При вирішенні багатьох практичних питань необхідно знати кількість повітря, що витрачається на горіння одиниці маси або обсягу горючої речовини, кількість які утворилися продуктів горіння і їх процентний склад. Розглянемо розрахункові методи визначення окремих складових матеріального балансу процесів горіння.
Методика розрахунку обсягу повітря для горіння залежить від складу горючої речовини, його агрегатного стану і умов горіння. За своєю природою горючі речовини можуть бути індивідуальними хімічними сполуками і сумішами складних хімічних сполук. До індивідуальних хімічних сполук відносяться такі речовини, які мають постійне хімічну будову і постійну хімічну формулу, наприклад бензол (С6 Н6), пропанол
(С3 Н7 ОН), оцтова кислота (СН 3 СООН) і ін. Суміші складних хімічних сполук - речовини, що не мають певного хімічної будови, і їх складу однієї хімічної формулою висловити не можна. До цієї групи речовин належать вугілля, нафта, деревина, жири та ін. Склад цих речовин виражається в процентному змісті окремих елементів або газів (C, S, H. та ін. Або СО, СН4. Н2 S і ін.).
Розрізняють обсяг повітря теоретично необхідне для горіння (V ст теор.) І обсяг повітря дійсно (практично) витрачений на горіння (V ст дійств.). При цьому:
Множник a називається коефіцієнтом надлишку повітря. Коефіцієнт надлишку повітря показує, у скільки разів об'єм повітря, що надійшов на горіння, більше теоретичного обсягу повітря, необхідного для повного згоряння одиниці кількості речовини в стехиометрической суміші.
Різниця між дійсним і теоретично необхідною кількістю повітря називається надлишком повітря ( # 916; Vв).
Обсяг продуктів горіння, що утворилися при спалюванні одиниці палива (1 кг, 1 м 3. 1 кмоль) в теоретичному кількості повітря, дорівнює сумі обсягів вуглекислого газу, водяної пари і азоту:
Повний, дійсний обсяг продуктів горіння знаходиться з урахуванням надлишку повітря:
Для зручності розрахунків горючі речовини поділяють на 4 групи (табл. 1): індивідуальні хімічні сполуки (в газоподібному і конденсованому стані); речовини складного складу (деревина, торф, нафта і т. п.); суміш газів (генераторний, попутний гази і т. п.).
Таблиця 1 Розрахункові формули для визначення теоретичного кількості повітря, необхідного для згоряння речовин
Група горючих речовин
nгв, NО2. nN2 - кількості пального, кисню та азоту, одержувані з рівняння реакції горіння, кмоль / кмоль;
Мгв - молекулярна маса горючої речовини;
Vt - молярний об'єм газу за заданих умовах, м 3 / кмоль;
Для газоподібних горючих речовин розрахунок обсягів повітря і продуктів горіння проводять в м 3 / м 3. Так як 1 кмоль будь-якого газу в однакових умовах займає один і той же обсяг (при нормальних умовах 22, 4 м 3), то обсяг, розрахований в м 3 / м 3. чисельно буде таким же, як і в кмоль / кмоль.
Якщо горюча речовина знаходиться в конденсованому стані (рідкому або твердому), то, як правило, розрахунки обсягів повітря і продуктів горіння проводять в м 3 / кг.
Для визначення обсягу повітря при горінні в умовах, відмінних від нормальних, користуються рівнянням ідеальних газів:
Де Р0 - нормальний тиск, Па;
Т0 - нормальна температура, К;
V0 - об'єм повітря при нормальних умовах (м 3 або м 3 / кмоль);
P1. T1. V1 - відповідно тиск, обсяг і температура повітря, що характеризують задані умови горіння.
Іноді на практиці доводиться вирішувати зворотну задачу - за відомим процентним вмістом кисню в продуктах горіння знаходити коефіцієнт надлишку повітря:
Для речовин, у яких обсяг продуктів горіння дорівнює обсягу витраченого повітря (наприклад, горіння вуглецю, сірки), ця формула спрощується:
При розрахунку обсягу продуктів горіння користуються формулами, наведеними в табл. 2.
Розрахункові формули для визначення теоретичного обсягу продуктів горіння
Якщо горіння протікає з надлишком повітря, то при розрахунку кількості молей продуктів горіння враховується надмірне число молей кисню та азоту (і)
Розглянемо приклади розв'язання задач на розрахунок об'єму повітря, обсягу і складу продуктів горіння.
ПРИКЛАД: Згоряє 4 м 3 пропану (С3 Н8). Розрахувати теоретичні обсяги повітря, обсяг і склад (в об'ємних%) продуктів горіння. Умови нормальні.
Згорає індивідуальне горюча речовина, що знаходиться в газоподібному стані.
1. Запишемо рівняння реакції горіння пропану в повітрі:
2. Розрахуємо теоретичні обсяги повітря і продуктів горіння за формулами (6) і (13) в розрахунку на 1 м 3 горючої речовини:
3. З огляду на, що згоряє не 1 м 3 газу, а 4 м 3 знаходимо дійсні обсяги повітря і продуктів горіння:
4. Розрахуємо складу продуктів горіння:
ВІДПОВІДЬ: на згоряння 4 м 3 пропану необхідно 95,2 м 3 повітря, при цьому утворюється 103,2 м 3 продуктів горіння, з яких СО2 - 11,6%, Н2 О - 15,5%, N2 - 72,9% .
Згорає індивідуальна хімічна сполука в конденсованому стані.
1. Складаємо рівняння реакції горіння ацетону в повітрі:
2. Обсяг повітря, необхідний для згоряння 1 кг ацетону, розраховуємо за формулою (7), враховуючи при цьому, що маса одного кіломоля ацетону становить 58 кг / кмоль:
3. Дійсний об'єм повітря, який пішов на згоряння 1 кг ацетону, розраховується з урахуванням коефіцієнта надлишку повітря:
4. Надлишок повітря складе:
5. Теоретичний об'єм продуктів горіння розраховуємо за формулою (14):
6. Дійсний обсяг продуктів горіння складе:
7. Обсяг повітря теоретично необхідного для згоряння 100 кг ацетону складе відповідно 740 м 3 (7,4 # 61655; 100), при цьому виділиться 1 550 м 3 продуктів згоряння.
Примітка. Якщо в процесі горіння була задані умови, відмінні від нормальних (Т нерівно 273 К, Р нерівно 101,3 кПа), то обсяг продуктів горіння і повітря розраховується з урахуванням обсягу, який займає один кмоль газу при цій температурі:
Де = 101,3кПа, = 273К, Т і Р задані температура і тиск.