Verbranding

in Wikipedia, die vrye ensiklopedie
Spring na: navigasie, soek
Vlamme ontstaan as gevolg van die verbranding van 'n brandstof

Verbranding is 'n komplekse reeks eksotermiese chemiese reaksies tussen 'n brandstof en 'n oksideermiddel wat gepaard gaan met die afgee van of hitte of beide hitte en lig in die vorm van 'n gloed of vlamme.

Direkte verbranding deur atmosferiese suurstof is 'n reaksie wat aangehelp word deur radikale tussenverbindings. In 'n volledige verbrandingsreaksie reageer 'n verbinding met 'n oksiderende element, soos suurstof of fluoor en die produkte van elke element in die brandstof met die oksideermiddel. Byvoorbeeld:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
CH2S + 6F2 → CF4 + 2HF + SF6

'n Eenvoudiger voorbeeld kan gesien word in die verbranding van waterstof en suurstof wat dikwels gebruik word in vuurpylmotore:

2H2 + O2 → 2H2O + warmte

Die produk van verbranding is suiwer waterdamp.

In die oorgrote meerderheid gevalle waar verbranding plaasvind is lug die bron van suurstof (O2). In lug is elke kilogram suurstof teenwoordig gemeng met ongeveer 3.76 kg stikstof. Die gevolg daarvan is dat die produk van verbranding stikstof sal bevat soos geïllustreer kan word deur die chemiese vergelyking vir die verbranding van metaangas:

CH4 + 2O2 + 7.52N2 → CO2 + 2H2O + 7.52N2 + warmte

As lug die bron van suurstof is, is stikstof by verre die grootste bestandeel van die uitlaatgas.

Verbrandingsprosesse is in werklikheid nooit geheel en al volledig nie. Tydens verbranding van koolstof of koolstofverbindings is beide onverbrande koolstof (roet) en koolstofverbindings soos koolstofmonoksied teenwoordig. As lug die oksideermiddel is sal van die stikstof in die lug ook geoksideer word om stikstofoksiede (NOx) te vorm.

Hitte van verbranding[wysig]

Die hitte van verbranding of hittewaarde (\Delta H_c^\circ) is die energie wat vrygestel word wanneer die stof volledig verbrand met suurstof (O2) onder standaardkondisies. Dit word gemeet in die energie vrygestel per massa van die stof, bv kJ/kg, kJ/kmol, kkal/kg, ens.

Die chemiese reaksie is tipies die koolwaterstof wat reageer met suurstof om koolsuurgas (koolstofdioksied - CO2), waterdamp (H2O(g)) en hitte te vorm. Indien bv metaan verbrand word, is die reaksie dus:

\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + \text{Hitte}

Bruto en netto hittewaarde[wysig]

Hoër of bruto hittewaarde (HHW)

Dit is dieselfde as die termodinamiese hitte van verbranding. Die HHW sluit die energie in wat gebruik is om die water te verdamp (kyk Bepaling van hittewaarde later in die artikel).


Laer of netto hittewaarde (LHW)

Dit is die bruto hittewaarde minus die energie wat gebruik is om die water te verdamp. Dit neem dus nie die energie in die waterdamp in ag nie.


In 'n verbrandingsoond is die uitlaatgasse hoër as die kookpunt van water, dus verlaat die waterdamp die oond as waterdamp. Die latente hitte van die gas word dus in effek verloor na die atmosfeer. Daarom word daar onderskei tussen die bruto en netto hittewaarde.

Bepaling van hittewaarde[wysig]

Die hittewaarde van 'n stof word bepaal deur die gas te verbrand en die verskil in entalpie te bepaal voor en na verbranding. Dit word gewoonlik met 'n kaloriemeter gedoen.

Daar is basies twee verskillende maniere om dit te doen:

  1. Meet uitlaat temperatuur en bereken verhoging van entalpie
  2. Koel die uitlaatgas af met water en bereken die verhoging van entalpie


Om dit te beter te verduidelik, kom ons bepaal die hittewaarde van metaangas (CH4) deur die finale temperatuur te meet wanneer metaan met lug verbrand word:


Bepaal die verbrandingsreaksie

Dit is algemene kennis dat die verbrandingsreaksie van metaan met suurstof die volgende is:

\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + \text{Hitte}

(Onthou om die reaksie te balanseer.)

Gebruik hierdie gebalanseerde reaksie om te bepaal wat die minimum suurstof nodig is om al die metaan te reageer.

LW: Dit maak nie saak hoeveel lug gebruik word nie, solank dit genoeg is sodat die suurstof in oormaat is. Hoe meer die suurstof in oormaat is, hoe kouer gaan die finale temperatuur wees, omdat meer van die gegenereerde energie gebruik gaan moet word om die oormaat produkte te verhit.


Voeg reagense bymekaar

Dit is baie belangrik om presies te weet hoeveel metaan en hoeveel lug aan die begin is (onthou, die suurstof moet effens in oormaat wees). Een manier om dit te doen is om die kaloriemeter te vul met lug (dit kan bloot geventileer word met lug). Die kaloriemeter se volume moet bekend wees, dus weet mens hoeveel lug in die kaloriemeter is deur van die ideale gaswet (PV=nRT) gebruik te maak (die kaloriemeter kan die druk en temperatuur meet). Pomp nou metaangas in die kaloriemeter tot 'n sekere druk. Die hoeveel metaan wat bygevoeg is kan weer bepaal word deur die ideale gaswet (deur van die druk en temperatuur gebruik te maak). Neem die begintemperatuur van die mengsel. Daar moet ook 'n oormaat

Veronderstel daar is aan die begin 1 kmol metaan en 10 kmol lug. Indien lug bestaan uit 21% suurstof, dan is daar 2.1 kmol suurstof in die mengsel. (Stoigiometries het 'n mens 2 mol suurstof nodig vir elke mol metaan.)


Ontsteek die mengsel

'n Kaloriemeter het 'n elektriese ontstekingsmeganisme om die mengsel te ontsteek. Nadat die mengsel ontsteek is, wag tot die reaksie volledig verloop (uitbrand) het en neem die temperatuur.

Die volgende tabel dui aan hoeveel jy van elke komponent het voor en na die reaksie:

CH4 O2 N2 CO2 H2O Totaal
Voor reaksie 1 2.1 7.9 0 0 11
Reageer -1 -2 0 1 2 0
Na reaksie 0 0.1 7.9 1 2 11
Finale molfraksie (x) 0.00% 0.91% 71.82% 9.09% 18.18% 100%


Bepaal die toename in entalpie

Omdat die toename in entalpie in 'n stelsel presies gelykstaande is aan die energie wat daarby gevoeg is deur warmte, is:

\Delta H = Q = m \int\limits_{T_0}^{T_1} C_p \Delta T

Neem die verwysingstemperatuur T0 as 25 °C.

T1 is die eindtemperatuur van die gasmengsel na verbranding plaasgevind het[1].

Die warmtekapasiteit van die verskillende komponente in kal/mol is:

T0 T1 T2 1/T2
CH4 5.34 0.0115 0 0
O2 8.27 0.000258 0 -187700
N2 6.5 0.001 0 0
CO2 10.34 0.00274 0 -195500
H2O(l) 1 0 0 0
H2O(g) 8.22 0.00015 1.34E-06 0


Die warmtekapasiteit van die finale mengsel is:

C_{p,totaal} = \sum_{i} x_i \cdot C_{p,i}

Waar:

  • xi = molfraksie van komponent i
  • Cp,i = warmtekapasiteit van komponent i

Dws

C_{p,totaal} = 7.178 + 0.0009969T + 2.44E-7T^2 - frac{19479}{T^2}

Ek het die uitlaat temperatuur bepaal deur 'n Aspen simulasie en dit gekry as 1982 °C of 2256 °K Soos reeds gesê is die begin temperatuur 25 °C of 298 °K


Dus is:

Q = \int\limits_{T_0}^{T_1} C_p \Delta T = m \cdot \int\limits_{298}^{2256}C_{p,totaal} = 7.178 + 0.0009969T + 2.44E-7T^2 - \frac{19479}{T^2} dT
= m \cdot \left [ 7.178T + \frac{0.0009969}{2}T^2 + \frac{2.44E-7}{3}T^3 - \frac{19479}{-1}\frac{1}{T} \right ]_{298}^{2256}
= 11 \cdot \left [ 7.178(2256-298) + \frac{0.0009969}{2}(2256^2-298^2) + \frac{2.44E-7}{3}(2256^3-298^3) - \frac{19479}{-1}(\frac{1}{2256}-\frac{1}{298}) \right ]_{298}^{2256}
= 191562 \ kkal \times \frac{4.1868 \ kJ}{kkal} = 802032 \ kJ

Volgens literatuur [2] is die hittewaarde van metaan:

\Delta H_{c,metaan}^\circ = 212798 \ kkal/kmol \times \frac{4.1868 \ kJ}{kkal} = 890943 \ kJ/kmol

Dit is effens anders as die waarde verkry uit literatuur en ook die waarde wat Aspen bereken.

Bereken hittewaarde uit Aspen[wysig]

Aspen simulasie om die verbranding van metaan te simuleer.

'n Aspen simulasie is gebou om die verbranding van metaan met lug te simuleer. Let op die volgende:

  • Die eienskapsmetode (Engels="property method") is RK-SOAVE
  • PROD-W is die warm produkgas (let op die hoë temperatuur)
  • Die warm produkgas word met die eerste hitteruiler (HX1) verkoel na 150 °C. Die verkoelingswatervloei is 5 t/h.
  • Die tweede hitteruiler (HX2) verkoel die produkgas tot die oorspronklike temperatuur van 25 °C. Die verkoelingswatervloei is 5 t/h.


Die volgende tabel wys die resultate:

CH4 LUG PROD-W PROD-K1 PROD-K2 WATER-K1 WATER-W1 WATER-K2 WATER-W2
Mole Flow kmol/h
CH4 1 0 0 0 0 0 0 0 0
O2 0 2.1 0.1 0.1 0.1 0 0 0 0
N2 0 7.9 7.9 7.9 7.9 0 0 0 0
CO2 0 0 1 1 1 0 0 0 0
H2O 0 0 2 2 2 277.5422 277.5422 277.5422 277.5422
Total Flow (kmol/h) 1 10 11 11 11 277.5422 277.5422 277.5422 277.5422
Temperature (°C) 25 25 1982.407 150 25 25 56.47203 10 15.25171
Pressure (kPa) 101.325 101.325 101.325 101.325 101.325 101.325 101.325 101.325 101.325
Enthalpy (kJ/kmol) -74536.74 -6.70427 -6782.162 -75867.29 -87438.94 -289040 -286300 -290350 -289890

Die hittewaarde van metaan is die verskil in entalpie van die warm produkgas teen 1982 °C en die produkgas indien dit afgekoel is na die oorspronklike 25 °C:

Dus, ΔH_c = 11 × (-6782.162 - (-87438.94)) = 887225 kJ/kmol CH4

Of die hittewaarde kan ook bereken word van die energie wat in die water ingesit is.

Dus, ΔH_c = 277.5422 × (-289040 - (-286300)) + 277.5422 × (-290350 - (-289890)) = 888135 kJ/kmol CH4 (die verskil is bloot agv afronding)

Hierdie waardes vergelyk baie goed met die literatuurwaarde van 890943 kJ/kmol.


Om te wys dat dit nie 'n verskil maak hoeveel lug gebruik word nie, is hierdie herhaal met dubbel soveel lug. Die volgende tabel gee die resultate (let op die laer produktemperatuur):

CH4 LUG PROD-W PROD-K1 PROD-K2 WATER-K1 WATER-W1 WATER-K2 WATER-W2
Mole Flow kmol/h
CH4 1 0 0 0 0 0 0 0 0
O2 0 4.2 2.2 2.2 2.2 0 0 0 0
N2 0 15.8 15.8 15.8 15.8 0 0 0 0
CO2 0 0 1 1 1 0 0 0 0
H2O 0 0 2 2 2 277.5422 277.5422 277.5422 277.5422
Total Flow (kmol/h) 1 20 21 21 21 277.5422 277.5422 277.5422 277.5422
Temperature (°C) 25 25 1160.66 150 25 25 54.95232 10 16.31534
Pressure (kPa) 101.325 101.325 101.325 101.325 101.325 101.325 101.325 101.325 101.325
Enthalpy (kJ/kmol) -74536.74 -6.70427 -3555.754 -37995.75 -45283.76 -289040 -286440 -290350 -289800

Dus, ΔH_c = 21 × (-3555.754 - (-45283.76)) = -876288 kJ/kmol CH4

Of, ΔH_c = 277.5422 × (-289040 - (-286440)) + 277.5422 × (-290350 - (-289800)) = 874258 kJ/kmol CH4

Die verskil is weer agv afronding.

Verwysings[wysig]

  1. Volgens "Perry's Chemical Engineers' Handbook" tabel 3-181, 6de uitgawe
  2. Volgens "Perry's Chemical Engineers' Handbook", tabel 3-207, 6de uitgawe