Расчёт объёма воздуха, объёма и состава продуктов горения

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 горения (V _В^теор), и объём воздуха, действительно (практически) израсходованный на горение (V _В^действ). При этом

. (2)

Множитель a называется коэффициентом избытка воздуха. Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз объём воздуха, поступивший на горение, больше теоретического объёма воздуха, необходимого для полного сгорания единицы количества вещества в стехиометрической смеси.

Разность между действительным и теоретически необходимым количеством воздуха называется избытком воздуха (DV _В).

. (3)

Объём продуктов горения, образовавшихся при сжигании единицы горючего (1 кг, 1 м³, 1 кмоль) в теоретическом количестве воздуха, равен сумме объёмов углекислого газа, паров воды и азота:

. (4)

Полный, действительный объём продуктов горения рассчитывается с учётом избытка воздуха:

(5)

Для удобства расчётов горючие вещества разделяют на следующие группы (табл. 16): индивидуальные химические соединения (в газообразном и конденсированном состоянии); вещества сложного состава (древесина, торф, нефть и т. п.); смесь газов (генераторный, попутный газы и т. п.).

Таблица 16

Расчётные формулы для определения теоретического количества воздуха, необходимого для сгорания веществ

Группа горючих веществ	Расчётные формулы	Размер-ность
Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии	(6)	м3/м3
Индивидуальное горючее вещество в конденсированном состоянии	(7)	м3/кг
Смесь газов	(8)	м3/м3
Вещество сложного состава в конденсированном состоянии	(9)	м3/кг

Примечание:

- количество горючего, кислорода и азота, получаемых из уравнения реакции горения, кмоль/кмоль;

М _ГВ – молекулярная масса горючего вещества;

V_t – молярный объём газа при заданных условиях, м³/кмоль;

C, H, S, O – весовое содержание соответствующих элементов в составе горючего вещества, % масс.;

– сумма произведений стехиометрического коэффициента реакций горения каждого компонента горючей смеси (b _i) на процентное содержание этого компонента (j _i) в смеси;

– процентное содержание кислорода в сложном горючем газе.

Для газообразных горючих веществ расчёт объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м³/м³. Так как 1 кмоль любого газа в одинаковых условиях занимает один и тот же объём (при нормальных условиях 22,4 м³), то объём, рассчитанный в м³/м³, численно будет таким же, как и в кмоль/кмоль.

Если горючее вещество находится в конденсированном состоянии (жидком или твёрдом), то, как правило, расчёты объёмов воздуха и продуктов горения проводят в м³/кг.

Для определения объёма воздуха при горении в условиях, отличных от нормальных, пользуются объединённым газовым законом:

, (10)

где Р ₀ – нормальное давление, Па;

Т ₀ – нормальная температура, К;

V ₀ – объём воздуха при нормальных условиях (м³ или м³/кмоль);

P ₁, T ₁, V ₁ – соответственно давление, объём и температура воздуха, характеризующие заданные условия горения.

Иногда на практике приходится решать обратную задачу – по известному процентному содержанию кислорода в продуктах горения находить коэффициент избытка воздуха:

. (11)

Для веществ, у которых объём продуктов горения равен объёму израсходованного воздуха (например, горение углерода, серы), эта формула упрощается:

. (12)

При расчёте объёма продуктов горения пользуются формулами, приведёнными в табл. 17.

Таблица 17

Расчётные формулы для определения теоретического объёма продуктов горения

Группа горючих веществ	Расчётные формулы	Раз-мер-ность
Индивидуальное горючее вещество в газообразном состоянии	(13)	м3/м3
Индивидуальное горючее вещество в конденсирован-ном состоянии	(14)	м3/кг
Смесь газов	(15)	м3/м3
Вещество сложного состава в конденсирован-ном состоянии	(16)	м3/кг

Расчёт объёма продуктов горения (СО₂, Н₂О, SO₂, N₂) при горении веществ сложного состава проводится по следующим формулам:

; (17)

; (18)

; (19)

. (20)

Процентный состав продуктов горения рассчитывается исходя из количества молей продуктов горения. Например, процентное содержание паров воды в продуктах горения составит, %

. (21)

Если горение протекает с избытком воздуха, то при расчёте количества молей продуктов горения учитывается избыточное число молей кислорода и азота ( и ), %

, (22)

где , (23)

. (24)

Рассмотрим примеры решения задач на расчёт объёма воздуха, объёма и состава продуктов горения.

ПРИМЕР: Сгорает 4 м³ пропана (С₃Н₈). Рассчитать теоретические объёмы воздуха, объём и состав (в объёмных %) продуктов горения. Условия нормальные.