STECHIOMETRIA SPALANIA

Mole i kilomole

Masa atomowa pierwiastka to średnia waŜona mas wszystkich jego naturalnych izotopów w stosunku do:

1/12 6C ~ 1,66 10-27 kg

12

Liczba Avogadra ~

6,0222 1023 atomów

Jeden mol jest to masa 6,0222 1023 (l. Avogadra) atomów danego pierwiastka lub cząsteczek związku

Objętość molowa (g. doskonały)

22,414 l/mol

Kmol:

103 moli

Masa molowa jest to ilość substancji wyraŜonej w gramach odpowiadającej liczbowo masie atomowej (cząsteczkowej) tej substancji.

Reakcje chemiczne

Reakcje chemiczne:

A + 2B → C

1 mol + 2 mole → 1 mol

A, B i C są to reagenty. A i B są substratami, C jest produktem.

Współczynniki występujące przed symbolami

reagentów to: współczynniki stechiometryczne.

Ze związków między współczynnikami stechiometrycznymi wynika stechiometria spalania i inne pochodne pojęcia.

STECHIOMETRIA SPALANIA

Paliwa kopalne to przede wszystkim związki węgla i wodoru (C H ). Reakcję ich utleniania moŜna zapisać m

n

równaniem stechiometrycznym:

C H + (m + n/4)O → mCO + n/2H O

m

n

2

2

2

1 mol + (m + n/4)moli → (m +n/2)moli Jest to równanie stechiometrii spalania:

Na jeden mol paliwa przypada dokładnie:

(m + n/4)moli tlenu

SKŁAD MIESZANKI PALNEJ

Mówi się, Ŝe skład mieszanki jest stechiometryczny, jeŜeli udziały paliwa i utleniacza wynikają z równania stechiometrii.

W wyniku zupełnego spalania mieszanki o składzie stechiometrycznym w spalinach nie moŜe być:

ani paliwa, ani tlenu.

RODZAJE MIESZANEK PALNYCH

RODZAJ MIESZANKI

Bogata

Stechiometryczna

Uboga

PRZYKŁAD:

SPALANIE METANU W POWIETRZU

A. Spalanie stechiometryczne

Powietrze: 79% N + 21% O

2

2

CH + 2O + 7,52N → CO + 2H O + 7,52N

4

2

2

2

2

2

Uwaga: w spalinach nie ma metanu, ani tlenu.

Spalanie stechiometryczne CH - SKŁAD SPALIN

4

Całkowita liczba moli spalin N równa się: N = 1 mol CO + 2 mole H O + 7,52 mola N = 10,52

2

2

2

mole

Udziały molowe składników spalin, wg analizy mokrej (woda w postaci pary) przedstawiają się następująco:

[CO ] = 1mol CO /10,52 =

9,5% CO obj.

2

2

2

[H O] = 2 mole H O/10,52 = 19% H O obj.

2

2

2

[N ] = 7,52 mola N /10,52 = 71,5% N obj.

2

2

2

PRZYKŁAD:

SPALANIE METANU W POWIETRZU

B. Spalanie z nadmiarem powietrza

ZałoŜenie: nadmiar powietrza: 5%

CH + 2,1O + 7,9N → CO + 2H O + 7,9N

4

2

2

2

2

2

+ 0,1O2

Uwaga: w spalinach jest tlen.

Spalanie CH z nadmiarem powietrza -

4

SKŁAD SPALIN

Całkowita liczba moli spalin N równa się: N = 1 mol CO + 2 mole H O + 7,9 mola N + 0,1

2

2

2

mola O = 11 moli

2

Udziały molowe składników spalin, wg analizy mokrej (woda w postaci pary) przedstawiają się następująco:

[CO ] = 1mol CO /11 =

9,09% CO obj.

2

2

2

[H O] = 2 mole H O/11 =

18,2% H O obj.

2

2

2

[O ] = 0,1 mola O /11 =

0,91% O obj.

2

2

2

[N ] = 7,52 mola N /10,52 = 71,82% N obj.

2

2

2

ZAPOTRZEBOWANIE POWIETRZA

DO SPALANIA

Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza

do

spalania oznacza ilość powietrza przypadającego na jednostkę paliwa w stechiometrycznej mieszane palnej.

Dla paliw gazowych określa się je w m3/m3 w warunkach normalnych.

Rzeczywiste zapotrzebowanie powietrza do spalania zaleŜy od załoŜonego nadmiaru powietrza.

WSPÓŁCZYNNIK NADMIARU

POWIETRZA (λ)

całkowita ilość powietrza do spalania

λ =

teoretyczna ilość powietrza do spalania

20,9

λ ≅

20,9 – [0 ]

2

WSPÓŁCZYNNIK EKWIWALENCJI

(FUEL RATIO φ )

W literaturze angielskojęzycznej częściej niŜ współczynnikiem nadmiaru powietrza λ posługuje się współczynnikiem φ.

F/A

φ =

(F/A)s

φ =

1

λ

F – ilość moli paliwa,

A – ilość moli powietrza

s - stechiometryczny

AIR/FUEL RATIO (AFR) i

FUEL/AIR RATIO (FAR)

Ze względu na łatwość wyznaczania w praktyce zastosowanie ma stosunek strumienia powietrza do paliwa określany jako AFR

(Air/Fuel Ratio)

AFR =

F/A

A – strumień powietrza (A – air), kg/s

F – strumień paliwa (F – fuel), kg/s

Podobnie definiuje się FAR (Fuel/Air Ratio).

WSPÓŁCZYNNIK NADMIARU

POWIETRZA A RODZAJ PŁOMIENIA

Rodzaj płomienia (lub składu mieszanki)

Bogaty

Stechiometryczny

Ubogi

λ <1

λ =1

λ >1

φ > 1

φ = 1

φ < 1

NA

N D

A M

D

I

M A

I R

A

R P

O

P W

O

I

W E

I T

E R

T Z

R A

Z

A (

n

( )

całkowita - teoretyczna ilość powietrza do spalania

n =

teoretyczna ilość powietrza do spalania

Związek współczynnika nadmiaru pow. i nadmiaru powietrza

n = (λ -1)∗100%

ZAPOTRZEBOWANIE POWIETRZA

DO SPALANIA GAZÓW

Gaz

Zapotrzebowanie powietrza

(teoretyczne), m3/ m3

CO

2,38

H

2,38

2

CH

9,52

4

C H

11,90

2

2

C H

16,70

2

6

C H

23,80

3

8

Gaz ziemny

7,80 (ok. 82% CH )4

PRZYKŁAD

Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania CH4

wynosi 9,52 m3 /m3

Przyjmując:

strumień metanu V = 10 m3/h

strumień powietrza V = 114,62 m3/h

otrzymuje się: λ= 114,62/(10*9,52)= 114,62/95,2 = 1,2

n = (1,2 – 1,0)∗100% = 20%