого вещества структурная единица обладает своей массой (масса атома, масса молекулы). Следовательно, массой обладает и один моль вещества, эта масса называется молярной массой. В таком случае, если вещество (в частности газ) имеет массу m, а число структурных единиц этого вещества таково, что количества вещества составляет ν, то:

Тогда, в частном случае, при сгорании метана в кислороде, можно записать:

индекс «O₂» - кислород;
индекс «CH₄» – метан.

На практике измерять массу газа неудобно и используется измерение объемов газа. Для того, что бы определить потребный объем кислорода для полного сгорания 1 м3 метана, запишем уравнение состояния [2] для каждого из газов:

где p – давление газа;
V – объем газа;
R – универсальная газовая постоянная;
T – температура газа.

Следует заметить, что в момент реакции давление и температура газов будут одинаковыми.

Решим соотношения (5а) и (5б) относительно объемов соответствующих газов и определим стехиометрическое отношение кислорода к метану (по объему):

Т.к. стехиометрическое соотношение кислорода к метану для полного сгорания определено в (4), то определим следующие значения для соотношения (6):

В таком случае отношение объема кислорода к объему метана равно 2, т.е. для сжигания 1 м³ метана потребуется 2 м³ кислорода.

Соотношение (6) можно записать более универсально:

Очень часто в газопламенном оборудовании в качестве окислителя используется воздух, а именно содержащийся в воздухе кислород. По данным, приведенным в [1], процентное содержание кислорода в воздухе (по массе) составляет 23,2%. Запишем соотношение:

где индекс «вз» - воздух;
Если в соотношение (8) числитель (масса кислорода) и знаменатель (масса воздуха) помножить на массу горючего газа, который необходимо сжечь (окислить), то можно перейти к стехиометрическим соотношениям (по массе):

Для исследования процесса горения метана в воздухе необходимо в соотношение (9б) подставить значение

тогда получим

т.е. для полного сжигания 1 кг метана требуется 17,24 кг воздуха.

Для определения объема воздуха, необходимого для сжигания 1м³ метана, воспользуемся соотношением (7):

где М_ВЗ = 29 г/моль [1].

В общем виде соотношение (10а) примет вид:

Подставив значения в соотношение (10б), получим, что для сжигания 1 м³ метана потребуется
9,512 м³ воздуха.

Так же в качестве горючих газов часто используются пропан (C₃H₈) и бутан (C₄H₁₀).

Реакция окисления (горения) пропан/кислород и бутан/кислород:

C₃H₈ + 5xO₂ → 3xCO₂ + 4xH₂O (11)

2xC₄H₁₀ + 13xO₂ → 8xCO₂+10xH₂O (12)

Молярные массы: пропана – M_C3H8 = 44 г/моль; бутана – M_C4H10 = 58 г/моль.
Используя выводы, сделанные для реакции окисления метана и кислорода, получаем, что требуемая масса кислорода (O₂) для сжигания 1 кг пропана (C₃H₈) – 3,636 кг кислорода (O₂), а для сжигания 1 кг бутана (C₄H₁₀) – 3,586 кг кислорода (O₂).

Тогда можем записать:

Учитывая соотношение (9б), определяем, что

т.е. для сжигания 1 кг пропана необходимо 15,672 кг воздуха, а для сжигания 1 кг бутана – 15,457 кг воздуха.

Используя соотношение (7) или (10б), определяем объем кислорода (O₂) и воздуха, которые соответственно необходимы для сжигания 1 м³ пропана и 1 м³ бутана, что показано в таблице 1.

Таблица 1. Расход окислителя на 1 кг (1 м3) горючего газа

Пропан (C₃H₈) и бутан (C₄H₁₀) чаще всего используются не по отдельности, а как смесь горючих газов. Поэтому требуемое количество окислителя для полного сгорания пропанобутановой смеси будет зависеть от процентного соотношения каждого из компонентов.

Пусть γ - доля (по массе) содержания пропана в смеси, а β - доля (по массе) содержания бутана в смеси. γ и β подчинены следующему соотношению:

γ + β=1 (13)

Т.к. пропан и бутан не вступают в химические реакции, то стехиометрическое отношение для каждого из газов не будет меняться, а стехиометрическое отношение для пропанобутановой смеси в зависимости от окислителя будет определяться соотношением:

индекс «C₃H₈ – C₄H₁₀» – пропанобутановая смесь.
Значения стехиометрических соотношений в зависимости от процентного содержания пропана и бутана в смеси представлены в таблице 2.

Таблица 2. Стехиометрические отношения (по массе) для пропанобутановых смесей

Для того, чтобы определить отношение объема окислителя к объему пропанобутановой смеси, обеспечивающее полное сгорание, согласно соотношению (7) необходимо определить молярную массу пропанобутановой смеси - M_C3H8-C4H10.
Для этого воспользуемся законом Дальтона [1]:

Надо учитывать, что в законе Дальтона как температура каждого из газов и их смеси, так и объем, занимаемый как отдельным газом, так и их смесью, одинаковы.

Выразив давление для пропана, бутана, а так же их смеси через уравнение состояния, аналогично (5а) и (5б), можем перейти к следующему соотношению:

Учитывая, что

соотношение (16) можно переписать:

Значения молярных масс пропанобутановых смесей для наиболее используемых соотношений γ и β, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Молярные массы пропанобутановых смесей

Тогда в соответствии с соотношением (7) или (10б) можно рассчитать стехиометрические соотношения (по объему) для различных пропанобутановых смесей, что и приведено в таблице 4.

Таблица 4. Стехиометрические отношения (по объему) для пропанобутановых смесей

Следует заметить, что полученные значения расхода окислителя (как по массе, так и по объему) на единицу горючего газа, следует увеличить на 2-5%, т.к. в воздухе и техническом кислороде присутствуют другие компоненты, которые под действием высоких температур горения сами вступают в реакцию окисления и тем самым снижают долю окислителя, приходящуюся на горючий газ.

Так же согласно [1] и [2] закон Дальтона и уравнение состояния соблюдаются в диапазоне низких давлений. Тем не менее, большинство газопламенного оборудования используется при давлениях
до 5 МПа, что позволяет применять как полученные соотношения, так и приведенные значения.

Газопламенное оборудование, спроектированное ООО «Машпроект» (сайт: машпроект.рф
E-mail:  Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript ), обеспечивает оптимальное сгорание горючих газов, как в кислороде, так и в воздухе. Поэтому наша продукция обладает высокой топливной эффективностью и, как следствие, низкими эксплуатационными затратами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глинка Н.Л. Общая химия – Л.: Химия, 1979. – 720 с.

2. Савельев И.В. Общий курс физики. Т. 1 – М.: Наука, 1977 – 416 с.