Thành phần sản phẩm cháy
Sau khi phản ứng cháy sinh ra, ngoài nhiệt lượng ta còn thu được một hỗn hợp khí gồm các thành phần chính sau:
- CO2 : được tạo ra từ sự cháy cacbon.
- H2O : được tạo ra từ sự cháy hydro.
- N2 : là thành phần chính của không khí. Để phản ứng cháy xẩy ra, ta cần cung cấp không khí. Do nitơ không tham gia phản ứng cháy nên sẽ theo sản phẩm cháy.
- Oxy : cũng là một thành phần chính của không khí. Do ta thường cung cấp dư không khí nên còn một phần oxy không tham gia phản ứng cháy.
Nếu ta cung cấp không đủ không khí, thì một lượng CO được tạo ra và có trong sản phẩm cháy.
Lượng sản phẩm cháy
Lượng sản phẩm cháy được xác định dựa vào phương trình cháy thực tế. Phương trình này được thành lập qua các bước sau:
- Trước hết lập phương trình cháy lý thuyết (phương trình A) giữa nhiên liệu và oxy.
- Điều chỉnh phương trình A bằng cách đưa thêm vào hai vế lượng nitơ tương ứng với lượng oxy sử dụng. Ta thu được phương trình B.
- Điều chỉnh phương trình B bằng cách tính đến lượng không khí thừa. Ta thu được phương trình cháy thực tế.
Xác định lượng nitơ trong phương trình cháy
Để xác định số kmol nitơ trong phương trình cháy ở bước 2, ta căn cứ vào các điểm sau:
- Thành phần mol của oxy trong không khí là 21%
- Như vậy để có 1 kmol oxy, ta cần có 1 / 0,21 = 4,76 kmol không khí.
- Trong 4,76 kmol không khí này có 1 kmol oxy và 4,76 - 1 = 3,76 kmol nitơ.
Nói cách khác, số kmol nitơ bằng 3,76 lần số kmol oxy.
Thí dụ
Một thiết bị sử dụng mỗi giờ 14 kg heptan C7H16. Quá trình cháy sử dụng thừa 20% không khí so với giá trị lý thuyết. Sản phẩm cháy được đưa ra ngoài qua một ống khói hình trụ có đường kính là 250 mm. Nhiệt độ trung bình của sản phẩm cháy trong ống khói là 150ºC và áp suất trung bình là 0,95 bar. Tính vận tốc sản phẩm cháy khi di chuyển trong ống khói theo đơn vị m/s.
Lời giải
Để tính được vận tốc sản phẩm cháy khi di chuyển trong ống khói, trước hết ta cần tính được lượng sản phẩm cháy dựa trên phương trình cháy thực tế qua các bước.
Phương trình cháy lý thuyết (phương trình A):
C7H16 + 11 O2 → 7 CO2 + 8 H2O
Điều chỉnh phương trình A bằng cách đưa thêm nitơ vào hai vế. Số kmol nitơ là `3,76xx11=41,36`.
C7H16 + 11 O2 + 41,36 N2 → 7 CO2 + 8 H2O + 41,36 N2
Tiếp tục điều chỉnh phương trình vừa thu được bằng cách tính đến lượng không khí cung cấp thừa 20%. Ta có:
- số kmol oxy cung cấp thực tế : 1,2 × 11 = 13,2
- số kmol nitơ cung cấp thực tế : 1,2 × 41,36 = 49,63
- số kmol oxy dư trong sản phẩm cháy : 13,2 - 11 = 2,2
Do đó phương trình cháy thực tế là:
C7H16 + 13,2 O2 + 49,63 N2 → 7 CO2 + 8 H2O + 49,63 N2 + 2,2 O2
Vậy nếu ta đốt 1 kmol heptan (hay 100 kg), số kmol sản phẩm cháy thu được là:
`m_(spc)=7 + 8 + 49,63 + 2,2 =66,83\ "kmol"`
Vậy lượng sản phẩm cháy do thiết bị đang xem xét tạo ra trong mỗi giờ là:
`m=14/100xx66,83=9,356\ "kmol"`
Với điều kiện về nhiệt độ và áp suất của ống khói, thể tích của sản phẩm cháy sẽ là:
`V=(mR_(mu)T)/p=(9,356xx8314xx(150+273))/(0,95xx10^5)=346\ "m"^3`
Và vận tốc trung bình của sản phẩm cháy trong ống khói là:
`omega=(V/3600)/((piD^2)/4)=((346,4)/3600) / ((3,14xx0,25^2)/4)=1,961\ "m/s"`