Стехиометрия горения

Рассмотрим горючую систему, состоящую из смеси горючего и окислителя в газообразном состоянии.

При химическом превращении происходит разрыв молекулярных связей, удерживающих атомы в одних молекулах, и образование новых связей в молекулах других, возникающих в ходе реакции веществ.

Число атомов при реакции не изменяется, происходит лишь их перегруппировка, которая связана с поглощением или выделением энергии. Сохранение атомного состава можно записать в виде равенства числа атомов для каждого химического элемента

(3.1)

где m_ik – число атомов k-го химического элемента в i-ой молекуле, N_i – число i-х молекул в горючей системе, B_k – полное число атомов данного химического элемента в смеси.

Количество уравнений вида (3.1) соответствует количеству химических элементов K, присутствующих в системе.

Равенство (3.1) выполняется при любом состоянии горючей системы, именно

а) до начала горения, когда энергия накоплена в химических связях;

б) при завершении горения, когда высвободившаяся энергия увеличивает температуру в системе до максимального значения;

в) в любой промежуточный момент реагирования.

Предположим, что в системе протекает только одна реакция. Если записать равенства (3.1) для начального и конечного состояния системы, то можно стехиометрическое уравнение реакции горения в общем виде

где A_i – химический символ i-го исходного вещества; F_j – химический символ j-го конечного вещества; n_Ai, n_Fj – стехиометрические коэффициенты; i₀ – количество исходных веществ; j₀ – количество конечных веществ.

Если исходные вещества взяты в таком соотношении, что химическое превращение полностью переводит их в продукты реакции, то горючая смесь называется стехиометрической. Если в исходной смеси одно из веществ содержится в количестве меньшем, чем требуется по стехиометрическому уравнению, то говорят, что оно находится в недостатке.

Для определения количества окислителя, расходуемого на горение, и вычисления количественного состава продуктов горения введём понятие горючей системы стехиометрического состава.

Горючей системой стехиометрического состава называется система с минимально необходимым для полного горения соотношением между количествами окислителя и горючего, которое приводит к образованию продуктов, неспособных к последующему горению. В стехиометрической системе не содержится в избытке ни горючее, ни окислитель. При избытке горючего горючая смесь в системе становится богатой, а при избытке окислителя – бедной.

Стехиометрическое уравнение горения, выражающее собой уравнение материального баланса, в простейшем случае имеет вид

,

где А₁ – химический символ горючего вещества; А₂ - химический символ окислителя; F – химический символ продуктов горения; n_A1, n_А2, n_F – стехиометрические коэффициенты уравнения реакции горения, представляющие собой количества реагирующих и образующихся веществ, измеренные в молях.

Величину, кмоль/кмоль,

называют удельным стехиометрическим коэффициентом реакции горения.

Для водородо-кислородной смеси стехиометрическое уравнение горения имеет вид:

где кмоль, кмоль, кмоль.

Из стехиометрических соотношений этого уравнения следует, что удельный стехиометрический коэффициент реакции горения метана, кмоль/кмоль,

.

Для горючей молекулы сложного состава

,

где m_С, m_S, m_H, m_P, m_O – соответственно число атомов углерода, серы, водорода, фосфора и кислорода в молекуле горючего вещества; m_Х – число атомов галогенов в молекуле горючего вещества.

Дата добавления: 2014-01-07