Отдел продаж

Телефоны: (3532) 25-27-22, 93-60-02, 93-50-02

E-mail: [email protected]

г.Оренбург, ул.Беляевская, д.50/1, стр.1

 

Разное

Температура горения метана: При какой температуре возможно горение метана? :: SYL.ru

Содержание

При какой температуре возможно горение метана? :: SYL.ru

Метан (CH₄) представляет собой химическое газообразное соединение семейства алканов. Атомы углерода соединены между собой простыми связями и насыщены атомами водорода. Газ нетоксичен, не определяется его наличие по запаху. Горение метана происходит при взаимодействии с окислителем, в качестве которого выступает кислород.

Реакция горения с участием кислорода

Метан выделяется при разработке шахты из пласта горных пород. Отследить его концентрацию без соответствующего оборудования невозможно, поэтому вблизи рудников нельзя использовать открытое пламя. Возгорание сопровождается повышенной теплоотдачей и резким увеличением температуры. Реакция горения метана происходит с выделением большого количества паров воды и двуокиси углерода, а также азота и избыточного кислорода. Излишек кислорода образуется только в тех случаях, когда его объем превышает требуемое для полного сгорания количество.

Остатки окислителя не используются в химической реакции и выделяются с продуктами сгорания. Горение метана возможно при его концентрации 5-15 %. При неполной реакции образуется также сажа и тяжелые углеводороды. В качестве ископаемого топлива используют природный газ. В нем содержится 95 % метана. Углерод, присутствующий в газе, сгорает полностью. При этом не образуются продукты сгорания, либо их количество минимально.

Особенности сгорания метана

Метан может выделяться из пластов горных пород постоянно или кратковременно. Кратковременное появление представляет собой выброс из зоны скопления при возникновении трещин и разломов в пласте. Помимо выделения газа, происходит выброс угля и обломков горных пород. Кратковременное выделение газа опасно для жизни человека из-за быстрого увеличения его количества, которое при достижении в метановоздушной смеси концентрации метана 5 % приводит к взрыву.

Для полного сгорания каждого 1 м3 газа в условиях топки понадобится около 2 м3 кислорода. Взаимодействие с окислителем допускается в условиях атмосферного воздуха. Если объем кислорода составляет 21 %, то для полного сгорания нужно 4,76 раз больше атмосферного воздуха, чем чистого кислорода. Процесс горения метана требует постоянного контроля поступления кислорода в топку. Для этого отбирают пробы продуктов горения на определение их состава в процентном соотношении.

Определение степени сгорания газа

При полном сгорании в отработанных газах содержится большое количество диоксида углерода и свободного углерода, при этом объем оксида углерода стремится к нулю. Неполная реакция, наоборот, сопровождается выделением СО2 в большом объеме и нулевым количеством диоксида углерода.

Для проверки степени сгорания природного газа проводят специальный тест. Фарфоровую чашку от тиля подносят к пламени. При полной реакции на поверхности сосуда не образуется копоть. Отсутствие коптящего пламени – свидетельство качественного сгорания природного газа.

При какой температуре горит метан?

Сжигание метана используется для получения тепловой энергии. Данное химическое соединение является взрывоопасным. При попадании в зону открытого пламени оно взрывается, но в условиях обычной температуры даже при достаточной концентрации газа в воздухе горение не происходит. Температура горения метана составляет 537 ⁰С при самовоспламенении, 187 ⁰С – при вспышке. Воспламенение с взрывом возможно, если его концентрация достигает не менее 5 %. Горение метана происходит при концентрации его от 14 %, взрыв не происходит. Температура плавления данного химического соединения составляет 182 ⁰С.

Интересный факт! Ученые выявили наличие залежей гидрата метана на океаническом шельфе Карского моря в местах вечной мерзлоты. Это вещество внешне похоже на утрамбованный снег. Оно представляет собой соединение воды с метаном. Гидрат метана абсолютно инертен при постоянной температуре, но способен воспламеняться при ее повышении. При изменении давления химическое соединение распадается на воду и метан. Из 1 см3 гидрата метана образуется 180 см3 чистого газа.

FAS — Глава 8. Характеристики горения газов

Глава 8. Характеристики горения газов

8.1. РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ

Г о р е н и е — быстропротекающая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания. Реакции горения описываются т.н. стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате ее вещества (Стехиометрический состав горючей смеси (от греч. stoicheion — основа, элемент и греч. metreo — измеряю) — состав смеси, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления
топлива). Общее уравнение реакции горения любого углеводорода

CmHn + (m + n/4) O2 = mCO2 + (n/2) Н2O + Q(8.1)

где m, n — число атомов углерода и водорода в молекуле; Q — тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.

Реакции горения некоторых газов приведены в табл. 8.1. Эти уравнения являются балансовыми, и по ним нельзя судить ни о скорости реакций, ни о механизме химических превращений.

Таблица 8.1. Реакции горения и теплота сгорания сухих газов (при 0°С и 101,3 кПа)






Газ Реакция горения Теплота сгорания
Молярная, кДж/кмоль Массовая, кДж/кг Объемная, кДж/м3
высшая низшая высшая низшая высшая низшая
Водород H2 + 0,5O2 = H20 286,06 242,90 141 900 120 080 12 750 10 790
Оксид углерода CO + 0,5O2 = CO2 283,17 283,17 10 090 10 090 12 640 12 640
Метан

Горение метана

Метан представляет собой газообразное химическое соединение с химической формулой Ch5. Это самый простой представитель алканов. Другие названия этой группы органических соединений: предельные, насыщенные или парафиновые углеводороды. Они характеризуются наличием простой связи между атомами углерода в молекуле, а все остальные валентности каждого углеродного атома насыщены атомами водорода. Для алканов наиболее важной реакцией является горение. Они горят с образованием газообразной двуокиси углерода и паров воды. В результате выделяется огромное количество химической энергии, которая превращается в тепловую или электрическую. Метан является горючим веществом и основным компонентом природного газа, что и делает его привлекательным топливом. В основе широкого использования природного ископаемого лежит реакция горения метана. Поскольку он в нормальных условиях является газом, то его трудно транспортировать на далекие расстояния от источника, поэтому часто его предварительно сжижают.

Процесс горения заключается в реакции между метаном и кислородом, то есть в окислении простейшего алкана. В результате образуется двуокись углерода, вода и много энергии. Горение метана может быть описано уравнением: Ch5 [газ] + 2O2 [газ] → CO2 [газ] + 2h3O [пар] + 891 кДж. То есть одна молекула метана при взаимодействии с двумя молекулами кислорода образует молекулу двуокиси углерода и две молекулы воды. При этом выделяется тепловая энергия, равная 891 кДж. Природный газ является самым чистым для сжигания ископаемым, так как уголь, нефть и другие виды топлива более сложные по составу. Поэтому при сгорании они выделяют в воздух различные вредные химические вещества. Поскольку природный газ в основном состоит из метана (примерно на 95%), то при его сжигании практически не образуются побочные продукты или их получается намного меньше, чем в случае с другими видами ископаемого топлива.

Теплотворная способность метана (55,7 кДж/г) выше, чем его гомологов, например, этана (51,9 кДж/г), пропана (50,35 кДж/г), бутана (49,50 кДж/г) или других видов топлива (древесина, уголь, керосин). Горение метана дает больше энергии. Для обеспечения в течение года работы лампочки накаливания мощностью 100 Вт необходимо сжечь 260 кг древесины, или 120 кг угля, или 73,3 кг керосина, или всего 58 кг метана, что соответствует 78,8 м³ природного газа.

Простейший алкан является важным ресурсом для получения электроэнергии. Происходит это за счет сжигания его в качестве топлива котла, вырабатывающего пар, который приводит в движение паровую турбину. Также горение метана используется для получения горячих дымовых газов, энергия которых обеспечивает работу газовой турбины (сжигание осуществляется до турбины или в самой турбине). Во многих городах метан подается по трубам в дома для внутреннего отопления и приготовления пищи. По сравнению с другими видами углеводородного топлива сжигание природного газа характеризуется меньшим выделением углекислого газа и большим количеством полученного тепла.

Горение метана используется для достижения высоких температур в печах различных химических производств, например, крупнотоннажных этиленовых установок. Природный газ в смеси с воздухом подается в горелки печей пиролиза. В процессе сгорания образуются дымовые газы с высокой температурой (700—900 °С). Они нагревают трубы (находятся внутри печи), в которые подается смесь сырья с водяным паром (для снижения образования кокса в трубах печей). Под действием высоких температур происходит множество химических реакций, в результате которых получают целевые компоненты (этилен и пропилен) и побочные продукты (смола пиролизная тяжелая, водородная и метановая фракции, этан, пропан, углеводороды С4, С5, пироконденсат; каждый из них имеет свое применение, например, пироконденсат используют для получения бензола или компонентов автомобильного бензина).

Горение метана является сложным физико-химическим явлением на основе экзотермической окислительно-восстановительной реакции, характеризующейся высокой скоростью течения и выделением огромного количества тепла, а также теплообменными и массообмеными процессами. Поэтому расчетное определение температуры горения смеси представляет собой сложную задачу, так как кроме состава горючей смеси сильно влияют ее давление и начальная температура. С их увеличением наблюдается рост температуры горения, а теплообменные и массообменые процессы способствуют ее снижению. Температура горения метана при проектировании процессов и аппаратов химических производств определяется расчетным методом, а на действующих установках (например, в печах пиролиза) ее измеряют с помощью термопар.

Предел взрываемости природного газа. Физические свойства газа

Под природным газом понимают целую смесь газов, которые образуются в недрах земли впоследствии анаэробного разложения органических веществ. Он является одним из наиболее важных полезных ископаемых. Природный газ залегает в недрах планеты. Это могут быть отдельные скопления или газовая шапка на нефтяном месторождении, однако может быть представлен в виде газогидратов, в кристаллическом состоянии.

Опасные свойства

Природный газ знаком практически всем жителям развитых стран, и еще в школе дети изучают правила пользования газом в быту. А между тем взрывы природного газа — не редкость. Но и помимо этого, существует целый ряд угроз, исходящих от столь удобных приборов, работающих на природном газе.

Природный газ токсичен. Хотя этан и метан в чистом виде неядовиты, при насыщении ими воздуха человек будет испытывать удушье из-за недостатка кислорода. Особенно это опасно ночью, во время сна.

Предел взрываемости природного газа

При контакте с воздухом, а точнее с его составляющей — кислородом, природные газы способны образовать легковоспламеняемую детонирующую смесь, которая может вызвать взрыв большой силы даже от малейшего источника огня, например, искры от проводки или пламени спички, свечи. Если масса природного газа относительно невысока, то и температура воспламенения не будет высокой, а вот сила взрыва зависит от давления получившейся смеси: чем выше давление газовоздушного состава, тем с большей силой он взорвется.

Однако практически все люди хотя бы раз в жизни сталкивались с некоторой утечкой газа, обнаруживаемой по характерному запаху, и тем не менее никаких взрывов не происходило. Дело в том, что взорваться природный газ может только при достижении определенных пропорций с кислородом. Есть низший и высший предел взрываемости.

Как только достигнут низший предел взрываемости природного газа (для метана это 5%), то есть концентрации, достаточной для начала реакции горения, может произойти взрыв. Уменьшение концентрации устранит возможность возгорания. Превышение высшей отметки (15% для метана) так же не позволит начаться реакции горения, ввиду недостатка воздуха, а точнее — кислорода.

Предел взрываемости природного газа возрастает при повышении давления смеси, а также в случае, если смесь содержит инертные газы, например азот.

Давление природного газа в газопроводе может быть различным, от 0,05 кгс/см2 до 12 кгс/см2.

Разница между взрывом и горением

Хотя на первый взгляд кажется, что взрыв и горение — несколько разные вещи, на самом деле эти процессы однотипны. Единственное их различие — это интенсивность протекания реакции. Во время взрыва в помещении или любом другом замкнутом пространстве реакция протекает невероятно быстро. Детонационная волна распространяется со скоростью, в несколько раз превышающую скорость звука: от 900 до 3000 м/с.

Так как метан, используемый в бытовом газопроводе, — газ природный, объем кислорода, необходимый для воспламенения, также подчиняется общему правилу.

Максимальная сила взрыва достигается в случае, если присутствующего кислорода теоретически достаточно для полного сгорания. Также должны присутствовать и остальные условия: концентрация газа соответствует пределу воспламенения (выше низшего предела, но ниже высшего) и присутствует источник огня.

Струя газа без примеси кислорода, то есть превышающая высший предел воспламенения, поступая в воздух, будет гореть ровным пламенем, фронт горения распространяется со скоростью 0,2-2,4 м/с при нормальном атмосферном давлении.

Свойства газов

Детонационные свойства проявляются в углеводородах парафинного ряда от метана до гексана. Строение молекул и молекулярная масса определяют их октановое число: детонационные свойства падают с уменьшением молекулярной массы, а октановое число увеличивается.

В состав природного газа входит несколько углеводородов. Первый из них — метан (химическая формула CH4). Физические свойства газа таковы: бесцветен, легче воздуха и не имеет запаха. Он достаточно горюч, но тем не менее довольно безопасен в хранении, в случае, если полностью соблюдена техника безопасности. Этан (C2H6) также не имеет цвета и запаха, но немного тяжелее воздуха. Он горюч, но не используется в качестве топлива.

Пропан (C3H8) — ядовитый газ без цвета и запаха, способен сжижаться при небольшом давлении. Это полезное свойство позволяет не только безопасно транспортировать пропан, но и выделять его из смеси с другими углеводородами.

Бутан (C4H10): физические свойства газа близки к пропану, однако его плотность выше, а по массе бутан вдвое тяжелее воздуха.

Знакомые всем

Углекислый газ (CO2) тоже входит в состав природного. Физические свойства газа знают, пожалуй, все: не имеет запаха, но характерен кислым привкусом. Он входит в ряд газов с самой маленькой токсичностью и является единственным (за исключением гелия) негорючим газом в составе природного.

Гелий (He) — очень легкий газ, второй после водорода, бесцветен и не имеет запаха. Он очень инертен и в обычных условиях не способен реагировать с каким-либо веществом, не участвует и в процессе горения. Гелий безопасен, нетоксичен, при повышенном давлении, наряду с другими инертными газами, вводит человека в состояние наркоза.

Сероводород (H2S) — газ без цвета с характерным запахом тухлых яиц. Тяжелый и очень ядовитый, может вызвать паралич обонятельного нерва даже при незначительной концентрации. К тому же предел взрываемости природного газа очень широк, от 4,5% до 45%.

Похожие газы

Есть еще два углеводорода, которые по применению близки к природному газу, но в его состав не входят. Этилен (C2H4) — близкий по свойствам к этану, обладающий приятным запахом и не имеющий цвета газ. От этана его отличает меньшая плотность и горючесть.

Ацетилен (C2H2) — бесцветный взрывоопасный газ. Он очень горюч, взрывается, если произошло сильное сжатие. Ввиду этого ацетилен опасно использовать в быту, в основном же используется при сварочных работах.

Применение углеводородов

Как горючее в бытовых газовых приборах используется метан.

Пропан и бутан служат топливом для автомобилей (например, гибридных), а в сжиженном виде пропаном заправляют зажигалки.

А вот этан редко используют как горючее, его основное назначение в промышленности — получение этилена, который производится на планете в огромных количествах, ведь именно он является сырьем для полиэтилена.

Ацетилен служит для нужд металлургии, с его помощью достигаются высокие температуры для сварки и резки металлов. Так как он крайне горюч, его невозможно использовать в качестве топлива, и при хранении газа обязательно строгое соблюдение условий.

Хотя сероводород и токсичен, в крайне малых количествах он применяется в медицине. Это так называемые сероводородные ванны, действие которых основано на антисептических свойствах сероводорода.

Основное полезное свойство гелия — его небольшая плотность. Этим инертным газом пользуются при полетах на аэростатах и дирижаблях, им заполняют летучие воздушные шарики, популярные среди детей. Воспламенение природного газа невозможно: гелий не горит, поэтому можно без боязни нагревать его над открытым огнем. Водород, соседствующий с гелием в таблице Менделеева, еще легче, однако легко воспламеняется. Гелий является единственным газом, не имеющим твердой фазы ни при каких условиях.

Правила пользования газом в быту

Каждый человек, пользующийся газовыми приборами, обязан проходить инструктаж по технике безопасности. Первое правило — следить за исправностью приборов, периодически проверять тягу и дымоход, если в приборе предусмотрено отведение продуктов сгорания. После выключения газового прибора нужно закрывать краны и перекрывать вентиль на баллоне, если имеется таковой. В случае, если внезапно прервалась подача газа, а также при выявлении неисправностей нужно немедленно звонить в газовую службу.

Если в квартире или другом помещении чувствуется запах газа, необходимо сразу же прекратить какое бы то ни было использование приборов, не включать электроприборы, открыть окно или форточку для проветривания, затем покинуть помещение и вызвать аварийную службу (телефон 04).

Правила пользования газом в быту важно соблюдать, ведь малейшая неисправность может привести к плачевным последствиям.

Теоретическая температура — горение — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Теоретическая температура — горение

Cтраница 4

Теоретической температурой горения называется температура продуктов горения, до которой они нагреваются при сгорании топлива, если предполагается, что все тепло, выделенное топливом, а также поступившее с воздухом и паром — при паровом дутье — расходуется только на повышение температуры продуктов горения. В зависимости от избытков воздуха теоретическая температура горения различных топлив изменяется. Поэтому при малом избытке воздуха легче достигнуть полного горения и высокой температуры, сжигая высококачественное, сухое и малозольное топливо, чем сжигая влажное и многозольное.
 [47]

Теоретической температурой горения называется температура, которая получилась бы при полном сгорании топлива в топке при заданном избытке воздуха, при отсутствии отдачи тепла путем излучения. Эта температура определяется на основе баланса тепла в топке для I кг топлива.
 [48]

Наиболее просто теоретическая температура горения определяется в том случае, когда можно пренебречь зависимостью теплоемкости от температуры.
 [50]

Величина теоретической температуры горения при одном и том же топливе зависит от коэффициента избытка воздуха ос. Как уже было отмечено, помимо потерь 27, некоторая часть тепла, выделившегося в топке, передается непосредственно поверхностям нагрева, преимущественно излучением.
 [51]

Расчет теоретической температуры горения усложняется тем, что диссоциация влияет не только на уменьшение тепловыделения при горении топлива, но изменяет также объем и состав получающихся продуктов горения.
 [52]

Значение теоретической температуры горения ( при а 1) пропана равно около 2250 К.
 [54]

Метан реакция горения — Справочник химика 21





    Объясните, почему в отличие от метана жидкие алканы горят коптящим пламенем. Вычислите процентное содержание углерода и водорода в метане, в гексане. Напишите уравнения реакций горения пентана, гексана, октана. [c.66]

    Основными горючими компонентами большинства горючих газов ЯВ. ПЯЮТСЯ водород, окись углерода, метан и другие углеводороды. Поэтому при сжигании газов большое практическое и теоретическое значение имеют механизм и кинетика реакций горения именно этих компонентов. [c.107]








    Н. Н. Семеновым показано, что зарождение цепной реакции горения метана происходит следующим образом. В присутствии кислорода метан легко отдает один из атомов водорода с образованием радикала СНз [c.71]

    Метан является простейшим углеводородом. Поэтому изучение пиролиза метана играет такую же роль в изучении пиролиза углеводородов вообще, какую в свое время сыграло изучение окисления и горения водорода (работы школы акад. Н. Н. Семенова) для цепных реакций горения. В этом отношении пиролиз метана является модельной реакцией, хотя и имеет свои индивидуальные особенности. [c.126]

    В работе [18] рассмотрено два способа нагрева кокса сжигание части нагреваемого кокса сжигание подаваемых извне водорода н углеводородных газов (метан, этан, пропан, бутан). В процессе обессеривания кокса при 1500°С, как нами ранее показано, будет происходить полное восстановление активных составляющих (Н2О, СО2) продуктов сгорания топлива по реакциям (2) и (3). На основе этих реакций, а также их тепловых эффектов рассчитаны удельная энтальпия продуктов сгорания, удельный теоретический угар кокса от вторичных реакций, удельная теплота сгорания и калориметрическая температура горения ( иап) рассматриваемых топлив. [c.234]

    Решение. Природный газ содержит четыре горючих компонента метан СН4, этан СаН , пропан СзН и бутан С4Н9. Записываем уравнения реакций горения газов  [c.159]

    Выделяющийся метан последовательно пропускайте в течение 1—2 мин через раствор перманганата калия и бромную воду. Окраска растворов при этом не изменяется, что служит доказательством относительной устойчивости метана к действию окислителей при комнатной температуре. Не прекращая нагревания реакционной смеси, поднесите стеклянный наконечник газоотводной трубки к пламени газовой горелки и наблюдайте горение метана. Напишите уравнение реакции горения метана. [c.218]

    Соберите метан в другую пробирку и подожгите его горящей лучинкой. В отсутствие примесей воздуха метан спокойно горит бесцветным пламенем. Напишите уравнение реакции горения метана. [c.312]








    Для демонстрации реакции горения можно пользоваться метаном непосредственно из газовой сети, так как сарат

Метан — теплофизические свойства

Метан, CH 4 , — бесцветный газ без запаха. Он также известен как болотный газ или метилгидрид. Пары легче воздуха.
Метан легко воспламеняется. При длительном воздействии огня или сильной жары контейнеры могут сильно разорваться и взорваться.

Метан используется в качестве сырья для химической промышленности и является основным компонентом топлива природный газ .

Фазовая диаграмма метана

Химические, физические и термические свойства метана:
Значения даны для газовой фазы при 25 ° C / 77 ° F / 298 K и 1 атм. , если не указана другая фаза, температура или давление.

Для полной таблицы с имперскими единицами измерения — поверните экран!

Единица

Свойство Значение Единица Значение Единица Значение

03

Единица
Температура самовоспламенения 810 K 537 ° C 999 ° F
Точка кипения 111.51 K -161,6 ° C -259,0 ° F
Критическая плотность 10,139 моль / дм 3 162,7 кг / м 3 0,3156 снаряд / фут 3 10,15 фунт / фут 3
Критическое давление 4,5992 МПа = МН / м2 45,99 бар 45. 39 атм 667,1 psi = фунт f / дюйм 2
Критическая температура 190,56 K -82,59 ° C -116,66 ° F
Критический объем 98,63 см 3 / моль 0,00615 м 3 / кг 3,169 футов 3 / снаряд 0.0985 фут 3 / фунт
Плотность, газ 41,0 моль / м 3 0,657 кг / м 3 0,00127 оторочка / фут 3 0,0410 фунт / фут 3
Плотность, газ на STP; 32 ° F / 0 ° C 1 атм 44,7 моль / м 3 0,7168 кг / м 3 0,00139 оторочка / фут 3 0. 0447 фунт / фут 3
Плотность, жидкость при -260 ° F / -162 ° C 26429 моль / м 3 422,6 кг / м 3 0,820 оторочка / фут 3 26,38 фунт / фут 3
Горючие газы и жидкости да
Температура вспышки 85 K -188 ° C -306 ° F
Газовая постоянная — R 518.28 Дж / кг K 0,1440 Вт · ч / (кг · K) 3099 [фут-фунт-сила / снаряд ° R] 96,329 [фут-фунт-сила / фунт ° R]
Гиббс свободный энергия образования -51 кДж / моль -3179 кДж / кг -1367 БТЕ / фунт
Теплота (скрытая) испарения 8,19 кДж / моль 511 кДж / кг 219. 48 БТЕ / фунт
Удельная теплоемкость, Cp 35,8 Дж / моль K 2,232 кДж / кг K 0,533 БТЕ / фунт ° F или кал / г K
Удельная теплоемкость, Cv 27,4 Дж / моль K 1,709 кДж / кг K 0,408 БТЕ / фунт ° F или кал / г K
Теплота горение -890.8 кДж / моль -55528 кДж / кг -23,9 БТЕ / фунт
Теплота (энтальпия) образования -75,00 кДж / моль -4675 кДж / кг -2010 БТЕ / фунт
log KOW (коэффициент распределения октанол / вода) 1,09
Температура плавления 90.55 K -182,6 ° C -296,7 ° F
Молекулярная масса 16,042 г / моль 0,03537 фунт / моль
Растворимость в воде 0,022 мг / мл
Скорость звука 446 м / с
Удельный вес (плотность относительно воздуха ), 0 ° C / 32 ° F 0. 554
Коэффициент удельной теплоемкости — Cp / Cv 1,31
Удельный объем 0,0244 м 3 / моль 1,52 м 3 / кг 784,44 футов 3 / снаряд 24,38 футов 3 / фунт
Стандартная молярная энтропия, S ° 186 Дж / моль K 11.59 кДж / кг K 2,77 БТЕ / фунт ° F
Поверхностное натяжение при -161 ° C / -258 ° F 14 дин / см 0,014 Н / м
Теплопроводность 0,0339 Вт / м ° C 0,019587 БТЕ / час фут ° F
Давление в тройной точке 0,011696 МПа = МН / м 2 0. 117 бар 0,115 атм 1,70 psi = фунт-сила / дюйм 2
Температура трех точек 90,69 K -182,456 ° C -296,42 ° F
Давление пара (насыщения) 62,12 МПа = МН / м 2 466000 мм рт. Ст. 613,07 атм 9010 psi = фунт-сила / дюйм 2
Давление пара (насыщения) при 38 ° C / 100 ° F 34.47 МПа = МН / м 2 258574 мм рт. Ст. 340,18 атм 4999 фунтов на кв. сП 7,44 [фунт м / фут с * 10 -6 ] 0,23 [фунт фут с / фут 2 * 10 -6 ]
Вязкость, кинематическая 17. 08 сСт 183,8 [фут2 / с * 10-6]

В начало

Перейдите по ссылкам ниже, чтобы получить значения перечисленных свойств метана при различных давление и температура :

См. также дополнительную информацию об атмосферном давлении и STP — Стандартная температура и давление и NTP — Нормальная температура и давление,
, а также Теплофизические свойства из: Ацетон, Ацетилен, Воздух, Аммиак, Аргон , Бензол, бутан, двуокись углерода, окись углерода, этан, этанол, этилен, гелий, водород, сероводород, метанол, азот, кислород, пентан, пропан, толуол, вода и тяжелая вода, D 2 O.

Метан — это газ при стандартных условиях. Однако при низкой температуре и / или высоком давлении газ становится жидкостью или твердым телом.

Фазовая диаграмма метана показывает фазовое поведение при изменении температуры и давления. Кривая между критической точкой и тройной точкой показывает температуру кипения метана при изменении давления.

В критической точке нет изменения состояния при повышении давления или добавлении тепла.

Тройная точка вещества — это температура и давление, при которых три фазы (газовая, жидкая и твердая) этого вещества сосуществуют в термодинамическом равновесии.

Стехиометрическое сгорание

Стехиометрическое или теоретическое сгорание — это идеальный процесс сгорания, при котором топливо сгорает полностью.

Полное сгорание — это процесс сжигания всего углерода (C) до (CO 2 ), всего водорода (H) до (H 2 O) и всей серы (S) до (SO 2 ).

При наличии несгоревших компонентов в выхлопном газе, таких как C, H 2 , CO, процесс сгорания не завершен и не стехиометрический.

Процесс горения может быть выражен:

[C + H (топливо)] + [O 2 + N 2 (воздух)] -> (Процесс горения) -> [CO 2 + H 2 O + N 2 (тепло)]

где

C = углерод

H = водород

O = кислород

N = азот

Для определения избытка воздуха или избытка топлива для системы сгорания мы начинаем со стехиометрического воздуха -топливного отношения .Стехиометрическое соотношение — это идеальное соотношение топлива при правильном соотношении химического состава. При сжигании всего топлива и воздуха расходуется без остатка .

Технологическое отопительное оборудование редко используется таким образом. «Нормальное» сжигание , используемое в котлах и высокотемпературных технологических печах, обычно включает небольшое количество избыточного воздуха — примерно на 10-20% больше, чем необходимо для полного сжигания топлива.

Если в горелку подается недостаточное количество воздуха, из котла выходит несгоревшее топливо, сажа, дым и окись углерода, что приводит к загрязнению поверхности теплопередачи, загрязнению, снижению эффективности сгорания, нестабильности пламени и потенциалу взрыва .

Во избежание неэффективных и небезопасных условий котлы обычно работают с избыточным воздухом. Этот избыточный уровень воздуха также обеспечивает защиту от недостаточного количества кислорода, вызванного изменениями в составе топлива и «рабочими скачками» в системе управления топливом и воздухом. Типичные значения избытка воздуха указаны для различных видов топлива в таблице ниже.

  • , если содержание воздуха выше стехиометрического отношения — смесь называется обедненной топливом
  • , если содержание воздуха меньше стехиометрического отношения — смесь богатая топливом

Пример — стехиометрический Сжигание метана — CH 4

Самый распространенный окислитель — воздух.Химическое уравнение стехиометрического горения метана — CH 4 — с воздухом может быть выражено как

CH 4 + 2 (O 2 + 3.76 N 2 ) -> CO 2 + 2 H 2 O + 7,52 N 2

Если подается больше воздуха, часть воздуха не будет участвовать в реакции. Дополнительный воздух называется избыточный воздух , но также можно использовать термин теоретический воздух . 200% теоретического воздуха — это 100% избыток воздуха.

Химическое уравнение для метана, сжигаемого с 25% избытком воздуха, может быть выражено как

CH 4 + 1,25 x 2 (O 2 + 3,76 N 2 ) -> CO 2 + 2 H 2 O + 0,5 O 2 + 9,4 N 2

Избыточный воздух и O 2 и CO 2 в дымовых газах

Приблизительные значения для CO 2 и O 2 дюймов дымовой газ в результате избытка воздуха оценивается в таблице ниже:

Избыточный воздух
%
Углекислый газ — CO 2 — в дымовых газах (% объема ) Кислород в дымовых газах Газ для всех видов топлива (% объема )
Природный газ Пропан Бутан Мазут Битуминозный уголь Антрацитовый уголь
0 12 14 .5 18 20 0
20 10,5 12 13,5 15,5 16,5 3
40 9 10 12 13,5 14 5
60 8 9 10 12 12,5 7,5
80 7 8 9 11 11.5 9
100 6 6 8 9,5 10 10

Топливо и химикаты — Температура самовоспламенения

Температура самовоспламенения — или

«минимальная температура, необходимая для воспламенения газа или пара в воздухе без наличия искры или пламени»

указаны для обычных видов топлива и химикатов ниже:

343

Изобутан

Топливо или химикаты Самовоспламенение
Температура
( o C)
Ацетальдегид 175
Уксусная кислота 427
Ацетон, пропанон 465
Acentlene25 305
Акрол в 220
Акронитрил 481
Аллиламин 374
Анилин 615
Антрацит — точка накала 600
Бензальдегид 600
Бензол 498
Битуминозный уголь — точка накала 454
Бутадиен 420
Бутанал 218
Бутан 405
1-Бутанол
Бутилацетат 421
Бутиловый спирт 345
Бутилметилкетон 423
Углерод 700
Дисульфид углерода, CS 2 90
Окись углерода 609
Древесный уголь 349
Каменноугольное масло 580
Кокс 700
Циклогексан 300 245
Циклогексан

Циклогексанон 420
Циклопропан 498
Дихлорметан 600
Диэтиламин 312
Диэтиловый эфир
18024

Диэтиловый эфир 18024
Диэтиламин 662
Дизель, Jet A-1 210
Диизобутилкетон 396
Диизопропиловый эфир 443
Диметилсульфат 188
Диметилсульфид 206
Диметилсульфоксид 215
Додекан, дигексил 203
Эпихлоргидрин 416
Этан

Этан , этен 450
Этиламин 385
Этилацетат 410
Этиловый спирт (этанол) 363
Этиленоксид 570
Формальдегид 424
Мазут No.1 210
Мазут № 2 256
Мазут № 4 262
Фурфурол 316
Спирт фурфурол 491
Тяжелый углеводороды 750
Гептан 204
Гексан 223
Гексадекан, цетан 202
Водород 500
Газойль 336 900

Бензин, Бензин 246-280
Глицерин 370
Оружейный хлопок 221
Керосин (парафин) 210
Изобутан 462
465
Изобутил спирт 426
Изооктан 447
Изопентан 420
Изопрен 395
Изопропиловый спирт 399
Изофорон

Изофорон

264
Изононан 227
Изопропиловый спирт 399
Легкий газ 600
Легкие углеводороды 650
Лигнит — точка накала 526 900
Магний 473
Метан (природный газ) 580
Метанол (метиловый спирт) 464
Метиламин 430
Метилацетат 455
Метилэтилкетон 516
Нафта 230
Неогеаксан 425
Неопентан 450
Нитробензол 480

Nitrobenzine 480 Глицер
254
н-бутан 405
н-гептан 215
н-гексан 225
н-октан 220
н-пентан 260
n-Pentene 298
Дуб — сухой 482
Бумага 218 — 246
Паральдегид 238
Торф 227
Нефть 400
Бензин Эум эфир 288
Древесина сосна сухая 427
Фосфор аморфный 260
Фосфор прозрачный 49
Фосфор белый 34
Добывающий газ 750
Пропанал 207
Пропан 455
Пропилацетат 450
Пропиламин 318
Пропилен (пропен)
Пиридин 482
п-Ксилол 530
Пистолетный порох 288
Тетрагидрофуран 321
Триэтиламин 24

5 — 20
Толуол 480
Уголь полуантрацитовый 400
Уголь полубитуминозный — точка накала 527
Силан <21
Стирол 490
Сера 243
Тетрагидрофуран 321
Толуол 530
Трихлорэтилен 420
Дерево 300
o

Дерево 300
o
м-ксилол 527
п-ксилол 528

Диапазон воспламеняемости (взрывоопасности) — это диапазон концентрации газа или пара, который воспламенится или взорвется при введении источника воспламенения .Предельные концентрации обычно называют нижним пределом взрывоопасности или воспламеняемости (НПВ / НПВ) и верхним пределом взрывоопасности или воспламеняемости (ВПВ / НПВ) .

Ниже предела взрывоопасности или воспламеняемости смесь слишком бедная, чтобы гореть. Выше верхнего предела взрывоопасности или воспламеняемости смесь слишком богата для горения. Температура самовоспламенения — это не то же самое, что точка воспламенения — точка вспышки указывает, как easy может гореть химическое вещество.

Глава 11: Горение (Обновлено 31.05.10)

Глава 11: Горение (Обновлено 31.05.10)

Глава 11: Сжигание
(Спасибо
Дэвид
Bayless
за помощь в письменной форме.
этот раздел)

Введение — До этого
точка тепла Q во всех задачах и примерах была либо заданной
значение или было получено из отношения Первого закона.Однако в различных
тепловые машины, газовые турбины и паровые электростанции тепло
полученные в процессе сгорания с использованием твердого топлива (например,
уголь или дрова). жидкое топливо (например, бензин, керосин или дизельное топливо),
или газообразное топливо (например, природный газ или пропан).

В этой главе мы познакомимся с химией и
термодинамика горения типовых углеводородных топлив — (C x H y ),
в котором окислителем является кислород, содержащийся в атмосферном воздухе.
Обратите внимание, что мы не будем рассматривать сжигание твердого топлива или
сложные смеси и смеси углеводородов, входящих в состав
бензин, керосин или дизельное топливо.

Атмосферный воздух содержит
примерно 21% кислорода (O 2 )
по объему. Остальные 79% «прочих газов» в основном
азот (N 2 ), поэтому
предположим, что воздух состоит из 21% кислорода и 79% азота
объем. Таким образом, каждый моль кислорода, необходимый для окисления углеводорода, равен
сопровождается 79/21 = 3,76 моля азота. Используя эту комбинацию
молекулярная масса воздуха становится 29 [кг / кмоль]. Обратите внимание, что это
предполагается, что азот обычно не подвергается каким-либо химическим воздействиям.
реакция.

Процесс горения
Основной процесс сгорания можно описать с помощью топлива (
углеводород) плюс окислитель (воздух или кислород) под названием Реагенты ,
которые подвергаются химическому процессу, выделяя тепло, чтобы сформировать
Продукты
горения таким образом, что масса сохраняется. в
простейший процесс сгорания, известный как стехиометрический
Сгорание
, весь углерод в топливе
образует диоксид углерода (CO 2 )
и весь водород образует воду (H 2 O)
в продуктах, поэтому мы можем записать химическую реакцию следующим образом:

где
z известен как стехиометрический коэффициент для окислителя (воздуха)

Обратите внимание, что эта реакция дает пять неизвестных: z, a,
b, c, d, поэтому нам нужно решить пять уравнений.Стехиометрический
горение предполагает отсутствие в продуктах избыточного кислорода, поэтому
d = 0. Остальные четыре уравнения мы получаем в результате уравновешивания числа
атомов каждого элемента в реагентах (углерод, водород, кислород
и азота) с числом атомов этих элементов в
товары. Это означает, что никакие атомы не разрушаются и не теряются в
реакция горения.

Элемент

Количество в реактивах

=

Количество товаров

Сокращенное уравнение

Карбон (C)

x

a

а = х

Водород (H)

y

b = y / 2

Кислород (O)

2z

2a + b

г = а + б / 2

Азот (N)

2 (3.76) z

2c

c = 3.76z

Обратите внимание, что образующаяся вода может находиться в паре или
жидкая фаза, в зависимости от температуры и давления
продукты сгорания.

В качестве примера рассмотрим стехиометрическое горение
метана (CH 4 ) в атмосферном воздухе. Приравнивание моляра
коэффициенты реагентов и продуктов получаем:

Теоретическое соотношение воздух и воздух-топливо -The
минимальное количество воздуха, которое позволит полностью сгореть
топливо называется Теоретический
Air
(также именуемый
Стехиометрический воздух ).В этом случае продукты не содержат кислорода. Если мы поставляем
меньше теоретического воздуха, тогда продукты могут содержать углерод
монооксида (CO), поэтому обычной практикой является подача более
теоретический воздух, чтобы предотвратить это явление. Это превышение
Воздух
приведет к появлению кислорода в
продукты.

Стандартная мера количества воздуха, используемого в
процесс сгорания топлива воздух-топливо
Коэффициент
(AF), определяемый следующим образом:

Таким образом, учитывая только реагенты метана
при сжигании теоретическим воздухом, представленным выше, получаем:

Решенная задача 11.1 — дюйм
эту задачу мы хотим разработать уравнение горения и определить
соотношение воздух-топливо для полного сгорания н-бутана (C 4 H 10 )
с а) теоретическим воздухом и б) 50% избытком воздуха.

Анализ продуктов сгорания
— Горение всегда происходит при повышенных температурах и
мы предполагаем, что все продукты горения (включая воду
пар) ведут себя как идеальные газы. Поскольку у них другой газ
постоянных, удобно использовать уравнение состояния идеального газа в
условия универсальной газовой постоянной:

В анализе продуктов сгорания нет
представляет ряд интересных объектов:

  • 1) Что такое
    процентный объем конкретных продуктов, в частности диоксида углерода
    (CO 2 ) и углерода
    монооксид (CO)?

  • 2) Что такое роса
    точка водяного пара в продуктах сгорания? Это требует
    оценка парциального давления паровой составляющей воды
    продукты.

  • 3) Существуют экспериментальные методы объемного
    анализ продуктов сгорания, обычно проводится на Dry
    Базис
    , дающий процент объема
    всех компонентов, кроме водяного пара. Это позволяет просто
    метод определения фактического отношения воздух-топливо и использованного избыточного воздуха
    в процессе горения.

Для идеальных газов мы находим, что мольная доля y i
i-го компонента в смеси газов при определенном давлении P
а температура T равна объемной доле этого компонента.
Т.к. из молярного отношения идеального газа: P.V = N.R u .T,
у нас:

Кроме того, поскольку сумма составляющих объемов
V i должно равняться общему объему V, имеем:

Используя аналогичный подход, определяем частичную
давление компонента с использованием закона парциальных давлений Дальтона:

Решенная проблема 11.2 — В
эта проблема Пропан (C 3 H 8 )
сжигается с 61% избытком воздуха, который поступает в камеру сгорания при
25 ° С.Предполагая полное сгорание и полное давление 1 атм.
(101,32 кПа), определите а) соотношение воздух-топливо [кг-воздух / кг-топливо], б)
процентное содержание двуокиси углерода в продуктах, и c)
температура точки росы продуктов.

Решенная проблема 11,3 — дюйм
эта проблема Этан (C 2 H 6 )
сжигается атмосферным воздухом, и объемный анализ
сухие продукты сгорания дает: 10% CO 2 ,
1% CO, 3% O 2 и
86% № 2 .Разработать
уравнение горения, и определить а) процент избытка
воздух, б) соотношение воздух-топливо, и в) точка росы сгорания
товары.

Анализ горения по первому закону
Основная цель горения — выработка тепла за счет изменения
энтальпия от реагентов к продуктам. Из Первого Закона
уравнение в контрольном объеме без учета кинетической и потенциальной энергии
изменений и, если не делать никаких работ, имеем:

, где суммирование ведется по всем
продукты (p) и реагенты (r).N означает количество молей
каждого компонента, а h [кДж / кмоль] относится к молярной энтальпии
каждый компонент.

Поскольку существует ряд различных веществ
вовлечены, нам нужно установить общее эталонное состояние для оценки
энтальпии, обычно выбирают 25 ° C и 1 атм, что
обычно обозначается надстрочным индексом o. Проф. С. Бхаттачарджи из
Государственный университет Сан-Диего разработал экспертную систему на базе Интернета в
< www.thermofluids.net >
позвонил ТЕСТ
( т он
E xpert
S система
для Т гермодинамика)
в который он включил набор таблиц свойств идеального газа, все основанные на
по энтальпии h o =
0 по этой общей ссылке.Мы адаптировали некоторые из этих таблиц
специально для этого раздела, и их можно найти в
следующая ссылка:

Горение
Таблицы молярной энтальпии

В качестве примера снова рассмотрим полное сгорание
метана (CH 4 ) с теоретическим воздухом:

Обратите внимание, что в реагентах и ​​продуктах
В приведенном выше примере у нас есть основные элементы O 2 и N 2 как
а также соединения CH 4 ,
CO 2 и H 2 O.Когда соединение образуется, изменение энтальпии называется
Энтальпия
формации
, обозначается h f o ,
и для нашего примера:

Вещество

Формула

hfo [кДж / кмоль]

Двуокись углерода

CO 2 (г)

-393 520

Водяной пар

H 2 O (г)

-241 820

Вода

H 2 O (л)

-285 820

Метан

CH 4 (г)

-74,850

где (г) относится к газу, а (л) относится к
жидкость.

Знак минус означает, что процесс
Экзотермический ,
т.е. при образовании соединения выделяется тепло. Обратите внимание, что
энтальпия образования основных элементов O 2 и N 2 составляет
нуль.

Сначала рассмотрим случай, когда достаточно
теплопередача таким образом, чтобы и реагенты, и продукты находились на
25 ° C и давление 1 атм, и что водный продукт является жидким. поскольку
нет заметного изменения энтальпии, уравнение энергии принимает вид:

Это тепло (Qcv) называется энтальпией .
Горения
или Нагрева
Стоимость
топлива.Если продукты
содержат жидкую воду, тогда это Выше
Теплотворная способность
(как в нашем примере),
однако, если продукт содержит водяной пар, то это Lower
Теплотворная способность
топлива. В
энтальпия сгорания — это наибольшее количество тепла, которое может быть
выпущенный данным топливом.

Температура адиабатического пламени
Противоположная крайность приведенного выше примера, в котором мы оценили
энтальпия горения — это случай адиабатического процесса, в котором
тепло не выделяется.Это приводит к значительной температуре
увеличение продуктов сгорания (обозначается адиабатическим
Температура пламени
), которая может быть
уменьшается за счет увеличения воздушно-топливной смеси.

Решенная задача 11.4 — Определить
температура адиабатического пламени для полного сгорания
Метан (CH 4 )
с 250% теоретического воздуха в адиабатическом контрольном объеме.

Это уравнение может быть решено только итеративным
метод проб и ошибок с использованием таблиц Sensible
Энтальпия в зависимости от температуры
для всех четырех
составные части продукции — CO 2 ,
H 2 O, O 2 ,
и N 2 .Быстрый
приближение к температуре адиабатического пламени может быть получено следующим образом:
при условии, что продукты полностью состоят из воздуха. Такой подход был
представил нам Potter
и Somerton в их Schaum’s
Очерк термодинамики для инженеров
,
в котором они предположили, что все продукты имеют номер N 2 .
Мы считаем, что удобнее использовать воздух, принимая репрезентативное значение
специфики
Теплоемкость воздуха
: C p, 1000K = 1,142 [кДж / кг.K].

Таким образом, суммируя все моли продуктов, получаем:

Использование таблиц Sensible
Энтальпия в зависимости от температуры
мы оценили
энтальпия всех четырех продуктов при температуре 1280К.Этот
в результате общая энтальпия составила 802 410 [кДж / кмоль топлива], что составляет
чрезвычайно близкое к требуемому значению, что оправдывает такой подход.

Задача 11.5 —
Определите адиабатическую температуру пламени для
полное сгорание пропана (C 3 H 8 )
с 250% теоретического воздуха в адиабатическом контрольном объеме [T
= 1300 КБ].

______________________________________________________________________________________


Инженерная термодинамика, Израиль
Уриэли находится под лицензией Creative
Общедоступное авторское право — Некоммерческое использование — Совместное использование 3.0 США
Лицензия

Химическое циклическое сжигание метана: взгляд на развитие технологий

Метан — надежный и широко доступный источник энергии, встречающийся в природе в виде природного газа, биогаза, свалочного газа и т. Д. Производство чистой энергии с использованием метана может быть достигнуто за счет химического сжигания в контуре. Это теоретическое исследование химического петлевого горения метана было проведено для рассмотрения некоторых ключевых моментов развития технологии, чтобы помочь инженеру-технологу выбрать правильный носитель кислорода и условия процесса.Комбинированное максимальное образование продукта (H 2 O + CO 2 ), вес носителя кислорода, чистая энтальпия процесса CLC, образование побочных продуктов, выброс CO 2 из воздушного реактора и чистая энергия, получаемая на единицу веса ( грамм) носителя кислорода при горении с химическим контуром могут быть важными параметрами для работы ХЖК. Углерод, образующийся в топливном реакторе, окислялся в воздушном реакторе, что увеличивало чистую энергию, получаемую в процессе CLC, но приводило к выбросу CO 2 из воздушного реактора.Использование CaSO 4 в качестве носителя кислорода генерировало максимальную энергию (-5,3657 кДж, 800 ° C) на грамм носителя кислорода, используемого в процессе CLC, и было обнаружено, что это лучший носитель кислорода для CLC метана. Такое модельное исследование может быть полезно для определения потенциальных переносчиков кислорода для различных топливных систем CLC.

1. Введение

Спрос на энергию и, следовательно, производство энергии постоянно растет во многих частях мира. Ископаемые виды топлива на основе углерода являются основным источником энергии для реакций горения.Однако основным продуктом производства энергии с использованием ископаемого топлива путем сжигания является CO 2 , и растущее загрязнение CO 2 стало предметом серьезной озабоченности как в развитых, так и в развивающихся странах. CO 2 в основном выбрасывается из энергетического сектора, который использует уголь, нефть и природный газ для сжигания для выработки энергии для различных целей с использованием воздуха в качестве источника кислорода. Хотя улавливание и улавливание CO 2 прогнозируется как потенциальный вариант контроля выбросов парниковых газов, популярные технологии улавливания CO 2 сталкиваются с рядом ограничений, включая затраты и штрафы за электроэнергию [1, 2].Следовательно, эти дымовые газы напрямую выбрасываются в атмосферу без выделения CO 2 и становятся ответственными за экологические воздействия производства энергии из ископаемого топлива, например, за явления глобального потепления и изменения климата [3-5]. В 2010 году выбросы CO 2 уже увеличились до 389,0 частей на миллион, и сжигание ископаемого топлива является одной из основных причин того же, о чем сообщает Всемирная метеорологическая организация [6]. Это способствовало развитию чистых энергетических технологий в качестве основной области исследований во всем мире.Химическое горение с замкнутым контуром (CLC) — это развивающаяся технология экологически чистой энергии для выработки энергии с использованием широко доступных видов топлива, а также обеспечивает готовый к секвестрации поток CO 2 [7, 8]. CLC использует твердый носитель кислорода (OC) для окисления углерода и водорода в ископаемом топливе до CO 2 и H 2 O в эндотермическом топливном реакторе. Восстановленный ОК регенерируется окислением на воздухе в экзотермическом воздушном реакторе [9, 10] на следующем этапе. Оба реактора соединены между собой и работают одновременно.Считается, что энергия, выделяемая в системе CLC, имеет такую ​​же величину, что и при прямом сжигании, но с решающим преимуществом наличия отдельного потока CO 2 [11, 12]. Чистый пар CO 2 можно легко улавливать / улавливать, тем самым снижая выбросы CO 2 в атмосферу [13].

Развитие технологии горения с химическим контуром требует относительно дешевой и долгосрочной доступности топлива и носителя кислорода. Ископаемое топливо, такое как метан, широко доступно в виде природного газа во многих странах [14–21].Он также доступен в виде биогаза [22–25], свалочного газа [26–31], газовых гидратов [32–35] и метана угольных пластов [36] и может образовываться из других органических отходов [37–40] и это основной источник энергии путем сжигания во всем мире [41]. Выбор подходящего окси

Влияние цетанового числа на удельный расход топлива и твердые частицы и несгоревшие выбросы углеводородов из дизельных двигателей

В этой статье обсуждается влияние времени задержки воспламенения в дизельных двигателях на образование твердых частиц с использованием топливных составов с разным содержанием серы из разных источников.Наши результаты показывают, что цетановое число оказывает значительное влияние на выбросы твердых частиц, особенно в двигателях с механическим впрыском топлива. Максимальное давление в камере сгорания увеличивается по мере увеличения цетанового числа, способствуя усилению реакций крекинга высокомолекулярных фракций, оставшихся в жидком состоянии, и, таким образом, увеличивая образование твердых частиц. В определенных условиях это повышение давления оказывает положительное влияние на тепловой КПД цикла.Более высокие температуры в камере сгорания увеличивают скорость окисления, уменьшая выбросы несгоревших углеводородов. Время задержки воспламенения топлива оказывает сильное влияние на образование твердых частиц и выброс несгоревших углеводородов.

1. Введение

Цетановое число (CN) — это эмпирический параметр, связанный с временем задержки воспламенения дизельного топлива, который определяется с помощью стандартных испытаний на основе стандарта ASTM D613 [1]. Задержка зажигания — это временной интервал между началом впрыска топлива и началом реакции окисления.Период задержки зажигания начинается с впрыска топлива и состоит из периодов физической и химической задержки до момента самовоспламенения [2]. Топливо с высоким CN имеет очень короткое время задержки воспламенения; то есть возгорание происходит через очень короткий промежуток времени после начала впрыска. И наоборот, чем больше время задержки зажигания, тем ниже CN. Время задержки зажигания в двигателях с дизельным циклом является фундаментальным параметром для эффективного управления процессом сгорания, обеспечивая высокий тепловой КПД за счет максимального давления, близкого к 15 ° после достижения верхней мертвой точки (ВМТ), с которой достигается максимальный крутящий момент, характерный для дизельного цикла. двигателей получается [3].Время задержки зажигания зависит от нескольких физико-химических явлений, связанных с природой топлива, таких как молекулярная структура, летучесть, вязкость, поверхностное натяжение и механические характеристики двигателей, такие как степень сжатия, давление в системе впрыска и впрыск. угол [4]. Время задержки зажигания может быть выражено в миллисекундах или угле впрыска после ВМТ [5, 6].

Топливо, содержащее высокие концентрации n -парафинов, обычно имеет низкое время задержки воспламенения, поскольку энергия активации для образования свободных радикалов и начала процесса окисления мала по сравнению с изопарафинами и ароматическими соединениями, которые имеют стабильную молекулярную структуру и требуют высоких температуры и давления для начала горения [7].Неустойчивость топлива также оказывает значительное влияние на время задержки. Во время впрыска топливо в форме капель контактирует с нагретым воздухом внутри камеры сгорания, и передача тепла происходит за счет конвекции, теплопроводности и излучения. Радиационная теплопередача изначально низкая, и топливо нагревается в основном за счет теплопроводности и конвекции. При испарении топливо забирает энергию из самой капли, охлаждая окружающую среду и увеличивая время задержки воспламенения. Топливо для дизельных двигателей с низкой летучестью и высоким цетановым числом препятствует образованию однородной смеси [8], затрудняя процесс горения топлива.Высокая вязкость обеспечивает больший диаметр капель и высокое проникновение топливной струи. Использование топлива с высокой вязкостью препятствует испарению, способствуя образованию капель большого диаметра и вызывая неполное сгорание из-за большого проникновения топливной струи, препятствуя холодному запуску и увеличивая выбросы несгоревших углеводородов (УВ) и твердых частиц (ТЧ) [ 9–11].

Кривые дистилляции предоставляют информацию, которая позволяет соотнести качество топлива с характеристиками двигателя.Температура 10% извлеченных улетучивающихся газовых фракций отражает легкость испарения, в то время как температура 90% этих фракций указывает на присутствие высокомолекулярных соединений, которые будет трудно полностью испариться, что способствует выделению твердых частиц (PM ) и несгоревшие углеводороды (УВ) [6], а также отложения в двигателе [12]. Топливо с низким CN может также увеличивать выбросы ТЧ, поскольку сгорание начинается на заключительной стадии цикла расширения, когда температура внутри камеры снижается, что снижает скорость окисления, что, в свою очередь, увеличивает концентрацию несгоревших углеводородов, которые конденсируются на поверхности, вызывая увеличение массы твердых частиц [9, 13–15].

Сера, которая присутствует в форме меркаптанов, окисляется с образованием побочных продуктов — предшественников сульфата кислоты (), которые осаждаются на поверхности катализатора [16–18]. Присутствие меркаптанов в концентрациях, обычно обнаруживаемых в топливе, не влияет на характеристики самовоспламенения в какой-либо заметной степени, но образование в продуктах сгорания способствует зародышеобразованию частиц, способствуя увеличению выбросов ТЧ, в то время как другие более мелкие частицы могут накапливаться. и растут за счет гигроскопического эффекта топливной серы [3, 16, 17, 19, 20].

CN также влияет на удельный расход топлива с тенденцией к снижению расхода топлива по мере увеличения CN из-за более высокой температуры процесса сгорания, улучшая тепловые характеристики двигателя [3]. Новые автомобили, оборудованные системой впрыска топлива под высоким давлением с электронным управлением, требуют топлива с высоким CN. Меньшие двигатели с высоким отношением мощности к весу работают на высоких оборотах. Новые системы впрыска топлива с электронным управлением и системы дожигания показали удовлетворительные результаты, соответствующие действующим нормам [21].Однако следует отметить, что подавляющее большинство транспортных средств, находящихся в обращении в развивающихся странах, включая Бразилию, оснащено механическим впрыском топлива, новые спецификации дизельного топлива которых не подходят для двигателей этого типа.

В этой работе обсуждается влияние времени задержки воспламенения различных составов дизельных масел, продаваемых в Бразилии (S50, S500 и S1800), на выбросы твердых частиц и несгоревших углеводородов, а также на удельный расход топлива при использовании одноцилиндрового дизельного двигателя с механическим топливом. датчики впрыска и давления, расположенные внутри камеры сгорания и в топливопроводе между ТНВД и инжектором.Полученные результаты показывают, что присутствие большого количества серы в топливе незначительно увеличивает выбросы твердых частиц, и что время задержки воспламенения оказывает значительное влияние на выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. По мере увеличения цетанового числа температура в камере сгорания увеличивается, способствуя образованию твердых частиц из-за термического крекинга, что, в свою очередь, увеличивает скорость окисления и снижает выбросы несгоревших углеводородов и удельный расход топлива.

2. Экспериментальная
2.1. Топливо

Топливо, используемое для оценки влияния времени задержки воспламенения на выбросы твердых частиц и несгоревших углеводородов, а также на удельный расход топлива в двигателях с дизельным циклом, представляет собой топливо, которое Petrobras обычно продает на бразильском рынке. Влияние цетанового числа на образование твердых частиц и несгоревших углеводородов, а также на удельный расход топлива оценивалось на основе топлива, модифицированного вторичными стандартами (U17 и T23), поставляемого Chevron-Phillips.В таблице 1 перечислены физико-химические свойства топлива и вторичных стандартов, использованных в этом исследовании.

99 338

10


Удельный вес
(кг · м -3 )
10% (° C) 50% (° C) 90% (° C) Кинематическая вязкость
(мм 2 с −1 )
Температура вспышки (° C) Сера (мг л −1 ) CN

ASTM D D86 D86 D86 D445 D93 D7039 D613
S10_50 839,4 209 264 2499

50
S300_45 850,2 180 268 376 2,89 67,5 327 45
S450_44 924 99 206 271 357 3,26 68 452 44
S1400_51 825,6 164 259 361 2,41 1370 51
U17 783,1 161 177 216 1,10 81 1 18
T23 792,300 218 250 273 2,15 158 127 76

Влияние времени задержки зажигания на удельный расход топлива и содержание загрязняющих веществ в атмосфере (MP и HC ) выбросы были оценены с использованием топлива, которое далее именуется S10_50, S300_45, S450_44 и S1400_51, которые классифицируются в соответствии с содержанием серы и CN и были модифицированы в с вторичными стандартами (U17 и T23) для получения аналогичных составов, но с измененным CN.Концентрация серы была немного изменена из-за состава со вторичными стандартами, содержание которых отличается от содержания базового топлива. С этой целью топлива S10_50 и S1400_51, чье CN близко к 50, были модифицированы вторичным стандартом U17 для получения составов (S10_45 и S1100_45) с CN 45. Топливо S300_45 и S450_44 с CN близким к 45 были изменен вторичным стандартом T23 для получения составов (S300_50 и S400_50) с CN 50.

2.2. Рабочие характеристики двигателя и процесс отбора проб

Испытания для оценки времени задержки зажигания, удельного расхода топлива и выбросов твердых частиц и несгоревших углеводородов были выполнены на одноцилиндровом двигателе мощностью 7,0 л.с. Тояма, 250 см 3 , работающем на 80% максимальная мощность, с механическим впрыском топлива под углом 13,5 ° перед ВМТ, средним давлением впрыска 150 бар, степенью сжатия 21: 1, 3600 об / мин и 10% O 2 в выхлопных газах. Время задержки воспламенения оценивалось на основании сигналов давления в топливной магистрали перед форсункой и давления внутри камеры сгорания с использованием индуктивных датчиков давления Optrand.Время задержки воспламенения топлива — это время, прошедшее между открытием форсунки форсунки и повышением давления в камере сгорания после ВМТ в результате увеличения количества компонентов из-за реакций окисления, что соответствует точке перегиба на кривой давления. Очень точную оценку времени задержки воспламенения каждого анализируемого топлива можно получить, используя осциллограф для наблюдения электрических сигналов профилей давления внутри камеры сгорания и системы впрыска, зафиксированных датчиками.

ТЧ в потоке выхлопных газов измеряли путем прямой фильтрации с использованием стеклянного микроволоконного фильтра Macherey-Nagel диаметром 47 мм и взвешивания ТЧ, оставшихся в фильтре. Газовый поток откачивали через фильтрующий элемент, и после его охлаждения расход измеряли с помощью расходомера Sensirion с номинальной емкостью до 20 нл мин. -1 . Количественное определение ТЧ в мг м -3 основывалось на массе ТЧ, удерживаемой в фильтре, деленной на объем отобранного газа, который был получен путем численного интегрирования потока газа.Средняя температура фильтрующего элемента составляла 470 ° C, и ее регулировали с помощью печи с электронным контролем температуры, чтобы собранные ТЧ оставались сухими, а летучие углеводороды конденсировались после отделения от ТЧ.

Жидкая фракция выхлопных газов дизельных двигателей состоит из несгоревших и частично окисленных углеводородов, которые конденсируются вместе с водяным паром, образующимся при сгорании. Часть водяного пара в выхлопных газах конденсируется при охлаждении газового потока после сбора твердых частиц.Общее количество углеводородов в форме метана (CH 4 ) было количественно определено с использованием методики, аналогичной описанной в стандарте ASTM D6591 [22], путем проточного окисления образца в атмосфере кислорода. Двуокись углерода (CO 2 ) анализировали на газовом хроматографе, оборудованном детектором теплопроводности (Shimadzu GC / TCD-17A).

3. Результаты и обсуждение

На рисунке 1 представлены профили давления в камере сгорания для базовых топлив с самым высоким CN (S10_50 и S1400_51) и их соответствующих составов (S10_45 и S1100_45) с более низким CN.Как видно из профилей давления в камере сгорания, с увеличением ЧН время задержки воспламенения уменьшается. По мере уменьшения времени задержки воспламенения максимальное давление во время фазы расширения процесса сгорания выше, чем у топлива с более низким CN.

Профиль давления топлива S300_45 и S450_44, рисунок 2, показал более высокое время задержки воспламенения, чем их соответствующие составы S300_50 и S400_50. Как можно видеть, эффект снижения CN снижает максимальное давление после ВМТ, уменьшая крутящий момент и максимальную температуру в камере, что напрямую влияет на выбросы ТЧ и несгоревших углеводородов.

На рисунке 3 показан поток газа через фильтрующий элемент как функция времени отбора проб топлива S10_50 и S10_45, S450_44 и S400_50. Как можно видеть, поток газа через фильтрующий элемент с использованием начального перепада давления 300 мбар, установленного игольчатым клапаном как функция времени отбора пробы, указывает на то, что поток газа остается на более высоком уровне для топлива с более низким CN, что приводит к меньшее накопление PM.