Газоснабжение. Горение газов: Учебное пособие (Разделы 1-9. Газообразное топливо. Расчеты эффективности использования топлива), страница 3

2.1. Стехиометрические уравнения

Горением называется быстро протекающая химическая реакция взаимодействия горючих компонентов топлива с кислородом, которой сопутствует интенсивное выделение теплоты, вызывающее резкий рост температуры. В отличие от обычных химических реакций с высоким экзотермическим эффектом при горении наблюдается пламя, представляющее собой зону реакций, происходящих в газообразной фазе.

Теоретический итог реакций горения описывается при помощи так называемых стехиометрический уравнений. Эти уравнения качественно и количественно характеризуют вещества, вступающие в реакцию, и продукты, образующиеся в результате нее. В случае реакций горения их результат дополняется тепловым эффектом, то есть количеством теплоты, выделяющимся во время реакции. Рассмотрим примеры стехиометрических уравнений реакций горения водорода, оксида углерода и метана (без учета теплоты конденсации образующегося водяного пара):

 кДж,                             (2.1)

 кДж,                             (2.2)

 кДж.                      (2.3)

Реакция горения любого углеводорода может быть выражена универсальным уравнением

,                    (2.4)

где m — количество атомов углерода в молекуле углеводорода; n — количество атомов водорода в молекуле углеводорода; Q — тепловой эффект реакции (теплота сгорания).

Для распространенных компонентов горючих газов стехиометрические уравнения и тепловой эффект их реакции с кислородом приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Стехиометрические уравнения и тепловой эффект реакций горения сухих газов

в кислороде

Необходимо подчеркнуть, что стехиометрические уравнения представляют только конечный результат горения и его суммарный тепловой эффект, однако по этим уравнениям нельзя судить ни о скорости протекания реакции, ни о механизме химических превращений.

2.2. Кинетика реакции горения

Скорость химической реакции W, моль/(м³с), можно определить как изменение концентрации компонентов за единицу времени в единице объема. Для необратимых реакций, происходящих при сжигании горючих газов, скорость их протекания можно описать следующей зависимостью:

,                                          (2.5)

где k — константа скорости химической реакции; C₁, C₂ — концентрация реагирующих компонентов, моль/м³ (знак «–» в дифференциальной форме указывает на уменьшение концентрации исходных реагентов с течением времени).

При организованном сжигании топлива в технических устройствах концентрации реагирующих веществ можно условно считать постоянными, поскольку в зону горения происходит непрерывный приток топлива и окислителя. В этих условиях значение константы скорости реакции определяется экспоненциальным уравнением Аррениуса:

,                                                 (2.6)

где k_o — предэкспоненциальный множитель, который характеризует данную реакцию и в первом приближении принимается постоянным; E — энергия активации, Дж/моль; R — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль×K); T — абсолютная температура в реакционной зоне, K.