Газ қоспаларындағы жану кинетикасының және механизмінің негіздері

Отынның жылу жұтқыш қабілеті деп оның салмағының (немесе газдарға арналған көлем) толық жануы кезіндегі бөлінетін жылу мөлшерін атайды. Сұйық және қатты отын үшін жылу жұтқыштық қасиет ккал / кг - мен, ал газ түріндегілер үшін - ккал / нм² түрінде болады.

Гесс заңы бойынша, органикалық қосылыстардың жану жылуы, оған кіретін көміртек және сутектің және қоспа молекулаларын түзу жылуының жиынтығы арасындағы айырмашылыққа тең. Отындағы негізгі жанғыш ретінде көміртек саналады. Көміртектен тұратын кез келген қосылысты түзетін жылу көміртектің жану жылуымен салыстырғанда айтарлықтай аз. Сондықтан да, отындағы көміртектің қосылу пішініне тәуелсіз, жану кезінде бос көміртек келесі реакция бойынша қанша жылу берсе, сонша береді:

 

С + О₂ = СО₂ + 97650ккал / г · моль,

 

немесе

 

97650 / 12 = 8137ккал / кг.

 

Сутекті қарастырғанда, оның оттек (0 / 8) отынының органикалық массасына эквивалентті кіретін бөлігі Н₂О - мен байланысты болады және жану жылуын бөлу кезінде қатыспайды деп есептелінеді. Тек сутектің көміртекпен және органикалық массадағы басқа қосылыстармен байланысқан бөлігі ғана жылу бөлу арқылы жанады. Сутекті қоспалардың жылу түзуі жеткіліксіз болғандықтан, жану кезінде бұл сутек бөлетін жылу, қышқылсыздандыру кезіндегі бос сутек бөлетін жылумен келесі реакциядағыдай болады деп есептелінеді:

 

H₂ + 1 / 2О₂ = H₂О_(с) + 68360ккал / кг · моль,

 

немесе келесі реакция бойынша

 

H₂ + 1 / 2О₂ = Н₂О_(бу) + 57810ккал / кг · моль,

 

Яғни, егер сутек түзілсе 57810 / 2= 28905ккал және егер бу түзілсе, 1кг сутек береді 68360 / 2 = 34180ккал.

Отындағы үшінші жылу түзгіш элемент болып, сульфид (FeS, FeS₂), сульфат (CaSО₄) және күкіртті - органикалық қоспа түріндегі күкірт саналады. Отындағы барлық күкірт бос элемент ретінде SО₂ - ге дейін жанады деп есептелінеді, яғни келесідей жылу бөле отырып жүреді:

 

69800ккал / кг немесе 69800 / 32 = 2181ккал / кг.

 

Келтірілген болжамдар бойынша отынның жылу жұтқыш қасиеті келесідей мағынаға ие болады:

 

Q_в = 81,37 · C_ж + 341,8(Н_ж - O_ж / 8) + 21,81S_ж ккал / кг, (2.1)

мұндағы, С_ж, Н_ж, O_ж, S_ж - отынның жұмысшы массасындағы көміртек, оттек, сутек және күкірттің мөлшері, %.

 

Осы формула бойынша отынның жұмысшы массасында (Q_н), гигроскопиялық ылғалдылықсыз және сутек сұйық судың түзілуі арқылы қышқылсызданады деген шартпен, жоғары жылу жұтқыштық қасиетті анықтайды. Отынды жағу кезінде, жалпы, су бу түрінде шығарылады, сәйкесінше әрбір қышқылсыздандырылатын сутекке 289,05ккал жылу бөлінеді, гигроскопиялық ылғалдылықтың жоғалуына шамамен 600ккал / кг жылу бөлінеді. Осы түзетулерді енгізіп, жанудың тәжірибелік шартын өрнектейтін, отынның төменгі жылу жұтқыштық қасиетін есептеуге арналған формуланы аламыз:

 

Q_в = 81,37 · C_ж + 289,05(Н_ж - O_ж / 8) + 21,81S_ж - 6W_ж ккал / кг, (2.2)

 

мұндағы, W_ж - отынның жұмысшы массасындағы гигроскопиялық ылғалдылықтың пайызы.

 

Осы формулалар бойынша отынның жылу жұтқыштық қасиетін есептеу калорометриялық анықтамалармен өте жақын сәйкес келеді, соның ішінде тас көмірлердің. Сондай - ақ, Д.И.Менделеевтің, Д.П. Коноваловтың, Фондрачектің эмперикалық формулаларының есептерінде де ұқсастық бар.

Д.И. Менделеевтің формуласы бойынша жылу жұтқыштық қасиет келесідей:

 

Q_в = 81С_ж + 300Н_ж - 26(О_ж - S_ж) ккал / кг, (2.3)

 

және

 

Q_н = 81С_ж + 246Н_ж - 26(О_ж - S_ж) - 6W ккал / кг, (2.4)

 

Д.П. Коноваловтың формуласы бойынша:

 

Q_н = q_о · G_O2, ккал / кг, (2.5)

 

мұндағы, q_о- оттек потенциалы, яғни оттектің жануы кезінде шығындалатын салмағының бірлігіне сәйкес жанғышпен бірге шығарылатын жылу мөлшері;G_O2- оттек коэффициенті, яғни 1кг отынға шығындалған оттектің мөлшері.

 

Келесі реакция бойынша жанатын көміртек үшін:

 

C + O₂ = CO₂ + 97650ккал,

 

оттек потенциалы 97650 / 32 = 3050ккал / кг құрайды. Оттек потенциалының мұндай шамасына көптеген органикалық қосылыстар және қалыпты жылулық деңгейдегі отынның барлық түрлері, яғни тас көмір, кокс, ағаш көмір, мұнай ие. Әлсіз минералданған отын жоғары потенциалға ие болады: ағаш үшін q_о = 3250ккал / кг,торф және жанатын сланецтер үшін q_о = 3160ккал / кг.

Отынның оттекті коэффициенті отынның жұмысшы массасының құрамына байланысты келесі формуламен анықталады:

 

Go₂ = (8 / 3C_ж + 8H_ж + S_ж - O_ж) / 100кг(2.6)

немесе

Go₂= 0,0267C_ж + 0,08H_ж + 0,01S_ж - 0,01O_ж кг.

 

Фондрачек формуласы бойынша:

 

Q_в = (89,1 - 0,0621C_г)C_ж + 270(H_ж - 0,1O_ж) + 25S_ж ккал / кг, (2.7)

мұндағы, С_г - отынның жанғыш массасындағы көміртектің құрамы.

 

Газ түріндегі отынның жылу жұтқыштық қабілетін, оның рациональды құрамын біле отыра, қоспалардың (СО₂, СН₄, C₂H₆ және т.б.) құрамына кіретін, жанғыш газдардың жануының кешенді жылулық тиімділігі ретінде есептейді. Осыған сәйкес, газды қоспада ылғал түрінде жоғалатын және судың құрамында судан тұратын газдарының (10550ккал / кг · моль) жануы кезінде түзілетін жасырын жылуды ескеру керек.

Отынның әр түрлі түрлерін салыстыру үшін олардың шамасын, жылу жұтқыштық қабілеті шартты түрде 7000ккал / кг болатын отын ретінде алған жөн. Қандай да бір отынды алмастыру үшін, шартты түрде, берілген отынның каллориясының шартты отынның каллориясына қатынасын көрсететін, оның калориялы эквивалентін анықтайды.

Жану температурасы

Отынды жағу кезінде таралатын барлық дерлік жылу жану өнімдерін және пеш қабырғаларын қыздыруға кетеді. Осыған сәйкес алынған температура жану және жылу беру жағдайына тәуелді болады. Әсіресе температураға шығындалатын ауаның шамасы үлкен әсер етеді: оның шығындары жанудың газ түріндегі өнімдерінің мөлшерін жоғарылатады және соған сай неғұрлым ауаның шығымы жоғары болса, жану температурасы төмен болады. Жанудың тәжірибелік теориялық температурасымен салыстырғанда, жану өнімдері үрдістегі барлық таралатын жылу тек олардың температурасын жоғарылатуға жұмсалатын босла ғана жанатын температураны қолданады.

Теориялық түрде температураны отынның құрамын, жанудың жылулық тиімділгін және ауа шығымын біле отырып, есептеуге болады. Осыған байланысты, егер температура жану өнімдеріндегі СО₂ үшін (1600 - 1700°С, Н₂О үшін 1700 - 1800°С) қиын қосылыстардың диссосациясынан жоғары болса, онда теориялық температураның нақты мағынасы диссосация жылуының нәтижесінде алынады. Алайда, мұндай есеп қиын және күрделі болып келеді. Сондықтан да техникалық есептеулерде жану температурасын элементарлық калорометриялық әдіспен, диссосация жылуынсыз, есептеумен шектеледі және мұндай әдіспен есептелген температураны калорометриялық деп атайды.

Калорометриялық температураны анықтау үшін келесі теңдеуді қолданады:

 

t^к = Q_н / ( m₁c₁ + m₂c₂ + m₃c₃), (2.8)

 

мұндағы,Q_н - отынның жануы кезінде таралатын, жану өнімдерін қыздыруға арналған жылу, ккал; бұл жылу, егер бастапқы заттар жағудың алдында байланысты температураға ие болған немесе жану реакциясында бөлінетін жылудың, құрамында жылу бар отынның және судың жиынтығына тең болса және егер соңғылары қыздырылған болса: m₁, m₂, m₃ - жану өнімдерінің мөлшері кг, м³ немесе молекулярлық көлемде; c₁, c₂, c₃ - жану өнімдерінің жылусыйымдылығы орташа 0 - денT° - ға дейін болғанда, жылу жұтқыштық қасиетке тең болады.

 

Жану өнімдерінің шамасын арнайы элементтердің жану реакциясындағы отынның құрамы бойынша табады. Осыған сәйкес, ауамен берілетін азотты, егер жану температурасы анықталатын болса, ауа шығымымен шығарылатын артық оттек шамасын ескере отырып, ауаны 21% оттектен және 79% азоттан тұрады деп алумызға болады. Сонда ауадағы азоттың оттекке қатынасы құрайды:

 

N₂ / О₂ = 79 / 21 = 2,762,

 

немесе ауадағы 1г моль оттекке 3,762г моль азот келеді. Ал ауадағы оттектің бір салмақтық бөлігіне 76,8 / 23,2 = 3,31салмақ.сағат. келеді. Егер ауаның артық мөлшерінің коэффициентін алсақ, яғни шынайы шығымның теориялыққа α арқылы қатынасы, яғни отынның негізгі қож түзетін қосылыстарының жану реакциясын келесі түрде жазуға болады:

 

С + α(О₂ + 3,762H₂) = СО₂ + (α - 1)О₂ + 3,762Н₂О,

СО +α(0,5O₂ + 1,88Н₂) = СО₂ + 0,5(α- 1)O₂ + 1,881H₂О,

Н₂ + α(0,5O₂ + 1,88Н₂) = Н₂O + 0,5(α - 1)O₂ + 1,881Н₂О,

СН₄ + α(2O₂ + 7,524Н₂) = СO₂ + 2Н₂O + 2(α- 1)O₂ + 7,524H₂О.

 

Осы реакциялар бойынша жанудың газ түріндегі өнімдерінің шамасын анықтау оңай. Мысалы, бірінші реакция бойынша ауаның артық шығымы 80% болғанда, яғни:

 

α = 180 / 100 = 18,

 

1г көміртек атомы жанса 1гмоль СО₂, 0,8г моль О₂және3,762 · 1,8 = 6,772г моль N₂ алынады.

Калорометриялық температураны есептеу кезінде жану өнімдерін есептеу дәл сол реакциялар бойынша жүреді, бірақ ауаның теориялық шығымы бойынша, яғни α = 1, осыған сәйкес оларда бос оттектің жағдайы қарастырылмайды.

Жану өнімдерін есептеу салмақты, молекулалы және көлемдік бірліктерде жүргізілуі мүмкін. Молекулалы шамаларда есептеу неғұрлым оңайырақ. Осыған байланысты теориялық температураны есептеуде оңай болады. Жану өнімдеріндегі бос оттектің мөлшері ауаның артық шығымына қарағанда жоғары болады.

Құрғақ түтіннің құрамын біле отырып, отынның жануы жүргізілген ауа шығымының коэффициентін анықтауға болады. Егер О және N арқылы сәйкесінше азот және оттектің көлемдік пайызын құрғақ түтінде анықтасақ, онда ауа шығымының коэффициенті келесі теңдеумен анықталады:

 

α= 1 / 1 - 3,762О / N.(2.9)

 

Көбінесе түтін газдарын талдауды түтінде тек СO₂ шамасын көрсететін, газдық талдағыштармен жүргізеді. Егер жанатын отынның құрамы белгілі болса, ауа шығымының коэффициенті және түтін құрамын және мөлшерін алу жеткілікті. Есепті жеңілдету үшін құрамындағы СO₂ - ге байланысты түтіндегі бос оттектің құрамының тәуелділік формуласы келтірілген:

 

О₂ = 21 - βСО₂,(2.10)

 

мұндағы, O₂және СO₂- құрғақ түтіндегі оттек және көмір қышқылының құрамы, қайт. %; β- жанатын отынның құрамына ғана байланысты болатын коэффициент, егер көміртек, сутек және оттек құрамын С, НжәнеО, %арқылы алатын болсақ, онда:

 

β= 1 + 2,375 / С(Н - О / 8).

 

Егер СO₂зерттеу арқылы анықталса, онда O₂келесі формуламен анықталады (2.10):

 

N₂ = 100 - CO₂ - O₂.

 

Анықтамаға енгізу кезінде N және S құрамдарын енгізу, саналмайтын шамалар ретінде есептелмеген.

Жану өнімдерінде оттек болмаған кезде, отынның ауаның теориялық мөлшерімен толық жануы кезінде, аламыз:

 

21 - β·CO₂ = 0.

 

Бұл жерден газдағы СО₂ - нің ең жоғарғы шамасы құрайды:

 

СО₂ = 21 / β, қайт. %.

 

Онда ауаның артық шығымының коэффициенті келесі қатынасқа жақындау болады:

 

α = СO_2мах / СО_2шынд = 21 / β · СО₂.

 

Түтінді газдарда СO₂ - мен қатар СО - ның кейбір мөлшерде қарастырылуы мүмкін. Мұндай жағдайларда түтіннің құрамын есептеу үшін СО - ның түтіндегі СO₂ және O₂ - ге қатысты тәуелділік формуласы енгізілген:

 

СО = 21 - O₂ -β·СO₂ / β - 0,4.

 

Осы формуламен есептеу үшін, отынның талдау нәтижесіне сәйкес, түтіндегі СO₂и O₂ құрамымен орналастыру керек.

Жану өнімінің санын және құрамын, сондай - ақ оларды қыздыру үшін қажет жылу мөлшерін есептеп алып, (2.8) формула бойынша теңдеу құрады. Теңдеуді шешу берлген шарттарға сай отынның калорометриялық (теориялық) жану температурасын береді.

 

Бақылау сұрақтары:

 

1. Гомогенді жалын дегеніміз не?

2. Активация энергиясына анықтама беріңіздер.

3. Гетерогенді жалынға қандай реакциялар жатады?

4. Металлургиялық агрегаттарда отынның жануы үшін не қажет?

5. Отынның жылу жұтқыштық қасиеті туралы не айта аласыз және ол қалай сипатталады?

6. Гесс заңы бойынша, органикалық қоспаның жану үрдісі қалай жүретінін түсіндіріп беріңіз.

7. Жану үрдісіне анықтама беріңіз.

8. Жану үрдісі кезіндегі жалын қандай болады?

9. Отынның жану температурасы туралы айтып беріңіз.

10. Д.И. Менделеевтің формуласы бойынша жылу жұтқыштық қасиет.

Глоссарий:

1. Жану - бұл, жылудың интенсивті бөлінуімен және түзілетін жану өнімдерінің температураларының тез жоғарлауымен бірге жүргізілетін, отын құрамдылардың қышқылсыздандырғышпен химиялық қосылу үрдісі.

2. Отынның жылу жұтқыш қабілеті - оның салмағының (немесе газдарға арналған көлем) толық жануы кезіндегі бөлінетін, жылу мөлшері.

3. Калориметриялық температура - отынның жануы кезінде бөлінетін жылу тек жану өнімдерін қыздыруға кетеді деп есептейтін, температура.

 

Блиц - тест:

Нұсқа

 

1. Нақты құрылымды және кескінді жалынды қалай атайды?

a) Өрт

b) Факел

c) От

d) Пештегі жалын

e) Пештегі жарық

 

2. Газ түріндегі отынға арналған жылу жұтқыштық қабілет қалай сипатталады?

a) Ккал / г · моль

b) Кал / кг

c) Ккал

d) Ккал / нм³

e) Кг

 

3. Органикалық қоспаның жану жылуын есептеуге арналған негізгі заң:

a) Кеплер заңы

b) Гесс заңы

c) Кирхгоф заңы

d) Менделеев заңы

e) Энергияны сақтау заңы

 

4. Активация энергиясы дегеніміз не?

a) Химиялық реакция жүру үшін қажет, реагенттердің түйіршіктерінде есеппен 1моль болуы қажет ең төмен энергия

b) Химиялық реакция жүру үшін қажет, реагенттердің түйіршіктерінде есеппен 1моль болуы қажет ең жоғарғы энергияны

c) Физикалық реакция жүру үшін қажет, реагенттердің түйіршіктерінде есеппен 100моль болуы қажет ең төменгі энергияны

d) Физикалық реакция жүру үшін қажет, реагенттердің түйіршіктерінде есеппен 1моль болуы қажет ең жоғарғы энергияны

e) 1м² - қа 10моль кететін энергия

 

5. Гомогенді жалын қалай түзіледі?

a) Сұйық отынды газ түріндегі қышқылсыздандырғышта жағу кезінде

b) Қатты отынды газ түріндегі қышқылсыздандырғышта жағу кезінде

c) Газ түріндегі өңдегіштерде сұйық және қатты отынды жағу кезінде

d) Газ түріндегі қышқылсыздандырғышта газ түріндегі өңдегіштерде жағу кезінде

e) Газ түріндегі қышқылсыздандырғышта газ түріндегі отындарды жағу кезінде

6. Төмен жылу жұтқыштық қабілеттің нақты сәйкес келетін мағынасы кімнің эмперикалық формуласы бойынша анықталады?

a) Д.П. Коноваловтың және Фондрачектің

b) Дж.У. Гиббстің және Вант - Гофтың

c) Д.И. Менделееватің және Д.П. Коноваловтың

d) Вант - Гофтың және Д.И. Менделеевтің

e) Д. П. Менделеевтің и Фондрачектың

 

7. Оттектің 1г мольне қанша азот сәйкес келеді?

a) 3,592г моль

b) 5,382г моль

c) 3,762г моль

d) 5,268г моль

e) 1,881г моль

 

8. Қандай бағытта факел жалынды шашыраңқы пештерде таралған?

a) Көлденең бағытта

b) Үрлеуді беру бағыты бойынша

c) Тік бағытта

d) Отынды беру бағыты бойынша

e) Жоғарға бағытталады

 

9. Тас көмір үшін оттек потенциалы қаншаға тең?

a) q_о = 5045ккал / кг

b) q_о = 4550ккал / кг

c) q_о = 3854ккал / кг

d) q_о = 3055ккал / кг

e) q_о = 3050ккал / кг

 

10. Оттынның жануы дегеніміз не?

a) Құрамында отын бар қосылыстардың, жылудың интенсивті үдемелі жылу сорғышымен және жану өнімдерін қалыптастыратын тез төмен температуралармен жүретін, физико - химиялық үрдіс

b) Құрамында отын бар қосылыстардың, жылудың интенсивті үдемелі жылу сорғышымен және жану өнімдерін қалыптастыратын тез төмен температуралармен жүретін, электротермиялық үрдіс

c) Құрамында отын бар қосылыстардың, жылудың интенсивті үдемелі жылу сорғышымен және жану өнімдерін қалыптастыратын тез жоғарғы температуралармен жүретін, физико - химиялық үрдіс

d) Құрамында отын бар қосылыстардың қышқылсыздандырғыштармен қосылуының физико - химиялық үрдісі

e) Құрамында отын бар қосылыстардың қышқылсыздандырғыштармен, жылудың интенсивті үдемелі жылу сорғышымен және жану өнімдерін қалыптастыратын тез жоғарғы температуралармен жүретін, физико - химиялық үрдіс

Нұсқа

1. Гетерогенді жалын қалай түзіледі?

a) Шаң тәрізді тармақталған қатты немесе газ түріндегі сұйық отынды жаққан кезде

b) Сұйық және қатты отынды жаққан кезде

c) Газ түріндегі отынды газ түріндегі қышқылсыздандырғышта жаққан кезде

d) Шаң тәрізді қатты немесе шашыраңқы сұйық отынды жаққан кезде

e) Тармақталған қатты отынды жаққан кезде

 

2. Отындағы негізгі жанғыш зат болып не саналады?

a) Көміртек

b) Оттек

c) Сутек

d) Күкірт тотығы

e) Күкірт

 

3. Биомолекулярлы реакцияның жылдамдығын келесі формуламен анықтауға болады:

a) ω = K_оm₁m₂e ^{- E / RT}

b) ω = KC₁m₂e ^{- E / RT}

c) ω = K_оC₁C₂e ^{- E / RT}

d) ω₁ = KC_нC_O2

e) ω₁ = Km_нC_O2

 

4. Отынның төменгі жылу жұтқыштық қабілеті қалай сипатталады?

a) С_р

b) ω₁

c) e ^{- E / RT}

d) Q_н

e) Q_в

 

5. Әр түрлі қоспалардағы құрамында отын бар жалындардың олардың құрамына байланысты шектері орнатылған. Метанның көлемдік мөлшері қаншаға тең?

a) 6 - 16%

b) 2,27 - 9,5%

c) 5 - 15%

d) 4,0 - 74,20%

e) 1,41 - 6,75%

 

6. Отын түйіршіктерінің бетіндегі қышқылсыздандырғыш концентрацияларының өлшем бірлігі:

a) ккал

b) моль / кг

c) м³

d) моль / м³

e) моль / м²

 

7. Мартен пештеріне отын және ауа қайдан түседі?

a) Мойындық арқылы

b) Қабат арқылы

c) Клапан арқылы

d) Пеш аузы арқылы

e) Ауа каналдары арқылы

 

8. Газ түріндегі отынды алу үшін газогенераторлардағы отынның қабығы қандай бойлыққа ие?

a) Тура бойлық

b) Көлденең бойлық

c) Тік бойлық

d) Үрлеуді қарама қарсы беру

e) Қайтымды бойлық

 

9. Әр түрлі қоспалардағы құрамында отын бар жалындардың олардың құрамына байланысты шектері орнатылған. Бензолдың көлемдік мөлшері қаншаға тең?

a) 5 - 15%

b) 1,41 - 6,75%

c) 0,25 - 1,45%

d) 4,0 - 74,20%

e) 2,27 - 0,5%

 

10. Активация энергиясы дегеніміз не?

a) Химиялық реакция жүру үшін қажет, реагенттердің түйіршіктерінде есеппен 1моль болуы қажет ең төмен энергия

b) Химиялық реакция жүру үшін қажет, реагенттердің түйіршіктерінде есеппен 1моль болуы қажет ең жоғарғы энергияны

c) Физикалық реакция жүру үшін қажет, реагенттердің түйіршіктерінде есеппен 100моль болуы қажет ең төменгі энергияны

d) Физикалық реакция жүру үшін қажет, реагенттердің түйіршіктерінде есеппен 1моль болуы қажет ең жоғарғы энергияны

e) 1м² - қа 10моль кететін энергия

 

 

Дәріс 3