Химическая реакция (эксергетический анализ)

(горение метана)

 

В качестве химической реакции рассматривается процесс горения газообразного топлива в топке. Объект работает в непрерывном и стационарном режиме. В топку подаются потоки газообразного топлива воздуха. Топливо сгорает полностью. Побочные продукты не образуются. Давление в системе остается постоянным. Расходы сред поддерживаются постоянными. Теплоемкости сред зависят от температуры. Температура подаваемых в топку потоков одинакова и близка к температуре окружающей среды. Исходная смесь поступает в печь при температуре 25°С и давлении p ≈ 0,1 МПа и сгорает полностью до диоксида углерода и парообразной воды На рис. представлена расчетная схема объекта.

 

 

Рис. Расчетная схема топки

Материальный баланс позволяет определить количество используемых веществ в процессе, связать их расходы с расходом топлива и определить поэлементный состав исходной смеси и продуктов горения.

 

Определение количества воздуха, необходимого для сжигания газообразного топлива

Расчет ведется по стехиометрическому уравнению химической реакции. По стехиометрии реакции:

 

CH₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О (63)

 

на 1 моль CH₄ необходимо израсходовать 2 моль О₂, а с учетом избытка воздуха 2·(1+a) молей. Количество азота на 1 моль CH₄, поступающего с воздухом, равно 4(1+a) молей N₂ (содержание азота в воздухе, примерно в 4 раза больше, чем кислорода). В результате

СН₄ + 2×(1+a)×О₂ + 4×(1+a)×N₂ ——>СО₂ + 2×H₂О + 2×a×О₂ + 4×(1+a)×N₂. (64)

Мольная доля компонента в исходной газовой смеси будет равна:

; ; (65)

Мольная доля компонента в продуктах горения:

; ; ; (66)

Состав смеси на входе в топку и топочных газов приведен в таблице.1.

 

 

Таблица 6

Мольные доли веществ в исходной смеси

И в продуктах горения

вещество	Мольная доля компонента в смеси
Исходная	продукты
Метан
Кислород
Азот
Двуокись углерода
Пары воды

 

Температура процесса горения метана определяется из уравнения теплового баланса топки, для адиабатического режима горения и отсутствия потерь. Процесс непрерывный и стационарный. топка представляет собой реактор идеального перемешивания. Для расчета температуры горения целесообразно перейти к массовым единицам. В соответствии со стехиометрическим уравнением химической реакции теоретически необходимое количество воздуха для сжигания одного килограмма топлива (метана) равно b – теоретически необходимое количество воздуха. Это табличные величины. Их значения приведены в справочной литературе. Для метана b = 18,0 коэффициент избытка a^* массовый, не менее 0,2. Тепловой баланс (при отсутствии тепловых потерь):

. (67)

Материальный баланс по установке:

. (68)

Подставляем соотношение () в уравнение ():

. (69)

Если теплоемкость газовой смеси и тепловой эффект не зависят от температуры

 

,

то температуру продуктов горения можно определить по уравнению:

 

. (70)

 

Это уравнение позволяет оценить влияние коэффициента избытка воздуха на температуру горения. Увеличение коэффициента избытка воздуха приводит к снижению температуры горения топлива. Это позволяет регулировать температуру горения в зависимости от требований к этому параметру. Теперь можно определить потоки энергии приходящие и покидающие объект и перейти к построению диаграммы Сенкея. Для этого необходимо задаться величиной внешней поверхности топки, формой этой поверхности и толщиной и материалом тепловой изоляции.

 

 

Рис. Диаграмма Сенкея для процесса горения.

 

Диаграмма Сенкея для топки аналогична диаграмме смешения потоков. Потери энергии обусловлены рассеянием энергии в окружающее объект пространство. Вторичных потоков нет, т.к. продукты горения являются энергоносителем, используемым в дальнейшем, как высокотемпературный энергоноситель в технологических установках.

Эксергетический анализ. При горении топлива, осуществляемого при постоянном общем давлении газовой смеси, происходит изменение состава смеси как за счет образования новых веществ и расходования исходных, так и за счет перехода компонентов из одного потока в другой. Поэтому при определении эксергии потоков необходимо учитывать эксергию образования всех веществ, принимающих участие в процессе. Эта величина не для всех компонентов равна нулю. Значения эксергий образования веществ приведены в табл.2. При отсутствии справочной информации величину эксергии образования можно определить при помощи уравнения:

Значения эксергии при параметрах окружающей среды приведенны в таблице 3. Потери эксергии при осуществлении процесса составят:

(71)

(72)

, (73)

где е⁰ – эксергия чистого вещества при стандартных температуре и давлении по отношению к стандартизированной окружающей среде (определяется по таблице); Δе_0-1 – изменение эксергии чистого вещества при переходе от стандартных температуры и давления к конкретным условиям (концентрации, температуре, давлению и агрегатному состоянию):

 

. (74)

 

Поскольку предполагается, газовая смесь представляет собой идеальный газ, то . Уравнение () примет вид:

 

(75)

 

Поскольку предполагается, газовая смесь представляет собой идеальный газ, то . Уравнение () примет вид:

 

. (76) Эксергия входных потоков равна:

 

(77)

 

Эксергия компонентов на входе в печь равна соответственно (температура смеси на входе незначительно отличается от стандартной и поэтому

можно пренебречь изменением теплоемкости от температуры):

для кислорода:

 

(78)

 

для азота:

(79)

 

для метана:

 

(80)

 

При расчете изменения эксергии продуктов сгорания при переходе

их от Т₀, Р₀ к заданным условиям принимают, что оно равно сумме изменения эксергии при изотермическом расширении при начальной температуре и при изобарическом нагревании от исходной до конечной температуры. Расчет ведется по уравнению ().

 

Эксергия компонентов на выходе из печи (температура смеси на выходе из печи сильно отличается от стандартной и поэтому необходимо учитывать изменение теплоемкости от температуры):

 

эксергия кислорода:

(81)

эксергия паров воды:

(82)

эксергия углекислого газа:

 

(83)

 

эксергия азота:

(84)

В итоге эксергия дымовых газов, равна:

(85)

Потери эксергии в процессе горения будут равны разнице эксергии потоков на входе и эксергии потоков на выходе:

(86)

При расчете изменения эксергии Δе_О2 продуктов сгорания при переходе их от Т₀, Р₀ к заданным условиям принимают, что оно равно сумме изменения эксергии при изотермическом расширении при 25 °С и при изобарическом нагревании от 25 до 1800 °С. Результаты расчетов приведены в таблице. Таким образом, несмотря на полное отсутствие тепловых потерь потери эксергии при сгорании достаточно велики, и составляют треть от общего ее «запаса».

Таблица 7