Возможность использования вещества в качестве альтернативного топлива 

 

 

Как правильно рассчитать теплотворную способность топлива (топливно-воздушной смеси)

 

 

Сравнительные характеристики (Q_Н, L^о_возд., q_Н)_{бензина}: 
1. Низшая теплотворная способность Q_Н = 43,3 – 44,0 МДж/кг;
2. Стехиометрическая потребность воздуха в процессе сгорания L^о_возд. = 14,9;
3. Низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси q_Н = 3439 – 3910 кДж/м³.

Теплота сгорания топлива – это тепловой эффект химической реакции сгорания топлива в воздухе. При составлении уравнения этой реакции необходимо учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. Так как на 1 моль кислорода в воздухе приходится 3,75 моля азота, реакция сгорания топлива может быть выражена следующим уравнением:

C_nH_mO_r + (n + m/4 - r/2)•(O₂ + 3,75N₂) → nCO_2(г) + m/2H₂O_(ж) + (n + m/4 - r/2)•3,75N_2(г), где

C_nH_mO_r - органическое вещество (топливо);
n - число атомов углерода;
m - число атомов водорода;
r - число атомов кислорода.

Согласно первому закону термодинамики, высшая теплота сгорания топлива:

Q_B = ∆Н^о_{сгор.топлива}, где

∆Н^о_{сгор.топлива} - высшая энтальпия сгорания топлива при стандартных условиях.

∆Н^о_{сгор.топлива} = (∑∆Н^о_{кон.прод} - ∑∆Н^о_{исх.веществ}).

Высшая удельная теплота сгорания топлива (теплотворная способность топлива) Q_В (кДж/кг топлива) рассчитывается по уравнению:

Q_B = ΔН^о_В/(M^.10^-3), где

ΔН^о_В - высшая энтальпия сгорания топлива (ΔН^о_В = ∆Н^о_{сгор.топлива}), кДж/моль;
М - масса моля топлива, г/моль.

Низшая энтальпия сгорания топлива ΔН^о_Н (кДж/моль топлива) рассчитывается по уравнению реакции (1):

∆Н^о_Н = ∑∆Н^о_{кон.прод} - ∑∆Н^о_{исх.веществ} 

Низшая энтальпия сгорания топлива отличается от высшей на величину энтальпии конденсации водяного пара (∆Н^о_конд.(Н₂О)_пар = -44,01 кДж/моль:

∆Н^о_Н = ΔН^о_В - ∆Н^о_конд.(Н₂О)_пар

Низшая удельная теплота сгорания топлива Q_Н (кДж/кг топлива) составит:

Q_H = ΔН^о_Н/(M^.10^-3), где

М - масса моля топлива, г/моль.

Для полного сгорания массовой или объемной единицы топлива необходимо вполне определенное количество воздуха, которое называется теоретически необходимым.
Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива (кг воздуха/кг топлива) для реакции (1) рассчитывается по уравнению:

L^о_возд. = (n + m/4 - r/2) • [М(O₂) + 3,75M(N₂)]/М_{топлива}, где

М(O₂), M(N₂)], М_{топлива} – масса моля кислорода, азота и топлива соответственно, г/моль.

Количество топливовоздушной смеси (М₁, моль) для реакции (1) равно:

М₁ = 1 моль топлива + (n + m/4 - r/2)•(O₂ + 3,75N₂).

Низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси (калорийность стехиометрической смеси топлива с воздухом, q_Н, кДж/м³) рассчитывается как отношение низшей теплоты сгорания единицы топлива к общему количеству горючей смеси: 

q_H = ∆Н^о_Н/[M₁^.22,4^.10^-3)].

Полученные результаты сравниваются с характеристиками бензина (приведенными выше) и веществом, предлагаемого в качестве альтернативного топлива. Затем, делается вывод о возможности использования данного вещества в качестве топлива. 

---

 Примеры расчетных задач на возможность использования вещества в качестве альтернативного топлива 

 

Задача 50.
На основании зависимости эксплуатационных свойств и от физико-химических характеристик и термодинамических расчетов рассмотреть возможность использования изопропилового спирта в качестве альтернативного топлива или добавки к традиционным видам топлив.
Решение:
М(С₃Н₇ОН) = 60,0952 г/моль;
∆Н^о_сгор.(С₃Н₇ОН) =  –2003,8 кДж/моль.

1. Реакция горения в воздухе:

С₃Н₇ОН_(ж) + 4,5(O₂ + 3,75N₂)_(г) = 3CO_2(г) + 4H₂O_(ж) + 16,8755N_2(г).

2. Табличное значение стандартной энтальпии сгорания изопропилового спирта ΔН^о_сгор. = –2003,8 кДж/моль.  

Следовательно, высшая энтальпия сгорания топлива (ΔН^о_В = ∆Н^о_{сгор.топлива} = –2003,8 кДж/моль С3Н7ОН.

3. Высшая теплота сгорания топлива Q_В: 

Q_B = 2003,8/(60^.10^-3) = 33,40 МДж/кг С₃Н₇ОН.

4. Низшая энтальпия сгорания (∆Н^о_Н, кДж /моль топлива) отличается от высшей на величину энтальпии конденсации водяного пара 
∆Н^о_конд.Н₂О_(пара) = –44,01 кДж/моль. Поэтому

∆Н^о_Н = ∆Н^о_{сгор.топлива} - ∆Н^о_конд.Н₂О_(пара) = -2003,8 + 4^.44,01 = -1827,76.

5. Низшая теплота сгорания топлива (МДж/кг топлива):

Q_H = ∆Н^о_Н/(M^.10^-3) = -1827,76/(60^.10^-3) = 30,46.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива (кг воздуха/кг топлива):

L^о_возд. = (n + m/4 - r/2) • [М(O₂) + 3,75M(N₂)]/М_{топлива}, где

М(O₂), M(N₂)], М_{топлива} – масса моля кислорода, азота и топлива соответственно, г/моль.

Тогда

L^о_возд. = 4,5(32 + 3,75^. 28)]/60 = 10,275

7. Количество топливовоздушной смеси (М₁, моль):

М₁ = 1 моль топлива + 4,5(1 + 3,75) = 22,375 моль.

8. Низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси (q_Н, кДж/м³), она же калорийность стехиометрической смеси топлива с воздухом:

q_H = ∆Н^о_Н/[M₁^.22,4^.10^-3)] = -1827,76/[22,375 ^. 22,4^.10^-3)] = 3817,37 кДж/м³.

Выводы:
1) Судя по калорийности стехиометрической смеси изопропилового спирта с воздухом, его вполне можно применять как альтернативное топливо. 

---

Задача 51.
На основании зависимости эксплуатационных свойств и от физико-химических характеристик и термодинамических расчетов рассмотреть возможность использования метана в качестве альтернативного топлива или добавки к традиционным видам топлив.
Решение:
М(СН₄) = 16 г/моль;
∆Н^о_сгор.(СН₄) =  –890,31  кДж/моль;
1. Реакция горения в воздухе:

СН_4(г) + 2(O₂ + 3,75N₂)_(г) = CO_2(г) + 2H₂O_(ж) + 7,5N_2(г).

2. Табличное значение стандартной энтальпии сгорания метана ΔН^о_сгор. = –890,31 кДж/моль.  

Следовательно, высшая энтальпия сгорания топлива (ΔН^о_В = ∆Н^о_{сгор.топлива} = –890,31 кДж/моль С₃Н₇ОН.

3. Высшая теплота сгорания топлива Q_В: 

Q_B = 890,31/(16^.10^-3) = 55,64 МДж/кг СН₄.

4. Низшая энтальпия сгорания (∆Н^о_Н, кДж /моль топлива) отличается от высшей на величину энтальпии конденсации водяного пара 

∆Н^о_конд.Н₂О_(пара) = –44,01 кДж/моль. Поэтому

∆Н^о_Н = ∆Н^о_{сгор.топлива} - ∆Н^о_конд.Н₂О_(пара) = –890,31 + 2^.44,01 = -802,29 кДж/моль.

5. Низшая теплота сгорания топлива (МДж/кг топлива):

Q_H = ∆Н^о_Н/(M^.10^-3) = -802,29/(16^.10^-3) = 50,14.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива (кг воздуха/кг топлива):

L^о_возд. = (n + m/4 - r/2) * [М(O₂) + 3,75M(N₂)]/Мтоплива, где

М(O₂), M(N₂)], М_{топлива} – масса моля кислорода, азота и топлива соответственно, г/моль.

Тогда

L^о_возд. = 2(32 + 3,75 ^. 28)]/16 = 17,125

7. Количество топливовоздушной смеси (М₁, моль):

М₁ = 1 мольтоплива + 2(1 + 3,75) = 10,5 моль.

8. Низшая теплота сгорания топливовоздушной смеси (q_Н, кДж/м³), она же калорийность стехиометрической смеси топлива с воздухом:

q_H = -∆Н^о_Н/[M₁^. 22,4^.10^-3)] = 802,29/[10,5 ^. 22,4^.10^-3)] = 3411 кДж/м³.

Выводы:
1) Судя по калорийности стехиометрической смеси метана с воздухом, его вполне можно применять как альтернативное топливо. 

---

Расчет теплотворной способности газзобразного топлива

 

Задача 52.
В печи сожгли смесь, в которой было 25% измельчённого угля, остальное – отходы древесины. Какова была теплотворная способность этой смеси?
Решение:
q₁(уголь) = 30,0 мДж/кг;
q₂(отходы древесины) = 10,0 мДж/кг.
Q = q₁ ^. w%_(уголь) + q₂ ^. w%_{(дерево)} = (30 ^. 0,25) + (10 ^. 0,75) = 15 мДж/кг = 15 000 000 Дж/кг, где

Q - теплотворная способность топлива;
q₁ -удельная теплота сгорания угля;
q₂ -удельная теплота сгорания древесных отходов;
w%_(уголь) и w%_{(дерево)} - соответственно, массовые доли угля и древесины в смеси для сжигания.

---

Как правильно рассчиать  массу заправленного в бак топлива

Задача 53.
В топливный бак залили при температуре 15 оС 30 л бензина АИ-95 (р420 = 0,7650 г/мл). Исходя из уравнения Д.И. Менделеева (температурную поправку найти по таблице), рассчитайте массу заправленного в этих условиях бензина.
Решение:
Для рассчета используем формулу Менделеева:

р₄(t) = p₄(20) - a(t - 20), где 

р₄(t) - относительная плотность нефти (нефтепродукта) при температуре испытания t, ^оС; 
p₄(20) - плотность нефтепродукта при стандартных условиях (у нас 0,7650 г/мл = или 765 кг/м³;
а - средняя температурная поправка плотности (ее мы найдем по таблице, получим: 0,000818); 
t - температура испытания, ^оС ( у нас 15 ^оС). 

Тогда

р₄(15) = p₄(20) - a(t - 20) = 0,7650 - 0,000818(5 - 20) = 0,7650 - 0,0127 = 0,77727 г/л.
По формуле: m = р•V, рассчитаем массу бензина, получим:

m_{топлива} = р•V = р₄(5) ^. V = 0,77727 г/л ^. 30 л = 23,3 кг.

Ответ: m_{топлива} = 23,3 кг.
 

---

Определение потери тепла с уходящими газами

Задача 54.
Определить по формуле: q₂ = 0,01(t - t_В)Z,% потерю тепла с уходящими газами если СО₂ = 9%, СО = 0,2%, СН₄ = 0,1%, Н₂ = 0,3%, О² = 4,4%, N² = 86% температура уходящих газов равна 320 °С, температура воздуха равна 20 °С, Z = 5,05.
Решение:
Таким образом, при снижении температуры продуктов сгорания с 300 до 20 °С экономия топлива в результате снижения потерь тепла составит:

q₂ = 0,01(t - t_В)Z% = 0,01(320 °С - 20 °С)5,05% = 15,15%, где
q₂ - потеря тепла с продуктами сгорания; 
t - температура продуктов сгорания (уходящих газов), ^оС;
t_В - температура воздуха поступающего к горелкам, ^оС;
Z – табличная величина, зависящая от содержания СО₂ в продуктах сгорания и их температуры, определяется по таблице Равича;
  
Теперь по формуле Д.И. Менделеева рассчитаем низшую теплотворность смеси газов, получим:

q₁ = 0,126(CO) + 0,358(CH₄) + 0,108(H₂) = (0,126 ^. 0,2) + (0,358 ^. 0,1) + (0,108 ^. 0,3) = 0,0934 МДж/м³.

Тогда потеря теплоты составит:

Q_потери = (q₂ ^. q₁)/100% = (15,15% ^. 0,0934 МДж/м³)/100% = 0,01415 МДж/м³.

Таким образом, потеря тепла будет составлять 0,01415 МДж/м³.

 

---