Физико-химические основы горения

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное Образовательное Учреждение

Высшего Профессионального Образования

Ижевский Государственный Технический Университет

Кафедра "ТГУиГ"

Курсовая работа

"Физико-химические основы горения"

г

Содержание

. Исходные данные

2. Определение состава продуктов полного сгорания газа

3. Определение адиабатной температуры горения газовой смеси при постоянном объеме и при постоянном давлении

4. Определение кинетических констант реакции самовоспламенения природного газа при постоянном давлении и постоянном объеме

5. Определение параметров самовоспламенения природного газа в адиабатных условиях

.1 Определение параметров самовоспламенения природного газа в адиабатных условиях при постоянном объме

.2 Определение параметров самовоспламенения природного газа в адиабатных условиях при постоянном давлении

. Определение параметров самовоспламенения природного газа в неадиабатных условиях

6.1 Расчет фиктивного коэффициента теплоотдачи газовой смеси

.2 Расчет эффективного коэффициента теплопроводности газовой смеси

7. Расчет пределов воспламенения газовой смеси с учетом кинетики реакции горения

. Расчет нормальной скорости горения газовой смеси

Заключение

Список литературы

сгорание газ адиабатный самовоспламенение

1. Исходные данные

Состав сухого по объему природного газа в % объемной доли:

CH4 = 90,17%

C2H6 = 4,38%

C3H8 = 1,89%

C4H10 = 1,45%5H12 = 0,16%2S = 0,00%

CO2 = 0,24%

N2 = 1,71%

Влагосодержание топлива: dт=0,01 кг/м3;

Влагосодержание воздуха dв = 0,015 кг/м3;

Коэффициент избытка воздуха: ?в = 1,05;

Температура смеси Т0=300 К;

Давление смеси р0 = 101,3 кПа;

Высота топки H=4000 мм;

Диаметр топки D=3000 мм;

2. Определение состава продуктов полного сгорания топлива

Теоретическое количество кислорода, необходимое для сгорания 1 м3 газа, м3/ м3:

где: H2S - процентное содержание соответствующего газа 1м3 в газовой смеси;

СпНт - процентное соотношение i-го углеводорода;

m, n - количество, соответственно, атомов углерода и водорода химической формуле углеводорода.

= 0,01*[((1+0,25*4)*90,17+(2+0,25*6)*4,38+

(3+0,25*8)*1,89+(4+0,25*10)*1,45+(5+0,25*12)*0,16)+1,5*0,00]=2,158 м3/ м3

Количество воздуха, теоритически необходимое для полного сгорания 1 м3 газа, м3/ м3:

Количество двуокиси углерода, образующейся при полном сгорании 1 м3 газа, м3/ м3:

=0,01*[(1)*90,17+(2)*4,38+

(3)*1,89+(4)*1,45+(5)*0,16+0,24]=1.11 м3/ м3

где: С02, - процентное содержание соответствующего газа 1м3 в газовой смеси.

Количество сернистого газа, образующемся при сгорании 1 м3 газа, м3/ м3:

Количество водяных паров, образующихся при сгорании 1м3 газа:

=0,01*(0,5*(4*90,17+6*4,38+8*1,89+10*1,45+12*0,16)+1,24*(0,01+1*10,27*0,15))=2.305

где: dВ, dТ - влагосодержание топлива и воздуха соответственно (кг/м3).

Количество кислорода, входящего в состав продуктов сгорания газа (при ?В = 1,05):

Количество азота, образующегося при сгорании 1м3 газа (при ?В = 1,05):

где: N2Т - процентное содержание азота в газовой смеси.

Полный объем продуктов сгорания, м3/ м3:

VГ =9,25 + 2,30 = 12,07 м3/ м3:

Определение объема сухих продуктов сгорания, образующихся при сгорании 1 м3 газа, м3/ м3:

VСУХ = 1,11 + 0,00 + 8,54 + 0,107 = 9,76 м3/ м3

Результаты определения состава продуктов сгорания 1 м3 природного газа сводятся в таблицу 1.

Таблица 2.1. состава продуктов сгорания 1 м3 природного газа.

?вВыход продуктов сгорания, куб.мVсухVг?в=11,110,008,130,002,309,2311,49?в=1,051,110,008,540,112,319,7612,07

Для проверки результатов вычислений выполняется расчет состава продуктов полного сгорания природных газов. Результаты расчета сводятся в таблицу 2.

Таблица 2.2. Состава продуктов полного сгорания природных газов.

3. Определение адиабатной температуры горения газовой смеси при постоянном объеме и при постоянном давлении

Расчет адиабатной температуры горения Та производится по известному составу продуктов сгорания газовой смеси, ºС:

где: Qн - низшая теплота сгорания 1 м3 природного газа, определяема как теплота сгорания при 0,101325 МПа и 0ºС без учета теплоты конденсации водяных паров, МДж/м3 (см. таблицу 3.1);

ТТ, ТВ - начальное значение температур соответственно газообразного топлива и воздуха, из начального условия известно, что при подачи газ и воздух смешиваются до температуры 300 К (значения ТВ и ТТ в формулу необходимо подставить в ºС, при этом ТВ = ТТ = 300-273=27 ºС);

ri, СVi - соответственно объемная доля и средняя в диапазоне 0…ТТ изохорная объемная теплоемкость i-го компонента природного газа, включая балласт;

rj, СVj - соответственно количество и средняя в диапазоне 0… Та изохорная объемная теплоемкость j-го компонента продуктов сгорания газовоздушной смеси;

СVВ - средняя изохорная объемная теплоемкость воздуха в диапозоне температур 0…ТВ.

Внутренняя энергия продуктов сгорания 1 м3 топлива с участием ?ВVO м3 воздуха определяется по формуле:

где: QНi - низшая теплота сгорания i-го компонента (простого газа), входящего в состав топлива. В таблице приведены значения QНi для горючих компонентов природного газа.

Таблица 3.1. Значения QНi для горючих компонентов природного газа

ГазСН4С2Н6С3Н8С4Н10С5Н12Н2SQн, МДж/м335,8263,7591,411814623,65

Значение ТА, необходимое для вычисления Сpj, заранее неизвестно, поэтом ТА определяют методом последовательных приближений. Температуру находим графо-аналитическим методом. Для этого задаемся рядом значений температуры ТАv(p), близким к предполагаемым. По таблице средних объемных теплоемкостей газов для каждой ТАv(p) определяются Сp(v)j далее по формуле (2.1) подсчитываются соответствующие значения ТА. Строится график зависемости ТА = ТА(ТАv(p)). Истинное значение ТА находим как точку пересечения полученной кривой с прямой ТА = ТАv(p).

Для определения адиабатных температур была составлена программа на Microsoft Excel, фрагменты которой приведены ниже.

Таблица 3.2. Средние в диапозоне от -30 до +50°С значения объемной теплоемкости и показателя адиабаты простых газов

ГазСН4С2Н6С3Н8С4Н10С5Н12N2CO2H2SH2OВоздухСv1,1771,8372,6753,8834,760,9231,2321,1351,1240,926Ср1,552,2123,054,315,1331,2941,6011,5081,4941,297

Таблица 3.3. Средние объемные теплоемкости продуктов сгорания природного газа, кДж/м3К.

Газ, теплоемкостьТемпература, °С800100012001400160018002000220024002600СО2Ср2,1312,2042,2642,3142,3552,3922,422,4482,4762,504Сv1,761,8331,8931,9431,9852,022,0512,0822,1132,144Н2ОСр1,6681,7231,7771,8281,8761,9211,9632,0052,0472,089Сv1,2971,3521,4061,4571,5051,551,5921,6341,6761,718N2Ср1,3721,3971,421,4411,4591,4751,4891,5031,5171,531Сv1,0011,0181,0491,071,0881,1041,1181,1321,1461,16О2Ср1,451,4781,51,521,5381,5541,5691,5841,5991,614Сv1,0791,1071,131,1491,1671,1831,1981,2131,2281,243SO2Ср2,1812,2362,278 Сv1,8131,8671,905

Определение адиабатной температуры горения газовой смеси при постоянном объеме:

Таблица 3.4. Определеие ?riCi при постоянном объеме.

ГазСН4С2Н6С3Н8С4Н10С5Н12N2CO2H2S?riCiriCi1,0610,0800,0510,0560,0080,0160,0030,0001,275

Таблица 3.5. Определение ?VjCj при постоянном объеме.

Газ, теплоемкостьТемпература, °С800100012001400160018002000220024002600СО2VjCj 1,9612,0432,1102,1652,2122,2512,2862,3202,3552,389Н2ОVjCj 2,9903,1173,2423,3593,4703,5743,6703,7673,8643,961N2VjCj 8,5478,6928,9579,1369,2909,4279,5469,6669,7859,905О2VjCj 0,1160,1190,1220,1240,1260,1280,1290,1310,1320,134SO2VjCj 0,0000,0000,0000,0000,0000,0000,0000,0000,0000,000?VjCj13,61513,97214,43014,78515,09815,37915,63215,88416,13716,389

Таблица 3.6. Расчет адиабатной температуры горения Та при постоянном объеме, °С.

График 1. Определение адиабатной температуры горения газовой смеси при постоянном объеме.

Адиабатная температура горения газовой смеси при постоянном объеме ТА(v) = 24180С = 2691 К.

Определение адиабатной температуры горения газовой смеси при постоянном давлении:

Таблица 3.7. Определеие ?riCi при постоянном давлении.

ГазСН4С2Н6С3Н8С4Н10С5Н12N2CO2H2S?riCiriCi1,3980,0970,0580,0620,0080,0220,0040,0001,649

Таблица 3.8. Определение ?VjCj при постоянном давлении.

Газ, теплоемкостьТемпература, °С800100012001400160018002000220024002600СО2VjCj 2,3752,4562,5232,5792,6242,6662,6972,732,7592,79Н2ОVjCj 3,8463,9724,0974,2154,3254,4294,5264,624,7194,82N2VjCj 11,71511,92912,12512,30412,45812,59512,71412,8312,95313,07О2VjCj 0,1560,1590,1620,1640,1660,1680,1690,170,1720,174SO2VjCj 0,0000,0000,0000,0000,0000,0000,0000,0000,0000,000?VjCj18,09218,51718,90719,26219,57419,85720,10620,35520,60420,854

Таблица 3.9. Расчет адиабатной температуры горения Та при постоянном давлениие, °С.

График 2. Определение адиабатной температуры горения газовой смеси при постоянном давлении.

ТА(v) = 1950 ºС = 2223,00 К.

4. Определение кинетических констант. Реакции воспламенения природного газа при постоянном давлении и постоянном объеме

Для определения значения предэкспонента К0 для изохорного и изобарного процесса используется следующая формула формула:

где: R - универсальная газовая постоянная, кДж/мольК;

То - начальная температура смеси, К;

Е - эффективная энергия активации реакции метана в смеси с воздухом перед воспламенением, принимается равной 124024 кДж/моль;

ТА - адиабатная температура горения газовой смеси при постоянном объеме или постоянном давлении, К.

Получаем:

при постоянном объеме:

- при постоянном давлении:

5. Расчет параметров самовоспламенения природного газа в адиабатных условиях

Данный расчет выполняется в безразмерных величинах с последующим переводом результатов в размерный вид. Используемые безразмерные величины: Безразмерная температура:

;

·Безразмерная концентрация:

;

·Критерий Аррениуса (мера реакционной способности смеси):

;

·Безразмерное время:

.

.1 Определение основных параметров адиабатного воспламенения и горения газовой смеси при постоянном объеме

Определим безразмерную температуру:

Определим критерий Аррениуса:

;

Определим безразмерное время индукции адиабатного теплового воспламенения:

Определим температуру воспламенения (в ммент ?ад):

Определим температуру в точке максимума тпловыделения ?*:

Переводим безразмерные температуры в размерный вид:

5.2 Определение основных параметров адиабатного воспламенения и горения газовой смеси при постоянном давлении

Определим безразмерную температуру:

Определим критерий Аррениуса:

;

Определим безразмерное время индукции адиабатного теплового воспламенения:

Определим температуру воспламенения (в ммент ?ад):

Определим температуру в точке максимума тпловыделения ?*:

Переводим безразмерные температуры в размерный вид:

6. Расчет параметров самовоспламенения природного газа в неадиабатных условиях

6.1 Определение фиктивного коэффициента теплопроводности газовой смеси

Зависемость коэффициента теплопроводности от температуры смеси выражается формулой Сазерленда, однако при при достижении достаточно высоких температур, условно можно принять:

Для определения ?0 можно использовать приближенную формулу Масона-Саксена:

где: ?m - коэффициент теплопроводности m-го компонента смеси;

rm, rj - объемные доли m-го и j-го компонентов смиси.

где: ?rj, ?rm - молекулярные массы j-го и m-го компонентов смес;

?j, ?m - коэффиценты динамической вязкости j-го и m-го компонентов смеси.

Значения ?, ?, и ? приводится в справочной литературе.

Для определения ?0 была составлена программа на Microsoft Excel, фрагменты котрой приведены ниже.

Таблица 6.1. Коэффициенты к таблице 6.3.

G/mm1m2m3m4m5m6m7m8G11,000000,658890,503120,415390,356340,200020,661700,94278G21,492131,000000,769390,638060,548300,242061,052161,48672G31,915631,293571,000000,832290,716660,265521,402901,97137G42,276051,543811,197741,000000,862900,280711,709822,39221G52,618151,778961,382971,157101,000000,291372,002252,79413G60,000000,000000,000000,000000,000000,000000,000000,00000G71,344350,943930,748590,633980,553650,265421,000001,36289G81,025600,714170,563250,474940,413690,237480,729761,00000

Таблица 6.2. Коэффициенты к таблице 6.3.

G/mm1m2m3m4m5m6m7m8G11,0000013,5645124,0035325,83148200,817100,00000248,6056949,71398G20,072481,000001,783031,9273715,009810,0000019,201873,80808G30,040150,558191,000001,084848,465510,0000011,047842,17888G40,036600,511080,918901,000007,820010,0000010,330172,02848G50,004650,064980,117080,127681,000000,000001,334830,26144G60,000000,000000,000000,000000,000000,000000,000000,00000G70,003580,051720,095060,104930,830470,000001,000000,19128G80,019450,278820,509600,560104,421340,000005,199521,00000?0,1769115,0293027,4272129,63642237,364240,00000295,7199258,18214

Таблица 6.3. Итоговые коэффициенты теплопроводности.

№Газ?, г/моль?·106, Па·с?,Вт/(мк)r,% ?01CH416,04210,390,030790,170,025832C2H630,078,60,0194,380,001123C3H844,097,50,01521,890,000504C4H1058,126,870,01331,450,000415C5H1272,156,360,01230,160,000056H2S34,080,000,000,000,000007CO244,0114,030,01470,240,000058N228,01616,680,02431,710,00039 ?0 = 0,02834

Так как коэффициент теплопроводности зависит от температуры, то определяем ? для процессов с постоянным объемом и постоянном давлении по формуле:

Таким образом, получаем:

при постоянном объеме:

- при постоянном давлении:

.2 Определение фиктивного коэффициента теплоотдачи

Фиктивный коэффициент теплоотдачи ? определяется по формуле:

где: ?v(p) - коэффициент теплопроводности газовой смеси при постоянном объеме (постоянном давлении);

R0 - радиус сосуда в котором находится данная смесь.

Таким образом, получаем:

при постоянном объеме:

- при постоянном давлении:

7. Расчет пределов воспламенения газовой смеси с учетом кинетики реакции горения

Верхний ?в и нижний ?н концентрационные пределы распространения пламени - это максимальное и минимальное содержание горючего в смеси "горючее-окислитель", при котором возможно распространение пламени в смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Для выполнения расчёта необходимо знать состав газообразного топлива в процентном соотношении и начальную температуру горючей смеси.

Пределы распространения пламени определяются следующими соотношениями:

Значения коэффициентов А и В находят по выражениям:

;

,

где: Н2, СО, Спр, Снепр, N2, СО2, Н2О и О2 - объёмные доли газов, предельных и непредельных углеводородов в смеси, %;

Сгор - сумма горючих компонентов, %;

, , , , , ,, - соответственно, нижний и верхний пределы распространения пламени газов;

Кф и ?ф - коэффициент флегматизации и минимальное флегматизирующее содержание всех инертных компонентов, находящихся в газе;

? - поправка, учитывающая содержание кислорода в газе, %.

Коэффициент флегматизации и минимальное флегматизирующее содержание всех инертных компонентов рассчитывают по формулам:

где: , , - коэффициенты флегматизации;

, , - минимальное флегматизирующее содержание индивидуальных инертных компонентов, % (объёмный).

Коэффициенты флегматизации минимальное содержание индивидуальных инертных компонентов определяются по выражениям:

где: - стандартная теплота образования горючей части газа, при 25?С, кДж/моль;

, и - число атомов углерода, водорода и кислорода в условной формуле горючей части газа.

При определении , , и необходимо пользоваться выражениями:

где: и - теплота образования предельных и непредельных углеводородов;

, , , - число атомов углерода и водорода;

Сгор - сумма горючих компонентов.

Значение ? зависит от содержания кислорода в горючем газе и составляет:

Таблица 7.1. Значение ?.

?, %……..2,1 - 3,63,7 - 4,54,3 - 5,34,8 - 5,8О2, %………1 - 23,04,05,0

Если температура газовоздушной среды отлична от 25?С, то нижний и верхний пределы распространения пламени рассчитывают по формулам:

Таким образом получаем:

Определим число атомов углерода:

Определим стандартную теплоту образования горючей части газа:

Определим коэффициенты флегматизации:

Определим флегматизирующее содержание всех инертных компонентов , находящихся в газе:

Определим коэффициент флегматитизации:

Определим значения коэффициентов А и В:

Определим пределы распратранения пламени:

Определим пределы распространения пламени, когда температура газовоздушной среды отлична от 25?С:

8. Расчет нормальной скорости горения газовой смеси

Интенсивность процесса распространения пламени в неподвижных или ламинарно движущихся горючих смесях характеризуется двумя параметрами:

Нормальная скорость распространения пламени (uп) - линейная скорость перемещения элементов фронта пламени относительно свежей смеси в направлении нормали к ним:

где: А - безразмерный коэффициент, который зависит от начальной температуры смеси, температуры горения и кинетики реакции горения;

асм - температуропроводность смеси (асм= ???/Ср);

? - время химической реакции во фронте пламени.

Расчёт нормальной скорости по соотношению (1) затруднён, поэтому значения иР определяют экспериментально.

Массовая скорость горения (um) - количество горючей смеси, сгорающее в единицу времени на единице поверхности фронта пламени:

где: ?см - плотность горючей смеси.

Критический диаметр трубок (dкр) - минимальный внутренний диаметр трубки, ниже которого распространение в них пламени становится невозможным.

Значения нормальной скорости горения и остальных параметров процесса зависят от состава горючей смеси, соотношения горючее-окислитель, начальной температуры смеси и давления следующим образом:

Максимальное значение ип лежит в области богатых смесей. Её конкретное значение зависит от вида горючего вещества и уменьшается в сторону возрастания и убывания коэффициента избытка окислителя.

При возрастании начальной температуры смеси ип растёт в зависимости от состава смеси согласно соотношению:

ип ~ То см1,2-2,2

Для углеродовоздушных смесей рекомендуется следующая пропорция [Щетинков Е.С. Физика горения газов. М: Наука, 1965]:

ип ~ То см1,8

Повышение давления снижает ип медленно горящих смесей (ип< 0,5 м/с при атмосферном давлении) и повышает ип быстро горящих смесей (ип> 1,2 м/с при атмосферном давлении). Рекомендуемые соотношения между нормальной скоростью и давлением следующие:

газокислородные смеси: иm~р.

смеси СО с окислителем: un~1/p0.25 ÷ 0.3.

смеси предельных углеводородов с воздухом: иm~р0.7 ÷ 0.75.

Для газообразных горючих смесей, состоящих из родственных компонентов, нормальная скорость подчиняется закону аддитивности. Её максимальное значение для конкретной горючей смеси определяется формулой:

где: - максимальные скорости нормального горения для газовоздушных смесей каждого из компонентов горючего;

Zi - объёмные процентные содержания в сложной газовоздушной смеси простых (двойных) смесей с составом, соответствующим для каждой смеси, %.

где: ri - объёмное содержание горючих газов в сложном не забалластированном газе. Эта величина задаётся в исходных данных. Если состав горючего задан с балластом, то объёмные концентрации необходимо пересчитать, приняв, что горючие компоненты составляют в сумме 100%;

- объёмные процентные содержания горючих компонентов в простых (двойных) газовоздушных смесях, соответствующие , %;

Lmax - объёмное процентное содержание сложного газа в газовоздушной смеси, %.

Если в газе содержится более 5% балласта, то вводится поправка на балласт:

где: N2 , CO2 - процентные содержания азота и диоксида углерода в горючем газе, %.

Если в состав горючего газа входят в значительном количестве СО и Н2, то расчёты дают приближённые результаты. В этих случаях ип определяют опытным путём.

Таким образом получаем:

Определим объёмное процентное содержание сложного газа в газовоздушной смеси, %:

Определим объёмные процентные содержания в сложной газовоздушной смеси простых (двойных) смесей с составом, соответствующим для каждой смеси, %:

Определяем нормальную скорость:

Так как в газе балласта не более 5%, то поправка не считается.

Заключение

При выполнении мной работы на тему : "Воспламенение природного газа", были определены: состав продуктов полного сгорания топлива, , основные параметры адиабатного воспламенения и горения газовой смеси; адиабатная температура горения газовой смеси при постоянном объеме и давлении.

Рассчитаны: коэффициент теплопроводности и эффективность коэффициента теплоотдачи для многокомпонентной газовой смеси, значения кинетических констант, нормальная скорость горения газообразной горючей смеси, пределы распространения пламени горючей смеси с учетом химической кинетики реакции горения.

Список литературы

. В.Н.Диденко. Расчет состава и температуры продуктов полного сгорания природного газа. - Ижевск: ИжГТУ, 1996г.

. В.Н.Диденко. Расчет параметров самовоспламенения природного газа. - Ижевск: ИжГТУ, 1996г.

. В.Н.Диденко. Воспламенение природных газов. Основные положения теории. - Ижевск: ИжГТУ, 1996г.

. Варфоломеева О.И. Расчет пределов распространения пламени и нормальной скорости горения природного газа. - Ижевск: ИжГТУ, 2004г.