4.4. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА И СОСТАВА ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ

Знание количества и состава продуктов горения необходимо для расчета важнейших характеристик процесса горения – температуры горения, температуры взрыва, давления при взрыве. Поскольку продукты сгорания находятся, как правило, в газообразном состоянии, их состав выражается либо в объемных процентах, либо в м³ на 1 кг горючего вещества. В зависимости от состава горючего вещества выбирается порядок расчета.

Горючее вещество – определенное химическое соединение

Если горючее вещество (твердое, жидкое или газообразное) представляет собой определенный химический элемент или соединение, то для него можно записать уравнение химической реакции горения. В этом случае состав и содержание продуктов полного сгорания можно определить непосредственно по уравнению реакции горения.

Рассмотрим порядок расчета на примере горения этилацетата СН₃–СОО–С₂Н₅ при нормальных условиях (Т=0°С, р=760 мм Hg)

·       Запишем уравнение реакции горения:

СН₃–СОО–С₂Н₅+5О₂=4СО₂–4Н₂О.

·       В это уравнение подставим значения молекулярных масс входящих в него элементов:

·       Определим массу продуктов сгорания, образующихся при полном сгорании 1 кг этилацетата:

 кг;         кг.

·       По известной плотности углекислого газа (r=1.977 кг/м³) и паров воды (r=0.804 кг/м³) при нормальных физических условиях, определим объем продуктов сгорания 1 кг этилацетата:

;          .

Таким образом, при полном сгорании 1 кг этилацетата при нормальных физических условиях образуется 1.01 м³ углекислого газа и 1.02 м³ паров воды. В ряде случаев необходимо определить состав сухих продуктов сгорания, то есть без учета паров воды. В состав сухих продуктов сгорания этилацетата входит только углекислый газ СО₂.

Горючее вещество – смесь газов

В состав технических газов входят метан, водород, оксид углерода, этан, бутан, пропан и другие газы. Количество и состав газообразных продуктов сгорания для смеси газов можно определить с помощью уравнений реакций горения входящих в смесь компонентов.

Рассмотрим порядок расчета состава и количества газообразных продуктов полного сгорания на примере светильного газа, состав которого приведен в табл. 4.7.

Таблица 4.7

Состав светильного газа

·       Запишем уравнения реакций горения входящих в смесь газов.

Горение угарного газа:

2СО+О₂=2СО₂.

Горение метана:

СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О.

Горение водорода:

2Н₂+О₂=2Н₂О.

Углекислый газ является  продуктом полного горения, поэтому для него уравнение реакции не записывается.

·       Подставим в эти уравнения молекулярные массы входящих в них элементов.

Для горения угарного газа:

Для горения метана:

Для горения водорода:

·       Определим массу продуктов сгорания 1 кг каждого из компонентов смеси.

Для горения угарного газа:    кг.

Для горения метана:    кг;      кг.

Для горения водорода:    кг.

·       Определим объем продуктов сгорания 1 кг каждого из компонентов по известным значениям их плотности при нормальных физических условиях.

Для горения угарного газа:    м³.

Для горения метана:    м³;          м³.

Для горения водорода:    м³.

·       Определим объем продуктов сгорания 1 м³ каждого из компонентов по известным значениям их плотности при нормальных физических условиях.

Для горения угарного газа (r=1.25 кг/м³):

 м³.

Для горения метана (r=0.717 кг/м³):

 м³;       м³.

Для горения водорода (r=0.09 кг/м³):

 м³.

·       Суммируя полученные объемы продуктов сгорания при горении угарного газа, метана и водорода (с учетом их процентного содержания в смеси), можно определить общее количество продуктов сгорания:

;

.

Таким образом, суммарный объем продуктов сгорания

,

включая 0.05 м³ углекислого газа, содержащегося в исходной смеси.

Аналогичным способом можно рассчитать объем газообразных продуктов, образующихся при полном сгорании 1 м³ любого конкретного газа. Для некоторых распространенных газов результаты расчетов приведены в табл. 4.8.

Таблица 4.8

Состав и объем газообразных продуктов,
образующихся при полном сгорании 1 м³ газов

С помощью табл. 4.8. можно определить как состав продуктов полного сгорания, так и их процентное содержание в любой горючей смеси, состоящей из приведенных в таблице газов.

Горючее вещество – смесь сложных химических соединений

Если известен элементарный состав сложного вещества, то есть его эквивалентная формула, то состав и количество газообразных продуктов сгорания 1 кг вещества можно определить по уравнениям реакций горения основных горючих компонентов – водорода, углерода и серы.

При этом записывается уравнение реакции горения, например, для углерода:

С+О₂=СО₂.

В уравнение подставляются молекулярные массы элементов:

.

Определяются масса и объем углекислого газа, образующегося при полном сгорании 1 кг углерода:

 кг;    м³.

Аналогично определяются масса и объем газообразных продуктов полного сгорания водорода и серы. Если в составе топлива содержатся азот N₂, влага W и зола A, то они в процессе горения не участвуют. Эти компоненты переходят в газообразное состояние и смешиваются с остальными продуктами горения. При нормальных физических условиях 1 кг азота имеет объем  м³, а 1 кг паров воды имеет объем  м³.

В табл. 4.9 приведены состав и объем газообразных продуктов, образующихся при полном сгорании 1 кг горючих веществ.

Таблица 4.9

Количество газообразных продуктов (м³),
образующихся при полном сгорании 1 кг горючих веществ

Пользуясь этими данными, можно определить количество продуктов горения, если известен элементарный состав любого топлива. В качестве примера определим количество продуктов сгорания 1 кг каменного угля (табл. 4.10).

Таблица 4.9

Элементарный состав угля

Используя данные табл. 4.9, 4.10 определим объем газообразных продуктов полного сгорания:

 м³;

 м³;

 м³;

 м³.