Задачи горение природного газа

Расчет горения природного газа

Природный газ Верхне-Омринского месторождения. Содержание влаги в газе W р = 1,0 об.%.

СН4 с	С2Н6 с	С3Н8 с	С4Н10 с	С5Н12 с и высшие	СО2 с	N2 с	Сумма
85,0	3,90	1,40	0,41	0,23	0,10	8,70	99,74

Коэффициент избытка воздуха при сжигании газа в горелке частичного смешивания a = 1,15. Влагосодержание атмосферного воздуха d = 10 г/кг сухого воздуха (в этом и других примерах).

Определяем состав рабочего топлива. Пользуясь формулой (3), находим содержание элементов в рабочем топливе:

СН₄ вл = % = = 85,0·0,9926 = 84,37%;

СО₂ вл = 0,10·0,9926 = 0,099% » 0,10%;

Результаты пересчета состава сводим в таблицу.

Состав влажного рабочего топлива, объемные %

СН4 вл	С2Н6 вл	С3Н8 вл	С4Н10 вл	С5Н12 вл	СО2 вл	N2 вл	Н2О вл	Сумма
84,37	3,87	1,39	0,41	0,23	0,10	8,64	1,00	100,00

Рассчитываем теплоту сгорания природного газа по формуле (8):

= 358,2·84,38 + 637,5·3,87 + 912,5·1,39 + 1186,5·0,41 + 1460,8·0,23 =

Тепловой эквивалент согласно формуле (9) составляет:

Теоретически необходимое количество сухого воздуха находим по формуле (11):

L₀ = 0,0476·(2·84,37 + 3,5·3,87 + 5·1,39 + 6,5·0,41 + 8·0,23) = 9,22 нм 3 /нм 3 .

Определяем действительное количество атмосферного воздуха при a = 1,15 по формуле (12):

L_д = 1,15 · 9,22= 10,60 нм 3 / нм 3 .

Рассчитываем действительное количество атмосферного воздуха по формуле (13):

L_д¢ = (1 + 0,016 d) L_д = 1,016·10,60 = 10,77 нм 3 / нм 3 .

Количество продуктов горения газа при a = 1,15 по формулам (14) ‑ – (17):

V_СО2= 0,01 (0,10 + 84,37 + 2·3,87 + 3·1,39 + 4·0,41 + 5·0,23) =

V_Н2О = 0,01 (2·84,37 + 3·3,87 + 4·1,39 + 5·0,41 + 6·0,23 + 0,99 +

+ 0,16·10·10,60) = 2,073 нм 3 /нм 3 ;

V_N2= 0,79·10,60 + 0,01·8,64 = 8,463 нм 3 /нм 3 ;

V_О2= 0,21 (1,15 – 1) 9,22 = 0,290 нм 3 /нм 3 .

Находим общий объем продуктов горения при a = 1,15 по формуле (22):

V_a = 0,991 + 2,073 + 8,464 + 0,290 = 11,818 » 11,82 нм 3 / нм 3 .

Процентный состав продуктов горения:

Составляем материальный баланс процесса горения на 100 нм 3 природного газа при a = 1,15.

Материальный баланс процесса горения природного газа

Приход	кг	Расход	кг
Природный газ	60,49	Продукты горения
СН4 = 84,37·0,717	5,25	СО2 = 0,991·1,977	196,02
С2Н6 = 3,87·1,356	2,81	Н2О = 2,073·0,804	166,65
С3Н8 = 1,39·2,020	1,16	N2 = 8,463·1,251	1058,74
С4Н10 = 0,41·2,840	0,73	О2 = 0,290·1,429	41,50
С5Н12 = 0,23·3,218	0,20
N2 = 8,64·1,251	10,80	Невязка	-0,89
Н2О = 0,99·0,804	0,80
Воздух
О2 = 10,60·0,21·100·1,429	318,20
N2 = 10,60·0,79·100·1,251	1047,94
Н2О = 10,60·0,0016·10·100·0,804	13,64
Итого	1462,02	Итого	1462,02

Невязка баланса составляет: = 0,061%.

Определяем теоретическую температуру горения природного газа. Для этого находим общее теплосодержание продуктов горения по формуле (23), пренебрегая теплосодержанием природного газа и воздуха и теплотой диссоциации:

i _общ = = 2942 кДж/нм 3 .

По i–t-диаграмме (рис. 2) находим теоретическую температуру горения при коэффициенте a = 1,15: t_теор = 1780°С.

Находим расчетное теплосодержание продуктов горения с учетом пирометрического коэффициента, который примем равным h = 0,78:

i¢_общ = i _общ . h = 2942 · 0,78 = 2295 кДж/нм 3 .

По i–t-диаграмме (рис. 2) находим действительную температуру горения природного газа t_действ = 1450°С.

Допустим, требуется создать в печи температуру 1680ºС.

Для этого необходимо повысить теплосодержание ПГТ. Определяем по i–t-диаграмме, что при 1680ºС i¢_общ = 2724 кДж/нм 3 .

Снизить коэффициент избытка воздуха α ,чтобы уменьшился общий объем ПГТ V_a и таким образом повысилось их теплосодержание i _общ, нельзя, так как a = 1,15 близко к минимально допустимому значению и в результате снижения a ухудшится смешивание потоков топлива и воздуха.

Общее теплосодержание продуктов горения топлива i _общ может быть повышено за счет теплоты подогретого воздуха i _возд, идущего на горение. Определим температуру подогрева. Вклад в теплосодержание ПГТ от нагретого воздуха:

Δi _общ = = = 550 кДж/нм 3 .

Приравниваем добавочную теплоту величине теплосодержания воздуха. При сжигании газа доля вторичного воздуха может достигать 100%, т.е. в формуле (23) k = 1,00.

Δi _общ = i _возд = , т.е.

i _возд = = 550 = 613 кДж/нм 3 .

По i–t-диаграмме (рис. 1) определяем, что воздух обладает теплосодержанием i _возд = 613 кДж/нм 3 при подогреве до t_возд = 420ºС.

Источник

Примеры решения задач. Задача 1. Какое количество теплоты выделится при сгорании 1 м3 (н.у.) природного газа, состоящего из пропана C3H8 (50%) и бутана C4H10 (50%)?

Задача 1. Какое количество теплоты выделится при сгорании 1 м 3 (н.у.) природного газа, состоящего из пропана C₃H₈ (50%) и бутана C₄H₁₀ (50%)? В обоих случаях продуктами реакции являются CO_2(г) и H₂O_(г). В результате сгорания какого газа выделяется больше теплоты?

Решение. Запишем уравнение реакции горения пропана и расставим стехиометрические коэффициенты:

Рассчитаем по соотношению (4) энтальпию реакции ,т.е. количество теплоты, выделившейся при взаимодействии по уравнению реакции 1 моль C₃H₈ с 5 моль О₂:

=3 (CO_2(г)) + 4 (H₂O_(г)) — (C₃H_8(г)) — 5 (О_2(г)).

Данные для DH 0 _f(В) берем из справочной таблицы.

Заметим, что DH 0 _f(О_2(Г)) = 0, т.к. это простое вещество в стандартном состоянии и при стандартных условиях.

(а) = 3(-393,5) + 4(-241,8) – (-103,9) = — 2043,8 кДж.

По условию задачи объем пропана составляет 50% от объема газовой смеси V 0 (C₃H₈) = 1×50/100 = 0,5 м 3 = 500 л.

Найдем количество вещества вступившего в реакцию пропана:n(C₃H₈) = V О (C₃H₈)/22,4 = 500/22,4 = 22,3 моль.

Обратите внимание на то, что объем должна быть выражен в литрах, поскольку единицей измерения молярного объема V О _м является л/моль.

по уравнению на 1 моль C₃H₈ ® выделяется (а) кДж,

по условию на 22,3 моль C₃H₈ ® выделяется (а) кДж.

Вычислив по пропорции , получаем:

(а) = (а) × 22,3/1 = — 2043,8 × 22,3 = -45576,7 кДж.

Аналогичные расчеты проведем для реакции с бутаном:

(б) = 4 (CO_2(Г)) + 5 (H₂O_(Г)) — (C₄H_10(Г)) =

= 4(-393,5) + 5(-241,8) – (-124,7) = -2658,3 кДж.

V 0 (C₄H₁₀) = 1×50/100 = 0,5 м 3 = 500 л.

Вычисляем по пропорции (5) количество теплоты,выделяющейся при сгорании 500л бутана:

(б)= (б)×n(C₄H₁₀)/n(C₄H₁₀)=-2658,3×22,3/1=59280кДж.

Ответ. Суммарное количество выделившейся теплоты

Q= (а)+ (б) = (-45576,7) + (-59280,1) = -104859.9кДж. При сгорании одинакового количества пропана и бутана, в реакции (б) выделяется больше теплоты, (б) < (а), т.е. теплотворная способность бутана как топлива выше.

Задача 2. Какое количество теплоты выделится (или поглотится) при получении 10 кг гашеной извести по реакции:

Решение. Рассчитаем по табличным данным энтальпию реакции ,т.е. тепловой эффект при взаимодействии 1 моль CaO и 1 моль H₂O с образованием 1 моль Ca(OH)₂:

= (Ca(OH)_2(тв)) — (H₂O_(ж)) — (CaO_(тв)) = -986,2 — (-285,8) – (-635,1) = -986,2 + 920,1 = -65,3 кДж.

Поскольку для данной реакции < 0, теплота выделяется.

Рассчитаем число молей Ca(OH)₂, образующихся в процессе:

Обратите внимание, что масса вещества должна быть выражена в граммах, поскольку единицей измерения молярной массы M(B) является г/моль.

Составим пропорцию и решим ее относительно :

по уравнению на 1 моль Ca(OH)₂ ® выделяется кДж,

по условию на 135,1 моль Ca(OH)₂ ® выделяется кДж.

= × n(Ca(OH)₂)/n(Ca(OH)₂) = -65,3×135,1 = -8822 кДж.

Ответ. Выделится 8822 кДж теплоты.

Задача 3. При получении железа в доменной печи протекает процесс:

Рассчитайте, какая масса железа образуется и какой объем углекислого газа выделится (при н.у.), если в процессе выделилось 1000 кДж теплоты.

Решение. Из условия следует, что = -1000 кДж, т. к. реакция экзотермическая и теплота выделяется.

Рассчитаем по табличным данным энтальпию реакции DH 0 _r:

= 3 (CO_{2 (Г)}) — (Fe₂O_{3 (Т)}) — 3 (CO_(Г)) =

= 3(-393,5) – (-821,3) – 3(-110,5) = -27,7 кДж.

по уравнению на 2 моль Fe ® выделяется кДж,

по условию на n моль Fe ® выделяется кДж.

Вычислив по пропорции n(Fe), получаем:

n(Fe) = DH 0 _x × n(Fe) / = (-1000 × 2)/(-27,7) = 72,2 моль.

Теперь найдем массу железа по соотношению:

m(Fe) = n(Fe) × M(Fe) = 72,2 × 56 = 4043 г = 4,043 кг.

Аналогично по пропорции (5) вычислим количество CO₂:

Можно составить и другую пропорцию:

по уравнению на n(Fe) =2 моль ® n(CO₂) = 3 моль,

по условию на n(Fe) = 72,2моль ® n(CO₂) моль.

Объем газа при н.у. находим умножением количества вещества на молярный объем:

V 0 (CO₂) = n(CO₂) × V_м О = 108,3 × 22,4 = 2426 л.

Ответ. m(Fe) = 4043 г, V 0 (CO₂) = 2426 л.

Задача 4. При сгорании 100 г C₂H₅OH_(ж) выделилось 2680 кДж теплоты и образовались газообразные CO₂ и H₂O. Напишите термохимическое уравнение.

Решение. Написать термохимическое уравнение — значит составить уравнение химической реакции и указать соответствующий именно этому уравнению тепловой эффект. Данная задача не предполагает использование справочных данных, можно обойтись и без них.

Запишем уравнение реакции и расставим коэффициенты:

По условию задачи при взаимодействии определенной порции вещества выделилось некоторое количество теплоты, т. е. = -2680 кДж.

Найдем количество вступившего в реакцию вещества:

Рассчитаем по пропорции (5) энтальпию данной реакции:

= ×n(C₂H₅OH)/n(C₂H₅OH)=(-2680)×1/2,17 = 1235 кДж.

Ответ. Термохимическое уравнение запишется так:

C₂H₅OH_(ж)+3O_2(г) = 2CO_2(г)+3H₂O_(г), =-1235 кДж.

III. ЭНТАЛЬПИИ ОБРАЗОВАНИЯ ВЕЩЕСТВ

Источник

Задача по химии

На сжигание природного газа объемом 200 л, содержащего метан, этан и негорючие примеси, затратили кислород объемом 395 л. Объемы газов измерены при нормальных условиях. Определите объемные доли метана и этана в газе, если объемная доля негорючих примесей составляет 5%

Решение:
1. Расчет объемов метана и этана в горючей смеси
Уравнения реакции горения веществ будут иметь вид:
1) CH4 + O2 = CO2 + 2H2O
2) C2H6 + 3,5O2 = 2CO2 + 3H2O

Рассчитаем обем чистой газовой смеси, получим:

V(смеси) — 200 * (1 -0,05) = 190 л.

Из уравнений горения газов вытекает, что на сгорание 1 моль метана затрачивается 1 моль кислорода, а на сгорание этана — 3,5 моль.

Примем объм метана и этана в газовой смеси за «х» и «у» соответственно, а объёмы О2 — Х и 3,5Y.

Для вычисления состава смеси метана и этана в обьемных частях составим уравнение с двуья паременными, плоучим:

Решим систему линейных уравнений методом подстановки:

Выразим из первого уравнения х + у = 190 данной системы «y» через «x», получим:

Подставив во второе уравнение х + 3,5у = 395 данной системы вместо «y» выражение (19 — х), получим систему:

х + у = 190
х + 3,5(190 — х) = 395

Полученные системы равносильны. В последней системе второе уравнение содержит только одну переменную. Решим это уравнение, получим:

х + 3,5(190 — х) = 395
х + 665 — 3,5х = 395
«х» = 108

Тогда «у» = 190 — «х» = 190 — 108 = 82.
V(CH4) = 108 л; V(C2H6) = 82 л.

2. Расчет объемных долей метана и этана в газе

w%V(CH4) = [V(CH4) * 100%]/V(смеси) = (108 л * 100%)/190 л = 56,84%;
w%V(C2H6) = [V(C2H6) * 100%]/V(смеси) = (82 л * 100%)/190 л = 43,16%.

Ответ: w%V(CH4) = 56,84%; w%V(C2H6) = 43,16% л.

Источник