Põlev h2. Vesiniku põletamine

  Prooton - prootoni ahel   esitatud joon. 14. Iga noole all on Päikese tingimustes reaktsiooni kulgemise aeg t või tuuma poolväärtusaeg T 1/2. Arvutamisel kasutati valemeid (8) - (13) interaktsiooni sattuva vesiniku ja heeliumi kogumasside, aine keskmise tiheduse korral   ρ \u003d 150 g / cm3 ja temperatuur
  T \u003d 1,5 · 10 7 K. Iga reaktsiooni jaoks antakse energia eraldumine (reaktsiooni energia Q).
   Esimene reaktsioon ahelas on kahe vesiniku tuuma interaktsioon deuteroni, positroni ja neutriino moodustumisega. See reaktsioon toimub nõrga vastasmõju tagajärjel ja on määrav kogu pp-ahela kiiruses (t \u003d 5,8 · 10 9 aastat). Teises etapis moodustub vesinikuga moodustatud deuteroni interaktsiooni tulemusel 3 He isotoop, mille emissiooniks on kvant. Lisaks saab realiseerida ühe kahest võimalusest. 69% tõenäosusega toimub reaktsioon:

andes registreerimiseks saadaval suure energiatarbega neutriinode voo. 4-prootonist 4 He-isotoobi sünteesi tulemusel vabanev koguenergia (reaktsiooni koguenergia Q) on 24,7 MeV ppI, ppIII ja 25,7 MeV ahelate jaoks ppII ahelas. Sünteesi käigus moodustunud positronid hävivad, suurendades kõigi ahelate energia eraldumist 26,7 MeV-ni.

Tabelis. Joonisel 8 on toodud koefitsiendi S ij väärtused E \u003d 0 juures mõne pp-tsükli reaktsiooni korral ja vastavate koefitsientide hinnangute määramatus.

Tabel 8

Koefitsiendi S i väärtus pp-tsükli reaktsioonides

		S ij väärtused, MeV · mb
p + p → d + e + + ν
3 He + 3 He → 4 He + 2p
3 He + 4 He → 7 Be + γ
7 Be + p → 8 B + γ

Tabelis toodud S ij väärtused ja nende määramatused annavad aimu tähtede tuumareaktsioonide arvutamise keerukusest ja tänaseni saavutatud täpsusest.
   Vesinitsükkel võib alata ka reaktsiooniga:

Tähtedes, mille mass on suurem kui Päike, pp - ahel pole peamine energiaallikas.
   Koos vesiniku ja heeliumiga sisaldab teise põlvkonna tähtede aine vesiniku ja heeliumi põlemisel moodustunud raskemaid elemente, eriti lämmastikku, süsinikku, hapnikku, neooni ja teisi. Need elemendid mängivad katalüsaatorit vesiniku põlemisreaktsioonides.
Kui temperatuur tähe keskel läheneb 20 miljonile K, algab tähtedes tuumareaktsioonide ahel, mille käigus süsiniku tuumad läbivad järjestikuseid muundumisi ja vesinikust moodustub heelium. Seda reaktsioonide ahelat nimetatakse CNO tsükliks.

Tasakaal- (Prantsuse tasakaalust - sõna otseses mõttes „mastaabid”) - kvantitatiivne väljendus protsessist, mis peaks tasakaalustama üksteist. Teisisõnu: tasakaal on tasakaal, tasakaalustav. Põletusprotsessid tulekahjus vastavad põhilistele loodusseadustele, eriti massi ja energia säilitamise seadustele.

Paljude praktiliste probleemide lahendamiseks, samuti tuletehniliste arvutuste tegemiseks on vaja teada põlemiseks vajalikku õhukogust, samuti põlemisproduktide mahtu ja koostist. Need andmed on vajalikud ainete põlemistemperatuuri, plahvatuse ajal tekkiva rõhu, plahvatuse ülerõhu, flegmatiseerija flegmatiseeriva kontsentratsiooni ja kergesti väljutatavate struktuuride pindala arvutamiseks.

Põlemisprotsesside materjalibilansi arvutamise metoodika määratakse kindlaks aine koostise ja agregatsiooni seisukorra järgi. Arvestusel on oma omadused üksikute keemiliste ühendite, gaasisegude ja keerulise elemendilise koostisega ainete jaoks.

Üksikud keemilised ühendid   - need on ained, mille koostist saab väljendada keemilise valemiga. Põlemisprotsessi arvutamine toimub sel juhul põlemisreaktsiooni võrrandi järgi.

Põlemisreaktsiooni võrrandi koostamisel tuleb meeles pidada, et tuletõrjetehnika arvutustes on tavaks omistada kõik väärtused 1 moolile põlevmaterjali. Eelkõige tähendab see, et põleva reaktsiooni võrrandis põleva aine ees on koefitsient alati võrdne 1-ga.

Põlemisproduktide koostis sõltub lähteaine koostisest.

Elemendid, mis on osa põlevast ainest	Põlemissaadused
Süsinik Koos	Süsinikdioksiid Koos 2
Vesinik N	Vesi N 2 Oh!
Väävel S	Vääveloksiid (IV) Nii 2
Lämmastik N	Molekulaarne lämmastik N 2
Fosfor Lk	Fosforoksiid (V) Lk 2 Oh! 5
Halogeenid F, Cl, Br, I	Vesinikhalogeniid Hcl, Hf, HBr, Tere!

Propaani põlemine hapnikus

Põlemisreaktsioon registreeritakse:

Koos 3 N 8   + Oh! 2   \u003d CO 2   + H 2 Oh!

2. Propaanimolekulis on 3 süsinikuaatomit, millest moodustub 3 süsinikdioksiidimolekuli.

Koos 3 N 8   + Oh! 2   \u003d 3CO 2   + H 2 Oh!

3. Propaanimolekulis on 8 vesinikuaatomit, neist moodustatakse 4 veemolekulit:

Koos 3 N 8   + Oh! 2   \u003d 3CO 2   + 4H 2 Oh!

4. Arvutage hapnikuaatomite arv võrrandi paremal küljel

5. Võrrandi vasakul küljel peaks olema ka 10 hapnikuaatomit. Hapniku molekul koosneb kahest aatomist, seega peate enne hapniku lisamist tegema koefitsiendi 5.

Koos 3 N 8 + 5O 2   \u003d 3CO 2   + 4H 2 Oh!

Koefitsiente reaktsioonivõrrandis nimetatakse stöhhiomeetrilised koefitsiendidja näidake, mitu mooli (kmooli) aineid reaktsioonis osales või reaktsiooni tagajärjel moodustus.

Stöhhiomeetriline koefitsient, mis näitab hapniku moolide arvu, mis on vajalik aine täielikuks põlemiseks, on tähistatud tähega  .

Esimeses reaktsioonis  = 5.

Glütserooli põletamine hapnikus

1. Kirjutame põlemisreaktsiooni võrrandi.

Koos 3 N 8 Oh! 3   + Oh! 2   \u003d CO 2   + H 2 Oh!

2. Võrdne süsinik ja vesinik:

Koos 3 N 8 Oh! 3   + Oh! 2   \u003d 3CO 2   + 4H 2 O

3. Võrrandi paremal küljel on 10 hapnikuaatomit.

Põleva aine koostises on 3 hapnikuaatomit, seetõttu on hapnikust põlemisproduktidesse jõudnud 10 - 3 \u003d 7 hapnikuaatomit.

Seega tuleb enne hapnikku panna koefitsient 7: 2 \u003d 3,5

Koos 3 N 8 Oh! 3   + 3,5 ° 2   \u003d 3CO 2   + 4H 2 O

Selles reaktsioonis  = 3,5.

Ammoniaagi põlemine hapnikus

Ammoniaak koosneb vesinikust ja lämmastikust, seetõttu on põlemisproduktideks vesi ja molekulaarne lämmastik.

NH 3 + 0,75 O 2 = 1,5 H 2 O + 0,5 N 2  = 0,75.

Pange tähele, et koefitsient 1 on enne põlevat ainet ja kõik muud võrrandi koefitsiendid võivad olla murdarvud.

Süsinikdisulfiid hapnikus

Süsinikdisulfiidtooted CS 2   seal on süsinikdioksiid ja vääveloksiid (IV).

CS 2 + 3 O 2 = CO 2 + 2 Nii 2  = 3.

Kõige sagedamini ei toimu tulekahjus põlemine puhtas hapnikus, vaid õhus. Õhk koosneb lämmastikust (78%), hapnikust (21%), lämmastikoksiididest, süsinikdioksiidist, inertsest ja muudest gaasidest (1%). Arvutuste tegemiseks eeldatakse, et õhk sisaldab 79% lämmastikku ja 21% hapnikku. Seega arvestatakse ühe mahu hapniku kohta 3,76 mahtu lämmastikku (79:21 \u003d 3,76).

Vastavalt Avogadro seadustele on nende gaaside moolide suhe 1: 3,76. Seega võime sellest kirjutada õhu molekulaarne koostis (Oh! 2 + 3,76 N 2 ).

Ainete põlemisreaktsioonide sõnastamine õhus sarnaneb põlemisreaktsioonide formuleerimisega hapnikus. Eripära seisneb ainult selles, et õhutämmastik põlemistemperatuuril alla 2000 0 С ei sisene põlemisreaktsiooni ja see eraldub põlemistsoonist koos põlemisproduktidega.

Vesiniku põletamine õhus

N 2   + 0,5 (O 2 + 3,76 N 2 ) \u003d N 2 O + 0,5 3,76 N 2  = 0,5.

Pange tähele, et stöhhiomeetriline koefitsient enne hapnikku 0,5 tuleb sisestada võrrandi paremasse serva enne lämmastikku.

Propanooli põletamine õhus

Koos 3 N 7 OH + 4,5 (O 2 + 3,76 N 2 ) \u003d 3CO 2   + 4H 2 Umbes +4,5 3,76 N 2

Kütus sisaldab hapnikku, seetõttu tuleb koefitsient arvutada     teostatakse järgmiselt: 10 - 1 \u003d 9; 9: 2 \u003d 4,5.

Aniliin põleb õhus

Koos 6 N 5 NN 2   + 7,75 (O 2 + 3,76 N 2 ) \u003d 6CO 2   + 3,5N 2 O + 0,5N 2 +7,75  3,76 N 2

Selles võrrandis toimub võrrandi paremal küljel olev lämmastik kaks korda: õhks lämmastik ja põlevast ainest pärit lämmastik.

Õhus põlevad vingugaas

CO + 0,5 (O 2 + 3,76 N 2 ) \u003d СО 2 + 0,5  3,76 N 2

Kloormetaan õhus põlemas

CH 3 Koosl   + 1,5 (O 2 + 3,76 N 2 ) \u003d СО 2   + NAl   + H 2 Umbes +1,5 3,76 N 2

Dietüültioeetri põletamine õhus

(C 2 N 5 ) 2 S   + 7,5 (O 2 + 3,76 N 2 ) \u003d 4CO 2   + 5H 2 O +Nii 2 + 7,5  3,76 N 2

Dimetüülfosfaadi põlemine õhus

(CH 3 ) 2 HP Oh! 4   + 3 (O 2 + 3,76 N 2 ) \u003d 2CO 2   + 3,5N 2 O + 0,5P 2 Oh! 5 + 3  3,76 N 2

Põlemisprotsessides on lähtematerjalid põlevad ja oksüdeerivad ained ning lõppsaadused põlemisproduktid.

1. Kirjutame bensoehappe põlemisreaktsiooni võrrandi.

Koos 6 N 5 COOH + 7,5 (O 2 + 3,76 N 2 ) \u003d 7CO 2   + 3H 2 Umbes +7,5 3,76 N 2

2. Lähteained: 1 mol bensoehapet;

7,5 mooli hapnikku;

7,5–3,76 mooli lämmastikku.

Õhugaase on ainult 7,5–4,76 mooli.

Kokku (1 + 7,5–4,76) mooli lähtematerjale.

3. Põlemisproduktid: 7 mooli süsinikdioksiidi;

3 mooli vett;

7,5–3,76 mooli lämmastikku.

Põlemissaadusi kokku (7 + 3 + 7,5 73,76).

Sarnased suhted juhul, kui 1 kilo bensoehapet põleb läbi.

Keerukate keemiliste ühendite segud   või keeruka elemendilise koostisega aineid ei saa keemilise valemiga väljendada, nende koostist väljendatakse enamasti iga elemendi protsendina. Selliste ainete hulka kuuluvad näiteks nafta ja naftasaadused, puit ja paljud muud orgaanilised ained.

Vesiniku põlemisreaktsiooni saab kirjeldada võrrandiga

Vesiniku ja vingugaasi põlemisreaktsioonid on paljuski sarnased. Mõlemad on tugevad eksotermilised reaktsioonid, mille termilised mõjud on ühesugused. Reaktsioonivõrrandites (1.11) ja (1.1) on interakteeruvate ainete koguste stöhhiomeetrilised seosed samad. Seetõttu viib süsteemiparameetrite muutuste mõju kvalitatiivne hindamine vesiniku ja süsinikmonooksiidi põlemisreaktsioonide käigule, kasutades Gibbsi faasi reeglit ja Le Chatelieri põhimõtet, samu järeldusi.

Reaktsioon (1.11) H20 dissotsieerumise suunas saab võimalikuks tingimustel, kui

Võrrandist (1.12) võib valemi reaktsiooni (1.11) tasakaalukonstandi määramiseks saada järgmisel kujul:

Reaktsiooni (1.11) tasakaalukonstandi arvutamise tulemused erinevatel temperatuuridel on esitatud tabelis 1.2.

Tabel 1.2   - Reaktsiooni (1.11) tasakaalukonstandi väärtused erinevatel temperatuuridel

Tabelis 1.2 esitatud andmete analüüs näitab, et temperatuuridel kuni 2000K on reaktsiooni tasakaalukonstandil (1.11) samuti väga kõrged väärtused. See võimaldab meil pidada vesiniku põlemisreaktsiooni laias temperatuurivahemikus praktiliselt pöördumatuks. H 2 O dissotsieerumine on võimalik ainult vesiniku ja hapniku madalates kontsentratsioonides või väga madala rõhu all oleva gaasisegu P korral.

Gaasisegu oksüdeerimispotentsiaali reaktsiooni ajal (1.11) võib iseloomustada ka hapniku tasakaalulise osalise rõhuga

Võrrandi (1.15) analüüs võimaldab meil teha järgmised järeldused:

1. Gaasisegu puhul, mille H 2 O ja H 2 kontsentratsioonide suhe on püsiv, sõltub hapniku tasakaalu osalise rõhu väärtus ainult temperatuurist.
2. Temperatuuri tõustes väheneb reaktsiooni tasakaalukonstandi (1.11) arvväärtus ja suureneb gaasisegu oksüdatsioonipotentsiaal.
3. Konstantsel temperatuuril määratakse hapniku tasakaaluline osarõhk suhte H2O ja H2 segu kontsentratsiooni vahel segus. Gaasisegu oksüdeerimispotentsiaal suureneb suurenedes (% H 2 O) ja väheneb suurenedes (% H 2).

Reaktsioonide (1.11) ja (1.1) vahel on ka mõningaid erinevusi. Alates koos temperatuuri tõusuga süsinikmonooksiidi põlemisreaktsiooni tasakaalukonstant väheneb kiiremini kui vesiniku põlemisreaktsiooni tasakaalukonstant.

Arvutused näitavad, et temperatuuril 1083K . See tähendab, et tingimustel

gaasisegu oksüdatsioonipotentsiaal süsinikoksiidi ja vesiniku põlemisel on sama.

Üks pakilisi probleeme on keskkonna saastamine ja orgaanilise päritolu piiratud energiaressursid. Paljulubav viis nende probleemide lahendamiseks on vesiniku kasutamine energiaallikana. Artiklis käsitleme vesiniku põlemise, temperatuuri ja selle protsessi keemiat.

Mis on vesinik?

Enne küsimuse kaalumist, milline on vesiniku põlemistemperatuur, on vaja meeles pidada, mis see aine on.

Vesinik on kõige kergem keemiline element, mis koosneb ainult ühest prootonist ja ühest elektronist. Normaaltingimustes (rõhk 1 atm., Temperatuur 0 ° C) on see gaasilises olekus. Selle molekuli (H 2) moodustavad selle keemilise elemendi 2 aatomit. Vesinik on kolmas kõige rikkalikum element meie planeedil ja 1. universumis (umbes 90% kogu ainest).

Gaasiline vesinik (H 2) on lõhnatu, maitsetu ja värvitu. See pole aga mürgine, kui selle sisaldus atmosfääriõhus on mitu protsenti, võib inimene hapnikuvaeguse tõttu lämbumist tunda.

Huvitav on märkida, et kuigi keemilisest aspektist on kogu H2 molekul identne, on nende füüsikalised omadused mõnevõrra erinevad. Asi on elektronide spinnide orientatsioonis (need vastutavad magnetilise momendi ilmnemise eest), mis võivad olla paralleelsed ja paralleelsed, sellist molekuli nimetatakse vastavalt orto- ja parahüdrogeeniks.

Põlemise keemiline reaktsioon

Arvestades vesiniku ja hapniku põlemistemperatuuri küsimust, anname keemilise reaktsiooni, mis kirjeldab seda protsessi: 2H 2 + O 2 \u003d\u003e 2H 2 O. See tähendab, et reaktsioonis osaleb 3 molekuli (kaks vesinikku ja üks hapnik) ja produkt on kaks veemolekulit . See reaktsioon kirjeldab põlemist keemilisest aspektist ja selle põhjal võib järeldada, et pärast selle läbimist jääb ainult puhast vett, mis ei saasta keskkonda, nagu fossiilsete kütuste (bensiin, alkohol) põletamisel.

Teisest küljest on see reaktsioon eksotermiline, see tähendab, et lisaks veele eraldab see teatud koguses soojust, mida saab kasutada masinate ja rakettide tõukamiseks, aga ka muude energiaallikate, näiteks elektrienergia, edastamiseks.

Vesiniku põlemisprotsessi mehhanism

Eelmises lõigus kirjeldatud keemiline reaktsioon on teada igale gümnaasiumiõpilasele, kuid see on tegelikult toimuva protsessi väga toores kirjeldus. Pange tähele, et kuni eelmise sajandi keskpaigani ei teadnud inimkond, kuidas vesinik põleb õhus, ja selle uurimise eest anti 1956. aastal Nobeli keemiapreemia.

Tegelikult, kui O2 ja H2 molekulid põrkuvad, siis reaktsiooni ei toimu. Mõlemad molekulid on üsna stabiilsed. Põlemise tekkimiseks ja vee tekkimiseks on vaja vabade radikaalide olemasolu. Eelkõige H, O aatomid ja OH rühmad. Järgmine on reaktsioonide jada, mis toimuvad vesiniku põlemisel:

• H + O2 \u003d\u003e OH + O;
• OH + H2 \u003d\u003e H20 + H;
• O + H2 \u003d OH + H.

Mis nendest reaktsioonidest ilmneb? Vesiniku põlemisel moodustub vesi, jah, see on õige, kuid see juhtub ainult siis, kui kahe OH-aatomiga rühm kohtub H2 molekuliga. Lisaks toimuvad kõik reaktsioonid vabade radikaalide moodustumisega, mis tähendab, et käivitatakse iseseisev põlemisprotsess.

Seega on selle reaktsiooni käivitamise võti radikaalide moodustumine. Need ilmuvad, kui lisate hapniku-vesiniku segule põletava tiku või kui kuumutate seda segu üle teatud temperatuuri.

Reaktsiooni algatamine

Nagu märgitud, on selleks kaks võimalust:

• Kasutades sädet, mis peaks andma ainult 0,02 mJ soojust. See on väga väike energiaväärtus, võrdluseks väidame, et bensiini segu sarnane väärtus on 0,24 mJ ja metaanisegu puhul - 0,29 mJ. Rõhu vähenedes suureneb reaktsiooni initsiatsioonienergia. Niisiis, 2 kPa juures on see juba 0,56 mJ. Igal juhul on need väga väikesed väärtused, seetõttu peetakse vesiniku ja hapniku segu tuleohtlikuks.
• Temperatuuri abil. See tähendab, et hapniku-vesiniku segu saab lihtsalt kuumutada ja teatud temperatuurist kõrgemal see süttib. Millal see juhtub, sõltub rõhust ja gaaside protsendist. Atmosfäärirõhu laia kontsentratsioonivahemiku korral toimub iseeneslik põlemisreaktsioon temperatuuridel üle 773–850 K, see tähendab üle 500–577 o C. Need on üsna kõrged väärtused võrreldes bensiiniseguga, mis hakkab isesüttima isegi temperatuuril alla 300 ° C.

Gaaside protsent põlevas segus

Vesiniku põlemistemperatuurist õhus rääkides tuleb märkida, et mitte iga nende gaaside segu ei satu vaadeldavasse protsessi. Eksperimentaalselt tehti kindlaks, et kui hapniku kogus on alla 6 mahuprotsendi või kui vesiniku kogus on alla 4 mahuprotsendi, siis mingit reaktsiooni ei toimu. Põleva segu olemasolu on aga üsna lai. Õhu puhul võib vesiniku protsent olla vahemikus 4,1–74,8%. Pange tähele, et ülemine väärtus vastab lihtsalt nõutavale hapniku miinimumile.

Kui arvestada puhase hapniku-vesiniku seguga, siis on piirid veelgi laiemad: 4,1–94%.

Gaasirõhu langus viib näidatud piiride vähenemiseni (alumine piir tõuseb, ülemine piir langeb).

Samuti on oluline mõista, et vesiniku põlemisel õhus (hapnikus) põhjustavad reaktsioonisaadused (vesi) reagentide kontsentratsiooni vähenemist, mis võib põhjustada keemilise protsessi peatumise.

Põlemisohutus

See on tuleohtliku segu oluline omadus, kuna see võimaldab teil otsustada, kas reaktsioon on rahulik ja saate seda kontrollida või on protsess plahvatusohtlik. Mis määrab põlemiskiiruse? Muidugi, reagentide kontsentratsiooni, rõhu ja "seemne" energiahulga kohta.

Kahjuks on vesinik, erinevates kontsentratsioonides, plahvatusohtlik. Kirjanduses on esitatud järgmised arvud: 18,5-59% vesinikku õhusegus. Pealegi eraldub selle piiri servades detonatsiooni tagajärjel suurim kogus energiat ruumalaühiku kohta.

Selle reaktsiooni kasutamisel kontrollitud energiaallikana on suur põlemisjõud.

Põlemisreaktsiooni temperatuur

Nüüd jõuame otse vastuse juurde küsimusele, milline on vesiniku põlemisel madalaim temperatuur. 19,6% H2 sisaldava segu jaoks on see 2321 K või 2048 o C. See tähendab, et vesiniku põlemistemperatuur õhus on üle 2000 ° C (muude kontsentratsioonide korral võib see ulatuda 2500 ° C-ni) ja võrreldes bensiiniseguga on see tohutu arv (bensiini puhul umbes 800 ° C). Kui põletate vesinikku puhtas hapnikus, on leegi temperatuur veelgi kõrgem (kuni 2800 o C).

Selline kõrge leegi temperatuur on selle reaktsiooni energiaallikana kasutamisel veel üks probleem, kuna praegu puuduvad sulamid, mis võiksid sellistes ekstreemsetes tingimustes pikka aega töötada.

Muidugi saab selle probleemi lahendada, kui kasutate hästi läbimõeldud jahutussüsteemi kambrit, kus vesinik põleb.

Tekkinud soojuse kogus

Vesiniku põlemistemperatuuri küsimuse raames on huvitav pakkuda ka andmeid selle reaktsiooni käigus eralduva energia koguse kohta. Põleva segu erinevate tingimuste ja koostiste jaoks saadi väärtused vahemikus 119 MJ / kg kuni 141 MJ / kg. Selle mõistmiseks, kui palju see on, märgime, et bensiini segu sarnane väärtus on umbes 40 MJ / kg.

Vesiniku segu energiasaak on palju suurem kui bensiini puhul, mis on tohutu pluss selle kasutamisel sisepõlemismootorite kütusena. Kuid siin pole kõik nii lihtne. Asi on vesiniku tiheduses, atmosfäärirõhul on see liiga madal. Niisiis, 1 m 3 sellest gaasist kaalub ainult 90 grammi. Kui põletate selle 1 m 3 H 2, eraldub soojust umbes 10–11 MJ, mida on juba 4 korda vähem kui 1 kg bensiini (veidi üle 1 liitri) põletamisel.

Ülaltoodud arvud näitavad, et vesiniku põlemisreaktsiooni kasutamiseks on vaja õppida seda gaasi hoidma kõrgsurveballoonides, mis tekitab täiendavaid raskusi nii tehnoloogilises kui ka ohutuse osas.

Vesinikkütuse segu kasutamine tehnoloogias: probleemid

Kohe tuleb öelda, et vesinikkütuse segu kasutatakse praegu mõnes inimtegevuse valdkonnas. Näiteks täiendava kütusena kosmoserakettide jaoks, elektrienergia tootmiseks, samuti tänapäevaste autode katsemudelites. Selle rakenduse ulatus on fossiilkütuste osas vähene ja reeglina eksperimentaalse iseloomuga. Selle põhjuseks pole mitte ainult põlemisreaktsiooni kontrolli all hoidmise raskused, vaid ka H 2 ladustamine, transportimine ja tootmine.

Vesinikku Maal praktiliselt ei eksisteeri puhtal kujul, seega tuleb seda saada erinevatest ühenditest. Näiteks veest. See on praegu üsna populaarne meetod, mida rakendatakse elektrivoolu juhtimisel läbi H2O. Kogu probleem on selles, et see kulutab rohkem energiat kui siis H2 põletamisel saada.

Teine oluline küsimus on vesiniku transport ja ladustamine. Fakt on see, et see gaas on oma molekulide väiksuse tõttu võimeline mis tahes mahutitest "välja lendama". Lisaks põhjustab sulamite metallvõre sattumine nende hajumist. Seetõttu on kõige tõhusam viis H2 säilitamiseks kasutada süsinikuaatomeid, mis suudavad kindlalt siduda "raskesti mõistetava" gaasi.

Seega on vesiniku kasutamine kütusena enam-vähem laias ulatuses võimalik ainult siis, kui seda kasutatakse elektrienergia „säästmiseks” (näiteks tuule- ja päikeseenergia muundamiseks vesiniku abil vee elektrolüüsi abil) või kui õpid, kuidas H2 kosmosest välja tuua. (kus seda on palju) Maale.

Põlemisarvutused tehakse vastavalt reaktsioonide keemilistele võrranditele, kasutades gaasiseisundi seadusi: Boyle - Mariott, Gay-Lussac, Charles ja Clapeyron - Mendeleev. Kasutatakse ka Avogadro seadust, mille kohaselt ühe grammi mool mis tahes gaasi normaaltingimustes (T \u003d 273 K, P \u003d 760 mm Hg) võtab sama ruumala - 22,4 dm 3. Vastavalt on ühe kg mol 22,4 m 3.

Mõelge vesiniku põlemisel hapnikus:   . Võrrandist järeldub, et normaaltingimustes on vesiniku 2 × 22,4 \u003d 44,8 m 3 täielikuks põlemiseks vaja 22,4 m 3 hapnikku. Tavaliselt tehakse arvutused lihtsuse ja mugavuse huvides ühe põletatud gaasi kuupmeetri kohta, s.o. põlemiseks 1 m 3 vesinikku vajab 0,5 m 3 hapnikku.

Vaatleme metaani põlemisreaktsiooni hapnikus:. Võrrandist järeldub, et 22,4 m 3 metaani täielikuks põlemiseks on vaja 2x22,4 \u003d 44,8 m 3 hapnikku. Seetõttu põlemiseks 1 m 3 metaan vajab 2 m 3 hapnikku.

Praktilistes tingimustes põletatakse gaasi õhus. Võtke kuiva õhu koostis: O 2 - 21%, N 2 - 79%. Seetõttu sisaldub 1/2 hapnikku 100/21 \u003d 4,76 m 3 õhus. Või 1 m 3 hapnikku moodustab 3,76 m 3 lämmastikku. Siit tuleneb õhu tavapärane valem: (O 2 + 3,76 N 2).

Kirjutame vesiniku õhus põlemise reaktsioonist:

Võrrandist järeldub, et normaaltingimustes on 1 m 3 vesiniku täielikuks põlemiseks vaja 0,5 × 4,76 \u003d 2,38 m 3 õhku. Seega põlemiseks 1 m 3 vesinikku vajab 2,38 m 3 õhku. Selle tulemusel moodustuvad põlemisproduktid: 1 m 3 vett auru kujul ja 1,88 m 3 lämmastikku.

Me kirjutame metaani põlemise reaktsioonist õhus:

Võrrandist järeldub, et 1 m 3 metaani täielikuks põlemiseks on vaja 2 × 4,76 \u003d 9,52 m 3 õhku. Seega normaalsetes põlemistingimustes 1 m 3 metaani jaoks on vaja 9,52 m 3 kuiva õhku. Põlemisproduktid sisaldavad 1 m 3 süsinikdioksiidi, 2 m 3 veeauru ja 7,52 m 3 lämmastikku.

Kirjutame propaani põlemise reaktsioonist õhus:

Võrrandist nähtub, et 1 m 3 propaani täielikuks põlemiseks on vaja 5 × 4,76 \u003d 23,8 m 3 õhku. Seega normaalsetes põlemistingimustes Vajalik on 1 m 3 propaani 23,8 m 3 kuiva õhku.

Ülaltoodud arvutused tehakse stöhhiomeetriliste võrrandite jaoks ja saadud õhu ja gaasi suhteid nimetatakse stöhhiomeetrilisteks. Näiteks metaani põlemisel õhus on stöhhiomeetriline suhe 9,52. Reaalsetes tingimustes ei pruugi õhku gaasi täielikuks põlemiseks piisata või vastupidi, õhku tarnitakse üle. Õhu-gaasi tegelike suhete iseloomustamiseks põlemisel võetakse kasutusele mõõtmeteta kogus: õhu ülemäärane suhe   (oksüdeerija) - koefitsient α. Stöhhiomeetrilise suhte korral α \u003d 1. Kui õhku on puudu, siis α< 1, а при избытке воздуха α >   1. Näiteks põlemisprotsessis kulus 23 m 3 õhku ja 2 m 3 metaani. Arvutame koefitsiendi α. Õhu ja gaasi tegelik suhe on 23/2 \u003d 11,5. Seega α \u003d 11,5 / 9,52 \u003d 1,2.

Ülaltoodud näitab, kuidas saate arvutada põlemiseks vajaliku õhu koguse ja määrata põlemisproduktide mahu üksikute gaaside jaoks. Kuid kõige sagedamini kasutatav gaas on segu erinevatest gaasidest. Sel juhul arvutus teoreetiliselt vajalik õhukogus   (kuiv õhk) viiakse läbi vastavalt järgmisele valemile:

Nm 3 / nm 3, (10,4)

kus vastavalt nende gaaside mahuprotsent algsegus.

Põlemiseks kasutatav atmosfääriõhk sisaldab niiskust, seega arvutus niiske õhu maht   toodetud valemiga:

Nm 3 / nm 3, (10,5)

kus on õhu niiskusesisaldus, g / nm 3;

0,00124 - 1 g veeauru maht.

Ja lõpuks määratud tegelik õhukogus   võttes arvesse koefitsiendi α väärtust järgmise valemi järgi:

Näide. Seal on gaasi koostisega CH4 - 95%, C3H8 - 5%. Määratakse kindlaksmääratud gaasi põlemiseks kehtiv õhukogus, kui α \u003d 1,1 ja \u003d 10 g / m 3.

Teeme arvutusi.