2.5. Свойства твердых веществ.

КИ - кривые испарения, КП - плавления КС - сублимации, ТТ - твердая, Ж - жидкая, Г - газообразная фазы. Кривые на диаграмме называются кривыми фазового равновесия. Точка К – критическая точка.

Рис. 6. Диаграмма состояния фаз в системе твердое тело – жидкость – газ.

Рис. 7. Фазовые переходы в системе твердое тело – жидкость – газ.

Рис. 8. Термограмма состояния вещества.

.

Тема 3. Химические основы горения.

3.1. Химизм реакций горения.

Горение – это экзотермическая окислительная реакция соединения горючего вещества с окислителем – кислородом воздуха.

Горючие вещества - газы, жидкости и твердые тела. Это Н₂, СО, сера, фосфор, металлы, С_mH_n (углеводороды в виде газов, жидкостей и твердых веществ, т.е. органические вещества. Природными углеводородами, например, являются природный газ, нефть, уголь). В принципе, горючими могут все вещества, способные к окислению.

Окислители - кислород, озон, галогены (F, Cl, Br, J), закись азота (NO₂), аммиачная селитра (NH₄NO₃) и др. У металлов - СО₂, Н₂О, N₂.

Горение при реакциях разложения веществ, полученных в эндотермических процессах. Например, при распаде ацетилена:

С₂Н₂ = 2С + Н₂.

Экзотермические реакции – это реакции, проходящие с выделением тепла.

Эндотермические реакции – это реакции, проходящие с поглощением тепла.

Например:

2Н₂+О₂=2Н₂О+Q – экзотермическая реакция,

2Н₂О+Q=2Н₂+О₂ – эндотермическая реакция,

где: Q – тепловая энергия.

Стехиометрические составы:

α=1- стехиометрический компонент;

α>1- с избытком воздуха;

α<1- с избытком топлива.

α=1,2;…;1,25 – оптимальное.

Если смесь стехиометрическая, то Т=max;

Если α>1– смесь называется бедная или кислая;

Если α<1– смесь называется богатой или сладкой.

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

1 моль СН₄ + 2 моля О₂ = 1 моль СО₂ + 2 моля Н₂О.

33,3% СН₄ и 2/3=66,7% О₂.

Горение СН₄ в воздухе, т.е. в смеси 21% О₂+79% N₂ или О₂+79/21N₂ или О₂+3,76N₂:

СН₄+2О₂+23,76N₂=СО₂+2Н₂О+23,76N₂.

1 моль СН₄+2 моля О₂+7,52 моля N₂ = 10,52 моля смеси О₂, N₂ и СН₄.

Стехиометрический состав смеси:

(1/10,52)*100%=9,5% СН₄; (2/10,52)*100%=19,0% О₂;

(7,52/10,52)*100%=71,5% N₂.

Произвольные, нестехиометрические составы:

2СН₄+2О₂=СО₂+2Н₂О+СН₄ 1 моль СН₄ не прореагирует.

СН₄+4О₂=СО₂+2Н₂О+2О₂ 2 моля О₂ не участвует в реакции (балласт).

Мольная до­ля горючего в стехиометрической смеси может быть легко определена из соотношения

x_{гор,стех} = 1/(1 +)

Здесь v обозначает число молей О₂ в уравнении реакции с образова­нием СО₂ и Н₂О. Примером служит реакция

Н₂ + 0,5О₂ —> Н₂О,  = 0,5, х_Н2,стех = 2/3.

Если окислителем является воздух, то следует принимать во вни­мание, что сухой воздух содержит только 21% кислорода, а также 78% азота и 1% благородных газов. Таким образом, для воздуха x_N2 ⁼ 3,762х_О2. Отсюда мольные доли для стехиометрической сме­си с воздухом будут равны

x_{гор,стех} ⁼ 1/(1 + f  4,762), х_О2,стех = x_{гор,стех}, х_N2,стех =3,762 х_О2,стех

где v как и прежде означает количество молей О₂ в уравнении реак­ции полного превращения одного моля горючего в СО₂ и Н₂О. Ряд примеров значений v и мольных долей горючего для стехиометрических смесей горючего с воздухом приведен в табл. 1.3.

Топлива и их основные характеристики

Топливо – горючее вещество, выделяющее при сжигании значительное кол-во тепла, которое используется в технологических процессах или преобразуется в др. виды энергии.

Топливо – горючее вещество, которое экономически целесообразно использовать для производства топлива.

Целесообразность тех или иных веществ в качестве топлива обосновывается технико-экономическими факторами:

-наличие больших запасов;

-стоимость добычи и транспортировки;

-реакционная способность;

-влияние на окружающую среду;

-доступность для использования.

В качестве топлива гл. образом используются органические вещества состоящие из С и Н. Топливо разделяют на природные (каменный и бурый уголь) и искусственные(бензин, мазут).

Свойства топлива определяются его составом. При этом есть 2 подхода : по молекулярному (газы) и элементарному (твёрдое и жидкое топливо) составу.

Горючая часть – СО, Н₂, СН₄,С_nH_m,Н₂S.

Не горючая часть – O, N, CO₂.

Состав газообразного топлива.

СО+ Н₂+ СН₄+С_nH_m+Н₂S+О₂+N₂+CO₂=100 где газы взяты в % при норм.усл.(t=0, P=101325 Па)

Рабочий состав- состав который поступает в топку (%)

C^P+H^P+S^P+O^P+N^P+A^P+W^P=100

Сухая масса – рабочий состав без влаги W.

C^C+H^C+S^C+O^C+N^C+A^C=100

Горючая масса- сухая масса без золы А.

C^Г+H^Г+S^Г+O^Г+N^Г=100

По элементарному составу орг. топлива главным образом содержат С. Но есть использование бороводородного топлива в ракетной промышленности.

В дереве, торфе - 50% С, в угле - 75% С, в антрацитах - 75% С.

При полном сжигании С выделяется тепло в количестве Q_с=33600 (кДж/кг)

Второй важный элемент – Н. В древесине – 6-6,5%, в нефти – 5%, в каменном угле – 4-5,5%.

Тепловая ценность Н в 4 раза > С, Q_н^в=141500 (кДж/кг)- с учетом конденсации, Q_Н2^Н=11900 (кДж/кг). Теплотворная способность Н – высшая.

Третий компонент – S. Нежелательный горючий элемент, бывает органическая-S₀, и колчеданная-S_k (Fe+Cu+S). Q_s=9000 (кДж/кг).

Сера нежелательна тем, что при низкой ее энергетической характеристики, продукты ее сгорания вредят ОС и машинным механизмам. Поэтому топливо очищают от серы.

Кислород и азот также нежелательные элементы топлива. Кислород, связующая часть горючих элементов, снижает энергетические характеристики. Азот в топливе приводит к образованию высокотоксичных оксидов. Азот может находится в виде NO, NO₂, N₂O и т.д. Но самый опасный NO и содержание его в выхлопных газах строго регламентируется. Повышенное содержание N в топливе ведет к сильному увеличению оксидов азота в выхлопных газах. Кислород и азот вместе называются балластом топлива. В жидких топливах содержание балласта 0.5- 1.5%, в твердых топливах гораздо больше.

Зола – смесь минеральных веществ, которая остается после сгорания горючей части топлива. Содержание золы обосновано дается на сухую массу.

Газообразное топливо – механическая смесь горючих и негорючих газов.

Горючая часть – СО, Н₂, СН₄, С_nН_m, H₂S; Негорючая часть – N, CO₂.