Горение веществ

Водород                           —        21,0        11,2      —

Сера    .....     —            2,63         —        0,7

При горении  углерода, водорода и серы кислород поступает из воздуха. Однако в состав горючего вещества может входить кислород, который также принимает участие в горении. В этом случае воздуха на горение вещества расходуется соответственно меньше.

В составе  горючего вещества могут находиться азот и влага, которые в процессе горения переходят в продукты сгорания. Для учета их необходимо знать объем 1 кг азота и паров воды при нормальных условиях. Объем 1 кг азота равен 0,8 м³, а паров воды 1,24 м³.

В воздухе  при 0°С и давлении 101325 Па на 1 кг кислорода приходится 3,76-22,4/32 = 2,63 м³ азота.

На основании  приведенных данных определяют состав и объем продуктов сгорания 1 кг горючего вещества.

Пример 7. Определить объем и состав влажных продуктов сгорания 1 кг каменного угля, состоящего из 75,8% С, 3,8% Н, 2,8% О, 1,1% N, 2,5% S, №=3,0%, А = 11,0%. Объем продуктов сгорания будет следующий, м³:

Компоненты	СО2	Н2О	N2	SO2
Углерод	1,86-0,758=1,4	-
Водород		11,20,038=0,425
Сера
Азот в горючем веществе	-	-
Влага в горючем  веществе		1,24-0,03=0,037
Сумма	1,4	0,462
Углерод			7-0,758=5,306	-
Водород			21-,038=0,798	-
Сера			2,630,025=0,658	0,70,025=0,017
Азот в  горючем веществе			0,80,011=0,0088
Влага в  горючем   веществе			-	-
Сумма			6,7708—0,0736	- 0,017 =6,6972

Из общего объема азота вычитают объем азота, приходящийся на кислород в составе каменного угля 0,028^.2,63=0,0736 м³. Итог таблицы указывает состав продуктов сгорания каменного угля. Объем влажных продуктов сгорания 1 кг каменного угля равен

V_n,c= 1,4+ 0,462+ 6,6972+ 0,017 = 8,576 м³/кг

Горючее вещество — смесь газов. Количество и состав продуктов сгорания для смеси газов определяют по уравнению реакции горения компонентов, составляющих смесь. Например, горение метана протекает по следующему уравнению

СН₄ + 2О₂ + 2-3,76N₂ = СО_а + 2Н₂О + 7,.52N₂

Согласно  этому уравнению, при сгорании 1 м³ метана получается 1 м³ диоксида углерода, 2 м³ паров воды и 7,52 м³ азота. Аналогично определяют объем (в м³) продуктов сгорания 1 м³ различных газов:

                    

	СО2	Н2О	N2	SO2
Водород	—	1,0	1,88	—
Оксид  углерода	1,0	—	1,8 8	—
Сероводород	1,0	—	5,64	1,0
Метан	1,0	2,0	7,52	—
Ацетилен	2,0	1,0	9,4	—
Этилен	2,0	2,0	11,28	-

На основании  приведенных цифр определяют состав и количество продуктов сгорания смеси газов.

Пример 8. Определить объем влажных продуктов сгорания 1 м³ доменного газа, состоящего из 10,5% СО₂, 28% СО, 0,3% СН₄, 2,7% Н₂ и 58,5% N₂. Объем продуктов сгорания будет следующий, м³:

	СО2	Н2О	N2
Оксид углерода	1. 0,28=0,28	—	1,88. 0,28=0,526
Водород	—	1..0,027=0,027	1,88..0,027=0,05
Метан	1. 0,003=0,003	2. 0,003=0,006	7,52.  0,003=0,022
Диоксид   углерода  в  составе газа	0,105	—	—
Азот   в   составе газа   ...	—	—	0,585
Сумма	0,388	0,033	1,183

Объем продуктов сгорания 1 м³ доменного газа равен

Vn,c = 0,388 + 0,033+ 1,183 = 1,604 м³/м³

Анализ продуктов  сгорания, взятых на пожарах в различных помещениях, показывает, что в них всегда содержится значительное количество кислорода. Если пожар возникает в помещении с закрытыми оконными, дверными или другими проемами, то пожар при наличии горючего может продолжаться до тех пор, пока содержание кислорода в смеси воздуха с продуктами сгорания в помещении не снизится до 14—16% (об.). Следовательно, на пожарах в закрытых помещениях содержание кислорода в продуктах сгорания может быть в пределах от 21 до 14% (об.). Состав продуктов сгорания, взятых во время пожаров в помещениях с открытыми проемами (подвал, чердак), показывает, что содержание в них кислорода может быть ниже 14%  (об.):

	СО	СО2	О2
В подвалах	0,15-0,5	0,8-8,5	10,6-19
На чердаках	0,1-0,6	0,3-4,0	16,0-20,2

По содержанию кислорода в продуктах сгорания на пожарах можно судить о коэффициенте избытка воздуха, при котором происходило горение.

Пример 9. Определить коэффициент избытка воздуха при пожаре в помещении, если во взятом на анализ дыме содержалось 19% (об.) О₂. Коэффициент избытка воздуха находим, пользуясь отношением (8)

.

 

Теплота сгорания

Химические  реакции сопровождаются поглощением или выделением энергии, в частности тепла. Реакции, сопровождающиеся поглощением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются эндотермическими. При эндотермических реакциях нагрев реагирующих веществ необходим не только для возникновения реакции, но и в течение всего времени их протекания. Без нагревания извне эндотермическая реакция прекращается.

Реакции, сопровождающиеся выделением тепла, а также образующиеся при этом соединения называются экзотермическими. Все реакции горения относятся к экзотермическим. Вследствие выделения тепла они, возникнув в одной точке, способны распространяться на всю массу реагирующих веществ.

Количество  тепла, выделяемое при полном сгорании вещества и отнесенное к одному молю, единице массы (кг, г) или объема (м³) горючего вещества, называется теплотой сгорания. Теплоту сгорания можно вычислить по табличным данным, пользуясь законом Гесса. Русский химик Г. Г. Гесс в 1840 г. открыл закон, который является частным случаем закона сохранения энергии. Закон Гесса состоит в следующем: тепловой эффект химического превращения не зависит от пути, по которому реакция протекает, а зависит лишь от начального и конечного состояний системы при условии, что температура и давление (или объем) в начале и конце реакции одинаковы.

Поясним это  на примере вычисления теплоты сгорания метана. Метан можно получить из 1 моль углерода и 2 моль водорода. При сжигании метана пoлучается 2 моль воды и 1 моль диоксида углерода

С + 2Н₂ = СН₄ + 74,8 кДж (Q₁);

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О + _Qгор..

Те же продукты образуются при сгорании водорода и углерода. При этих реакциях общее количество  выделившегося тепла равно 963,5 кДж.

2Н_а + О₂ = 2Н₂О + 570,6 кДж;

 С + О₂ = СО₂ + 392,9 кДж

  963,5 кДж(Q)

Поскольку начальные  и конечные продукты случаях одинаковы, их общие тепловые эффект должны быть равны согласно закону Гесса, т. е.

Q₁ + Qгор. = Q, откуда

Qгор. = Q – Q₁,

следовательно, теплота сгорания метана будет равна Qгор. = 963,5 — 74,8  = 888,7 кДж/моль

Таким образом, теплота сгорания химического соединения (или их смеси) равна разности между суммой теплот образования продуктов сгорания и теплотой образования сгоревшего химического соединения (или веществ, составляющих горючую смесь).

Теплота образования — теплота, выделяющаяся или поглощающаяся при образовании 1 моля соединения из простых веществ

Следовательно, для определения теплоты сгорания химических соединений необходимо знать теплоту их образования и теплоту образования продуктов, получающихся после сгорания. Ниже приведены значения теплот образования некоторых химических соединений- кДж/моль:

Соединение	-ΔНобр., кДж/моль	Соединение	-ΔНобр., кДж/моль
Аl2Оз	1631,6	Метан СН4	75,0
Fe2O3	822,5	Этан С2Нб	88,4
СО	110,6	Ацетилен  С2Н2	224,6
CO2	396,9	Бензол С6Н6	34,8
Вода Н2О	285,7	Этилен С2Н4	48,6
Водяной пар  Н2О	242,2	Толуол С6Н6СН3	4,19

 

Пример   10.   Определить теплоту сгорания этана, если теплота его образования Q₁=88,4 кДж. Напишем уравнение горения

      С₂Н₆ + 3, 5О₂ = 2СО_а + ЗН₂О + Q_гор.

Для определения Qгоp. необходимо знать теплоты образования продуктов сгорания. Теплота образования диоксида углерода 396,9 кДж, а воды 285,7 кДж. Следовательно, Q будет равно

Q = 2^.396,9+ 3^.286,6 = 1653,6 кДж,

а теплота  сгорания этана

Qгор. = Q — Q₁= 1653,6 —88,4 = 1565,2 кДж.

Теплоту сгорания экспериментально определяют в калориметрической  бомбе и газовом калориметре. Различают высшую и низшую теплоты сгорания. Высшей теплотой сгорания Q_B называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м³ горючего вещества при условии, что содержащийся в нем водород сгорает с образованием жидкой воды. Низшей теплотой сгорания Q_H называют количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 кг или 1 м³ горючего вещества при условии сгорания водорода до образования водяного пара и испарении влаги горючего вещества.

Высшую и  низшую теплоты сгорания твердых  и жидких горючих веществ можно определить по формулам Д. И. Менделеева

Q_B = 339,4 [С] + 1257 [Н] — 108,9 ([О] — [S]) (12)

Q_h = 339,4 [С] +1257 [HI —108,9 ([О] —[S]) —25,1 (9 [Н] + W)  (13),

где Q_B, Q_h — высшая и низшая теплота сгорания, кДж/кг; [С], [Н], [О], [S], W — содержание в горючем веществе углерода, водорода, кислорода, горючей серы и влаги, %•

Пример 11. Определить низшую теплоту сгорания сернистого мазута, состоящего из 82,5% С, 10,65% Н, 3,1% S и 0,5% О; А (зола) = 0,25%; W=3%. Используя уравнение Д. И. Менделеева (13), получаем

Q_H = 339,4 ^..82,5 + 1257^.10,65 — 103,9(0,5 — 3,1) — 25,1 (9^.10,65 + 3) = 38622,7 кДж/кг

Низшую теплоту  сгорания 1 м³ сухих газов можно определить по уравнению

Qн. = 126,5 [СО] + 107,7 [Н₂] + 358,2 [СН₄] + 590,8 [С₂Н₄] +

+ 636,9 [С₂Н„] + 913,4 [С₃Н₈] + 1185,8 [С₄Н₁₀] +

+ 1462,3 [С₅Н₁₂] + 234,6 [Н₂] кДж/м³

Низшая теплота  сгорания некоторых горючих газов и жидкостей, полученная экспериментально, приведена ниже:

Соединение	-ΔНсгор., кДж/кг	-ΔНсгор., кДж/мЗ	-ΔНсгор., кДж/моль
Углеводороды
метан	50004,0	35874,8	803,6
этан	47569,0	63838,8	1430,4
пропан	46441,9	91350,4	2047,6
Спирты
метиловый	22374,6	—	716,0
этиловый	29874,7	—	1374,3
пропиловый	33658,3	—	2019,5