Главная » Химия |
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: αв = 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 αВ = 1,05): Количество азота, образующегося при сгорании 1м3 газа (при αВ = 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. αв Выход продуктов сгорания, куб.м Vсух Vг αв=1 1,11 0,00 8,13 0,00 2,30 9,23 11,49 αв=1,05 1,11 0,00 8,54 0,11 2,31 9,76 12,07 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 αВVO 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 Газ СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 Н2S Qн, МДж/м3 35,82 63,75 91,4 118 146 23,65 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 Газ СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 N2 CO2 H2S H2O Воздух Сv 1,177 1,837 2,675 3,883 4,76 0,923 1,232 1,135 1,124 0,926 Ср 1,55 2,212 3,05 4,31 5,133 1,294 1,601 1,508 1,494 1,297 Таблица 3.3. Средние объемные теплоемкости продуктов сгорания природного газа, кДж/м3К. Газ, теплоемкость Температура, °С 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 СО2 Ср 2,131 2,204 2,264 2,314 2,355 2,392 2,42 2,448 2,476 2,504 Сv 1,76 1,833 1,893 1,943 1,985 2,02 2,051 2,082 2,113 2,144 Н2О Ср 1,668 1,723 1,777 1,828 1,876 1,921 1,963 2,005 2,047 2,089 Сv 1,297 1,352 1,406 1,457 1,505 1,55 1,592 1,634 1,676 1,718 N2 Ср 1,372 1,397 1,42 1,441 1,459 1,475 1,489 1,503 1,517 1,531 Сv 1,001 1,018 1,049 1,07 1,088 1,104 1,118 1,132 1,146 1,16 О2 Ср 1,45 1,478 1,5 1,52 1,538 1,554 1,569 1,584 1,599 1,614 Сv 1,079 1,107 1,13 1,149 1,167 1,183 1,198 1,213 1,228 1,243 SO2 Ср 2,181 2,236 2,278 Сv 1,813 1,867 1,905 Определение адиабатной температуры горения газовой смеси при постоянном объеме: Таблица 3.4. Определеие ΣriCi при постоянном объеме. Газ СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 N2 CO2 H2S ΣriCi riCi 1,061 0,080 0,051 0,056 0,008 0,016 0,003 0,000 1,275 Таблица 3.5. Определение ΣVjCj при постоянном объеме. Газ, теплоемкость Температура, °С 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 СО2 VjCj 1,961 2,043 2,110 2,165 2,212 2,251 2,286 2,320 2,355 2,389 Н2О VjCj 2,990 3,117 3,242 3,359 3,470 3,574 3,670 3,767 3,864 3,961 N2 VjCj 8,547 8,692 8,957 9,136 9,290 9,427 9,546 9,666 9,785 9,905 О2 VjCj 0,116 0,119 0,122 0,124 0,126 0,128 0,129 0,131 0,132 0,134 SO2 VjCj 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 ΣVjCj 13,615 13,972 14,430 14,785 15,098 15,379 15,632 15,884 16,137 16,389 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 ΣriCi при постоянном давлении. Газ СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 N2 CO2 H2S ΣriCi riCi 1,398 0,097 0,058 0,062 0,008 0,022 0,004 0,000 1,649 Таблица 3.8. Определение ΣVjCj при постоянном давлении. Газ, теплоемкость Температура, °С 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 СО2 VjCj 2,375 2,456 2,523 2,579 2,624 2,666 2,697 2,73 2,759 2,79 Н2О VjCj 3,846 3,972 4,097 4,215 4,325 4,429 4,526 4,62 4,719 4,82 N2 VjCj 11,715 11,929 12,125 12,304 12,458 12,595 12,714 12,83 12,953 13,07 О2 VjCj 0,156 0,159 0,162 0,164 0,166 0,168 0,169 0,17 0,172 0,174 SO2 VjCj 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 ΣVjCj 18,092 18,517 18,907 19,262 19,574 19,857 20,106 20,355 20,604 20,854 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 ζад): Определим температуру в точке максимума тпловыделения θ*: 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 ζад): Определим температуру в точке максимума тпловыделения θ*: 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 λ0 можно использовать приближенную формулу Масона-Саксена: где: λm - коэффициент теплопроводности m-го компонента смеси; rm, rj - объемные доли m-го и j-го компонентов смиси. где: μrj, μrm - молекулярные массы j-го и m-го компонентов смес; ηj, ηm - коэффиценты динамической вязкости j-го и m-го компонентов смеси. Значения μ, η, и λ приводится в справочной литературе. Для определения λ0 была составлена программа на Microsoft Excel, фрагменты котрой приведены ниже. Таблица 6.1. Коэффициенты к таблице 6.3. G/m m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 G1 1,00000 0,65889 0,50312 0,41539 0,35634 0,20002 0,66170 0,94278 G2 1,49213 1,00000 0,76939 0,63806 0,54830 0,24206 1,05216 1,48672 G3 1,91563 1,29357 1,00000 0,83229 0,71666 0,26552 1,40290 1,97137 G4 2,27605 1,54381 1,19774 1,00000 0,86290 0,28071 1,70982 2,39221 G5 2,61815 1,77896 1,38297 1,15710 1,00000 0,29137 2,00225 2,79413 G6 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 G7 1,34435 0,94393 0,74859 0,63398 0,55365 0,26542 1,00000 1,36289 G8 1,02560 0,71417 0,56325 0,47494 0,41369 0,23748 0,72976 1,00000 Таблица 6.2. Коэффициенты к таблице 6.3. G/m m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 G1 1,00000 13,56451 24,00353 25,83148 200,81710 0,00000 248,60569 49,71398 G2 0,07248 1,00000 1,78303 1,92737 15,00981 0,00000 19,20187 3,80808 G3 0,04015 0,55819 1,00000 1,08484 8,46551 0,00000 11,04784 2,17888 G4 0,03660 0,51108 0,91890 1,00000 7,82001 0,00000 10,33017 2,02848 G5 0,00465 0,06498 0,11708 0,12768 1,00000 0,00000 1,33483 0,26144 G6 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 G7 0,00358 0,05172 0,09506 0,10493 0,83047 0,00000 1,00000 0,19128 G8 0,01945 0,27882 0,50960 0,56010 4,42134 0,00000 5,19952 1,00000 Σ 0,17691 15,02930 27,42721 29,63642 237,36424 0,00000 295,71992 58,18214 Таблица 6.3. Итоговые коэффициенты теплопроводности. № Газ μ, г/моль η·106, Па·с λ,Вт/(мк) r,% λ0 1 CH4 16,042 10,39 0,0307 90,17 0,02583 2 C2H6 30,07 8,6 0,019 4,38 0,00112 3 C3H8 44,09 7,5 0,0152 1,89 0,00050 4 C4H10 58,12 6,87 0,0133 1,45 0,00041 5 C5H12 72,15 6,36 0,0123 0,16 0,00005 6 H2S 34,08 0,00 0,00 0,00 0,00000 7 CO2 44,01 14,03 0,0147 0,24 0,00005 8 N2 28,016 16,68 0,0243 1,71 0,00039 λ0 = 0,02834 Так как коэффициент теплопроводности зависит от температуры, то определяем λ 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 α определяется по формуле: где: λv(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 φв и нижний φн 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 φф - коэффициент флегматизации и минимальное флегматизирующее содержание всех инертных компонентов, находящихся в газе; Δ - 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 Δ зависит от содержания кислорода в горючем газе и составляет: Таблица 7.1. Значение Δ. Δ, %……..2,1 - 3,6 3,7 - 4,5 4,3 - 5,3 4,8 - 5,8 О2, %………1 - 2 3,0 4,0 5,0 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= λ·ρ/Ср); τ - 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: ρсм - 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. Скачать архив (378.8 Kb) Схожие материалы: |
Всего комментариев: 0 | |