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FUNDAMENTOS FÍSICOS Y QUÍMICOS DE LOS PROCESOS DE COMBUSTIÓN

Procesos químicos durante la combustión. La naturaleza de las sustancias inflamables. Conferencia 3

Peligro de incendio y explosión sustancias y materiales- se trata de un conjunto de propiedades que caracterizan su capacidad para iniciar y propagar la combustión.

La consecuencia de la combustión, dependiendo de su velocidad y condiciones de ocurrencia, puede ser un incendio o una explosión.

Peligro de incendio y explosiónLas sustancias y materiales se caracterizan por indicadores, cuya elección depende del estado agregado de la sustancia (material) y de las condiciones de su uso.

Al determinar peligro de incendio y explosión Las sustancias y materiales se distinguen en los siguientes estados de agregación:

gases - sustancias cuya presión de vapor saturado en condiciones normales (25°C y 101325 Pa) supera los 101325 Pa;

liquidos - Sustancias cuya presión de vapor saturado en condiciones normales (25°C y 101325 Pa) es inferior a 101325 Pa. Los líquidos también incluyen sustancias sólidas que se funden cuyo punto de fusión o goteo es inferior a 50°C;

sólidos y materiales- sustancias individuales y sus composiciones mixtas con un punto de fusión y un punto de caída superiores a 50°C, así como sustancias que no tienen un punto de fusión (por ejemplo, madera, tejidos, turba;

polvo - disperso Sustancias y materiales con tamaño de partícula inferior a 850 micras.

La combustión como reacción química de oxidación de sustancias en las que interviene oxígeno.

Combustión - uno de los primeros procesos físicos y químicos complejos que encontró el hombre en los albores de su desarrollo. Un proceso que, una vez dominado, obtuvo una enorme superioridad sobre los seres vivos y las fuerzas de la naturaleza que lo rodeaban.

Combustión - una de las formas de obtención y conversión de energía, base de muchos procesos tecnológicos de producción. Por lo tanto, una persona estudia y aprende constantemente sobre los procesos de combustión.

La historia de la ciencia de la combustión comienza con el descubrimiento de M.V. Lomonosov: "La combustión es la combinación de materia con aire". Este descubrimiento sirvió de base para el descubrimiento de la ley de conservación de la masa de sustancias durante sus transformaciones físicas y químicas. Lavoisier aclaró la definición del proceso de combustión: “La combustión es la combinación de una sustancia no con el aire, sino con el oxígeno del aire”.

Posteriormente, los científicos soviéticos y rusos A.V. hicieron una contribución significativa al estudio y desarrollo de la ciencia de la combustión. Mikhelson, N.N. Semenov, Ya.V. Zeldovia, Yu.B. Khariton, I.V. Blinov y otros.

El proceso de combustión se basa en reacciones redox exotérmicas, que obedecen a las leyes de la cinética química, la termodinámica química y otras leyes fundamentales (ley de conservación de la masa, energía, etc.).

Incendio es un proceso fisicoquímico complejo en el que sustancias y materiales inflamables, bajo la influencia de altas temperaturas, entran en interacción química con un agente oxidante (oxígeno del aire), convirtiéndose en productos de combustión, y que se acompaña de una intensa liberación de calor y luz. brillo.

El proceso de combustión se basa en una reacción de oxidación química, es decir. compuestos de sustancias combustibles iniciales con oxígeno. En las ecuaciones de reacciones de combustión química también se tiene en cuenta el nitrógeno contenido en el aire, aunque no participa en las reacciones de combustión. Convencionalmente se supone que la composición del aire es constante y contiene 21% en volumen de oxígeno y 79% de nitrógeno (en peso, respectivamente, 23% y 77% de nitrógeno), es decir Por cada volumen de oxígeno hay 3,76 volúmenes de nitrógeno. O por 1 mol de oxígeno hay 3,76 moles de nitrógeno. Entonces, por ejemplo, la reacción de combustión de metano en el aire se puede escribir de la siguiente manera:

CH 4 + 2О 2 + 2´ 3,76 N2 = CO2 + 2H2O + 2 ´ 3,76 norte 2

El nitrógeno debe tenerse en cuenta en las ecuaciones de reacciones químicas porque absorbe parte del calor liberado como resultado de las reacciones de combustión y forma parte de los productos de combustión.- gases de combustión.

Consideremos los procesos de oxidación.

Oxidación de hidrógeno llevado a cabo por la reacción:

norte 2 + 0,5O 2 = H 2 O.

Los datos experimentales sobre la reacción entre hidrógeno y oxígeno son numerosos y variados. En cualquier llama real (de alta temperatura) en una mezcla de hidrógeno y oxígeno, es posible la formación del radical * OH o átomos de hidrógeno H y oxígeno O, que inician la oxidación del hidrógeno a vapor de agua.

Combustión carbón . El carbono producido en las llamas puede ser gaseoso, líquido o sólido. Su oxidación, independientemente de su estado de agregación, se produce por interacción con el oxígeno. La combustión puede ser completa o incompleta, lo que viene determinado por el contenido de oxígeno:

C+O 2 = CO2(lleno) 2C + O 2 = 2CO (incompleto)

No se ha estudiado el mecanismo homogéneo (carbono en estado gaseoso). La interacción del carbono en estado sólido es la más estudiada. Este proceso se puede representar esquemáticamente en las siguientes etapas:

1. entrega del agente oxidante (O 2 ) a la interfaz mediante difusión molecular y convectiva;

2. adsorción física de moléculas oxidantes;

3. interacción del agente oxidante adsorbido con los átomos de carbono de la superficie y formación de productos de reacción;

4.desorción de los productos de reacción a la fase gaseosa.

Combustión monóxido de carbono . La reacción de combustión total del monóxido de carbono se escribirá CO + 0,5O 2 = CO 2, aunque la oxidación del monóxido de carbono tiene un mecanismo más complejo. Los principios fundamentales de la combustión del monóxido de carbono se pueden explicar sobre la base del mecanismo de combustión. de hidrógeno, incluida la reacción de interacción del monóxido de carbono con el hidróxido formado en el sistema y el oxígeno atómico, es decir Este es un proceso de varias etapas:

* OH + CO = CO 2 + H;O + CO = CO 2

Una reacción directa CO + O 2 -> CO 2 es poco probable, ya que las mezclas secas reales de CO y O 2 se caracterizan por tasas de combustión extremadamente bajas o no pueden encenderse en absoluto.

Oxidación de protozoos hidrocarburo v.El metano se quema para formar dióxido de carbono y vapor de agua:

CH 4 + O 2 = CO 2 + 2H 2 O.

Pero este proceso en realidad incluye toda una serie de reacciones en las que participan partículas moleculares con alta actividad química (átomos y radicales libres): * CH 3, * H, * OH. Aunque estos átomos y radicales permanecen en la llama durante poco tiempo, garantizan un rápido consumo de combustible. Durante la combustión del gas natural, surgen complejos de carbono, hidrógeno y oxígeno, así como complejos de carbono y oxígeno, cuya destrucción produce CO, CO 2, H 2 O. Presumiblemente, el esquema de combustión del metano se puede escribir como sigue:

CH 4 → C 2 H 4 → C 2 H 2 → productos de carbono + O 2 →C x U y O z → CO, CO2, H2O.

Descomposición térmica, pirólisis de sólidos.

Cuando la temperatura de un material combustible sólido aumenta, los enlaces químicos se rompen con la formación de componentes más simples (sólidos, líquidos, gaseosos). Este proceso se llama descomposición térmica o pirólisis . La descomposición térmica de moléculas de compuestos orgánicos se produce en una llama, es decir. a temperaturas elevadas cerca de la superficie de combustión. Los patrones de descomposición dependen no sólo del combustible, sino también de la temperatura de pirólisis, la velocidad de su cambio, el tamaño de la muestra, su forma, el grado de descomposición, etc.

Consideremos el proceso de pirólisis usando el ejemplo del material combustible sólido más común.- madera

La madera es una mezcla de una gran cantidad de sustancias de diferentes estructuras y propiedades. Sus principales componentes son hemicelulosa (25%), celulosa (50%), lignina (25%). hemicelulosa Consiste en una mezcla de pentazanos (C 5 H 8 O 4), hexazanos (C 6 H 10 O 5), poliurónidos. Lignina Es de naturaleza aromática y contiene carbohidratos asociados a anillos aromáticos. En promedio, la madera contiene 50% C, 6% H, 44% O. Es un material poroso, cuyo volumen de poros alcanza el 50- 75%. El componente de la madera menos resistente al calor es la hemicelulosa (220- 250°C), el componente más resistente al calor- lignina (su descomposición intensiva se observa a una temperatura de 350- 450°C). Entonces, la descomposición de la madera consta de los siguientes procesos:

La pirólisis del carbón y la turba ocurre de manera similar a la de la madera. Sin embargo, se observa liberación de volátiles a otras temperaturas. El carbón está formado por componentes que contienen carbono más duros y resistentes al calor, y su descomposición se produce con menos intensidad y a temperaturas más altas (Fig. 1).

Combustión de metales

Según la naturaleza de la combustión, los metales se dividen en dos grupos: volátiles y no volátiles. Los metales volátiles tienen T pl.< 1000 k y T kip.< 1500 k . Estos incluyen metales alcalinos (litio, sodio, potasio) y metales alcalinotérreos (magnesio, calcio). La combustión del metal se realiza de la siguiente manera: 4 Li + O 2 = 2 Li2O . Los metales no volátiles tienen T pl. > 1000 k y T kip. > 2500 K.

El mecanismo de combustión está determinado en gran medida por las propiedades del óxido metálico. La temperatura de los metales volátiles es inferior al punto de fusión de sus óxidos. Además, estas últimas son formaciones bastante porosas. Cuando una chispa de ignición llega a la superficie de un metal, se evapora y se oxida.

Cuando la concentración de vapor alcanza el límite inferior de concentración inflamable, se enciende. La zona de combustión por difusión se establece en la superficie, una gran proporción del calor se transfiere al metal y se calienta hasta el punto de ebullición.

Los vapores resultantes, que se difunden libremente a través de la película porosa de óxido, ingresan a la zona de combustión. La ebullición del metal provoca la destrucción periódica de la película de óxido, lo que intensifica la combustión. Los productos de la combustión (óxidos metálicos) se difunden no sólo sobre la superficie del metal, favoreciendo la formación de una costra de óxido metálico, sino también hacia el espacio circundante, donde se condensan y forman partículas sólidas en forma de humo blanco. La formación de un denso humo blanco es un signo visual de quema de metales volátiles.

En metales no volátiles con altas temperaturas de transición de fase, cuando se queman, se forma una película de óxido muy densa en la superficie, que se adhiere bien a la superficie del metal. Como resultado, la velocidad de difusión de los vapores metálicos a través de la película se reduce drásticamente y las partículas grandes, por ejemplo, el aluminio o el berilio, no pueden arder. Como regla general, los incendios de estos metales se producen cuando se introducen en forma de astillas, polvos y aerosoles. Arden sin producir humo denso. La formación de una densa película de óxido sobre la superficie del metal provoca la explosión de la partícula. Este fenómeno, que se observa especialmente cuando las partículas se mueven en un ambiente oxidante a alta temperatura, está asociado con la acumulación de vapores metálicos debajo de una película de óxido, seguida de su explosión repentina. Naturalmente, esto conduce a una fuerte intensificación de la combustión.

Quema de polvo

Polvo - Se trata de un sistema disperso formado por un medio disperso gaseoso (aire) y una fase sólida (harina, azúcar, madera, carbón, etc.).

La propagación de la llama a través del polvo se produce debido al calentamiento de la mezcla fría por el flujo radiante del frente de la llama. Las partículas sólidas, al absorber calor del flujo radiante, se calientan y se descomponen, liberando productos inflamables que forman mezclas inflamables con el aire.

El aerosol, que tiene partículas muy pequeñas, arde rápidamente cuando se enciende en la zona afectada por la fuente de ignición. Sin embargo, el espesor de la zona de la llama es tan pequeño que la intensidad de su radiación es insuficiente para la descomposición de las partículas y no se produce una propagación estacionaria de la llama sobre dichas partículas.

Un aerosol que contiene partículas grandes tampoco es capaz de realizar una combustión estacionaria. A medida que aumenta el tamaño de las partículas, la superficie específica de intercambio de calor disminuye y aumenta el tiempo necesario para calentarlas hasta la temperatura de descomposición.

Si el tiempo de formación de una mezcla inflamable de vapor y aire frente al frente de llama debido a la descomposición de partículas de material sólido es mayor que el tiempo de existencia del frente de llama, entonces no se producirá la combustión.

Factores que influyen en la velocidad de propagación de la llama a través de mezclas de polvo y aire:

1. concentración de polvo (la velocidad máxima de propagación de la llama se produce para mezclas ligeramente superiores a la composición estequiométrica, por ejemplo, para polvo de turba en una concentración de 1- 1,5 kg/m3);

2. contenido de cenizas (a medida que aumenta el contenido de cenizas, la concentración del componente inflamable disminuye y la velocidad de propagación de la llama disminuye);

Clasificación del polvo según peligro de explosión:

yo clase - el polvo más explosivo (concentración de hasta 15 g/m 3);

segunda clase - explosivo hasta 15-65 g/m 3

III clase - el más peligroso para el fuego > 65 g/m 3 T St ≤ 250°C;

clase IV - Peligroso de incendio > 65 g/m 3 T St > 250°C.

Sin oxígeno combustión

Hay una serie de sustancias que, cuando su temperatura supera un cierto nivel, sufren una descomposición química, dando lugar a un brillo gaseoso que apenas se distingue de una llama. La pólvora y algunos materiales sintéticos pueden arder sin aire o en un ambiente neutro (nitrógeno puro).

Combustión de celulosa (enlace - C6H7O2(OH)3 - ) se puede representar como una reacción redox interna en una molécula que contiene átomos de oxígeno que pueden reaccionar con el carbono y el hidrógeno de la unidad de celulosa.

Fuego involucrado nitrato de amonio, puede mantenerse sin suministro de oxígeno. Es probable que estos incendios se produzcan cuando hay un alto contenido de nitrato de amonio (unas 2.000 toneladas) en presencia de materia orgánica, en particular bolsas de papel o bolsas de embalaje.

Un ejemplo es el accidente de 1947. El barco “Gran Campamento“Se instaló en el puerto de Texas City con un cargamento de unas 2800 toneladas de nitrato de amonio. El incendio se inició en un compartimento de carga que contenía nitrato de amonio envasado en bolsas de papel. El capitán del barco decidió no apagar el fuego con agua, para no estropear la carga, y trató de apagar el fuego cerrando las escotillas de la cubierta y dejando entrar vapor en el compartimento de carga. Estas medidas contribuyen a empeorar la situación, intensificando el incendio sin acceso al aire, ya que se calienta el nitrato de amonio. El incendio comenzó a las 8 de la mañana y a las 9 en punto. A los 15 minutos se produjo una explosión. Como resultado, murieron más de 200 personas que abarrotaban el puerto y presenciaban el incendio, incluida la tripulación del barco y la tripulación de dos aviones de cuatro personas que rodeaban el barco.

A las 13:10 del día siguiente también se produjo una explosión en otro barco que transportaba nitrato de amonio y azufre, que se incendió desde el primer barco del día anterior.

Marshall describe un incendio que se produjo cerca de Frankfurt en 1961. La descomposición térmica espontánea provocada por una cinta transportadora encendió 8 toneladas de fertilizante, un tercio de las cuales era nitrato de amonio y el resto- Sustancias inertes utilizadas como fertilizantes. El incendio duró 12 horas. Como resultado del incendio se liberó una gran cantidad de gases tóxicos, entre ellos nitrógeno.

Muestras de ejecución s/p2

TERMODINÁMICA QUÍMICA. EQUILIBRIO. CINÉTICA.

TAREA 1. Calor de combustión del combustible.

Tenemos una mezcla de combustible gaseoso: 50% CH 4 + 50% C 4 H 10.

Volumen total V=1000 l=1m 3.

1. Escriba las ecuaciones químicas para las reacciones de combustión de los componentes gaseosos de una mezcla de combustible determinada.

Reacción de combustión de metano:

CH 4 (g) + 2O 2 (g) ® CO 2 (g) + 2H 2 O (l)

Reacción de combustión de butano:

C 4 H 10 (g) + 13/2O 2 (g) ® 4СО 2 (g) + 5H 2 O (l).

Entalpía Δ r norte 0 298 de estas reacciones químicas es el calor de combustión del combustible gaseoso Δ norte 0 sg.

2. Calcule cuánto calor se puede obtener quemando un volumen determinado de una mezcla de combustible de una composición determinada (% en volumen), condiciones consideradas normales.

Utilizando la ley de Hess, calculamos el calor de combustión del combustible gaseoso Δ. norte 0 сг en el estado estándar y 298 K, utilizando datos tabulares (ver apéndice, tabla) del calor de formación de todas las sustancias que participan en la reacción de combustión (Δ F norte 0 298):

para metano

Δ norte 0 сг СН4 = Δ r norte 0 298 = Δ F norte 0 CO2 + Δ F norte 0 H2O - Δ F norte 0 CH4 - 2Δ F norte 0 O2 =

393,62 + 2. (-285,84) – (-74,78) - 0 = -802,28 kJ/mol.

para butano

Δ norte 0 сг С4Н10 = Δ r norte 0 298 = 4Δ F norte 0 CO2 + 5Δ F norte 0 H2O - Δ F norte 0 С4Н10 - 13/2Δ F norte 0 O2 =

4 . (-393,62) + 5 . (-285,84) – (-126,15) - 0 = -2877,53 kJ/mol.

Calor específico de combustión Q T del combustible gaseoso:

q t = - (Δ norte sg. 1000/22,4), kJ/m3,

donde 22,4 l/mol es el volumen molar del gas en condiciones normales.

para metano

q t, CH4 = - (-802,28.1000/22,4) = 35816 kJ/m3.

para butano

q t, C4H10 = - (-2877,53. 1000 / 22,4) = 128461 kJ/m 3.

La cantidad total de calor obtenida durante la combustión de una determinada mezcla de combustible, teniendo en cuenta el volumen de gases:

q = q t, CH4 . V CH4 + q t, С4Н10 . EN С4Н10 =

35816. (1. 0,5) +128461. (1.0.5) =82138,5 kJ.

3. De la mezcla de combustible dada, seleccione el combustible con mayor eficiencia energética. Calcule el calor específico de combustión de este combustible. q t , kJ/m2 3 . Calcule el volumen mínimo de este combustible para obtener 100 MJ de calor.

El combustible más eficiente energéticamente en esta mezcla de combustible es el butano, calor de combustión específico. q t, C4H10 = 128461 kJ/m3.

Para obtener 100 MJ de calor es necesario quemar:

EN С4Н10 = q/ q t, C4H10 = 100000/128461 = 0,778 m 3 = 778 l.

TAREA 2. Termodinámica química.

1. Escriba ecuaciones termoquímicas de reacciones cuyo efecto térmico sea el calor de formación de todos los reactivos de una reacción química determinada.

Para una reacción química

CO 2 (g) + C (k) « 2CO (g)

La sustancia C (k) es simple, estable a 298 K y una presión de 100 kPa, su entalpía de formación es D h 0 F , 298 , = 0.

Ecuaciones termoquímicas de reacciones, cuyo efecto térmico es el calor de formación de los reactivos de una determinada reacción química CO 2 (g) y CO (g):

O 2 (g) + C (k) « CO 2 (g), D h 0 F , 298 = -393,51 kJ/mol,

(ver tabla);

1/2 O 2 (g) + C (k) « CO (g) , D h 0 F , 298 = -110,5 kJ/mol,

(ver tabla).

2. Calcular los valores de entalpía.D r h 0 298 , entropíaD r S 0 298 . mesa a los problemas 1, 2) en el estado estándar (s.s.) de todos los reactivos y una temperatura de 298 K. Saque una conclusión sobre el efecto térmico de la reacción.

Utilizando datos tabulares (ver tabla), escribimos las funciones termodinámicas del estado de los reactivos de una reacción química determinada en el estado estándar y 298 K.

Usando la ley de Hess, calculamos la entalpía Δ r norte 0 298, entropía ∆ r S 0 298 y energía de Gibbs Δ r GRAMO 0 298 reacción química en estado estándar y 298 K:

Δ r norte 0 298 = 2Δ F norte 0 298 COg - Δ F norte 0 298 Sk-Δ F norte 0 298 CO2g =

2(-110,5) – 0 – (-393,5) = 172,5 kJ.

Δ r norte 0 298 >0: la reacción es endotérmica y se produce con la absorción de calor.

∆ r S 0 298 = 2 S 0 F , 298.СО(g) - S 0 F , 298,С(к) - S 0 F , 298.СО2(g) = 2(197,54) – 5,74 – 213,68 =

175,66 J/K.

∆ r S 0 298 >0 – el sistema se ha vuelto más desordenado debido a la formación de una cantidad adicional de gas.

3. Calcula el valor de la energía de Gibbs.D r GRAMO 0 298 una reacción química dada (cláusula 1. mesa a los problemas 1, 2) en el estado estándar (s.s.) de todos los reactivos y una temperatura de 298 K. Determine en qué dirección procederá espontáneamente esta reacción en el estado estándar de todos los reactivos y una temperatura de 298 K.

Δ r GRAMO 0 298 = 2Δ F GRAMO 0 298 COg - Δ F GRAMO 0 298 Sk-Δ F GRAMO 0 298 CO2g =

2(-137,14) – 0 – (-394,38) = 120,15 kJ.

Δ r GRAMO 0 298 >0 – la reacción espontánea en dirección directa en el estado estándar y 298 K es imposible. La reacción transcurre en dirección opuesta.

4. Determine el rango de temperatura en el que es posible la ocurrencia espontánea de una reacción directa en el estado estándar de todos los reactivos sin tener en cuenta la dependencia. D r h 0 YD r S 0 sobre la temperatura. Grafique la energía de Gibbs de la reacción en función de la temperatura.D r GRAMO 0 = F (t ).

La posibilidad de una reacción espontánea en el estado estándar está determinada por la desigualdad ∆ r GRAMO 0 t < 0.

Aquellos. , Si

∆ r GRAMO 0 t = ∆ r h 0 298 +∆ r Con 0 pag dT- T.∆ r S 0 298 - t ∆ r Con 0 pag / t)dT < 0

∆ r GRAMO 0 t ≈ ∆ r h 0 298 - T.∆ r S 0 298 < 0

∆ r GRAMO 0 t = (172,5 – t . 175,66 . 10 -3) < 0 , отсюда t> 982 K.

Gráfico de dependencia D r GRAMO 0 = F (t):

∆ r GRAMO 0 t

298 982 2300 t

Teniendo en cuenta los rangos de temperatura de existencia de los reactivos, el rango de temperatura para la ocurrencia espontánea de una reacción en el estado estándar es 982< t< 2300 К.

5. Calcula el valor de la energía de Gibbs.D r GRAMO 298 reacción química a valores dados de presiones parciales de gas (cláusula 2. mesa a los problemas 1, 2) y una temperatura de 298 K. Determine si la dirección del proceso a 298 K cambia cuando las presiones parciales de los gases cambian en comparación con el estado estándar.

El cálculo de la energía de Gibbs de una reacción química a cualquier temperatura y presión parcial relativa de los gases se realiza mediante la ecuación de la isoterma de Van't Hoff:

Δ r GRAMO t = ∆ r GRAMO 0 t + RT en .

Calculemos Δ r GRAMO 298 a 298 K y presiones de gas: R CO = 2. 10 3 Pa,

R CO2 = 8. 10 5 Pa.

Presiones parciales relativas de gases:

CO = 2 . 103Pa/105Pa = 0,02; CO2 = 8. 105Pa/105Pa = 8.

Δ r GRAMO 298 = Δ r GRAMO 0 298 + RTln(R 2CO/ R CO2) = 120,15 +8,31. 10-3. 298. en(0,02/8) =

Δ r GRAMO 298 >0 – la reacción espontánea en la dirección de avance a presiones parciales de gas dadas y 298 K es imposible. La reacción transcurre en dirección opuesta.

6. Determine cómo (teóricamente) cambiar la presión parcial de cualquiera de los gases fuente (R A oR EN) para cambiar la dirección del proceso en comparación con el estado estándar a 298 K y la presión parcial estándar de todos los demás componentes de la reacción química.

En el estado estándar y 298 K, la reacción puede ocurrir espontáneamente en la dirección opuesta, porque Δ r GRAMO 0 298 >0.

Para cambiar la dirección del proceso en comparación con el estado estándar a 298 K, se puede cambiar la presión parcial de CO 2 (el estado de todos los demás componentes es estándar). La condición para una reacción espontánea en dirección directa es Δ r GRAMO 298 < 0.

Según la ecuación de la isoterma de Van't Hoff:

Δ r GRAMO t = ∆ r GRAMO 0 t + RT en < 0

Δ r GRAMO 298 = 120,15 + 8,31. 10-3. 298 en < 0

Resolviendo la desigualdad ln < - 48,5и получаем: < 10 -21 .

De este modo, R CO< R CO2 ≈ 10 5 veces.

Por lo tanto, para cambiar la dirección del proceso en comparación con el estado estándar a 298 K y presión R CO = 10 5 Pa, es necesario aumentar la presión parcial de CO 2 10 5 veces, es decir, La presión parcial de CO 2 debe ser: R CO2 > 10 25 Pa.

A esta presión de CO 2, una reacción química determinada puede proceder espontáneamente en dirección directa a 298 K.

TAREA 2. Equilibrio químico.

Para una reacción química

CO 2 (g) + C (k) « 2CO (g)

1. Calcula la energía de Gibbs.D r GRAMO 0 t y constante de equilibrioA R de esta reacción en el estado estándar y temperaturas de 298 K, 500 K, 800 K, 1000 K, teniendo en cuenta la dependenciaD r h 0 t YD r S 0 t sobre la temperatura a una capacidad calorífica específica constante de sustanciasCon R = constante . Trazar el gráfico de dependencia

A R = F (t ).

Calculemos el cambio en la capacidad calorífica del sistema (∆ r C 0 R= constante):

∆ r Con 0 R = 2Con 0 R 298 COg – Con 0 R 298Sk – Con 0 R 298СО2g =

2. (29,14)–8,54–37,41 = 12,33 J/K.

Calculemos la energía de Gibbs de una reacción química en el estado estándar y a temperaturas dadas de 298 K, 500 K, 800 K, 1000 K, teniendo en cuenta la dependencia ∆ r h 0 t y ∆ r S 0 t sobre la temperatura, considerando constante la capacidad calorífica específica de las sustancias Con R , según la fórmula:

∆ r GRAMO 0 t = ∆ r h 0 t - T. . ∆ r S 0 t = ∆ r GRAMO 0 298 + ∆ r Con 0 R (t - 298) –t . ∆ r Con 0 R en(T / 298).

∆ r GRAMO 0 298 =120,15 kJ;

∆ r GRAMO 0 500 =120,15+12,33. 10-3. (500-298) - 500. 12.33. 10-3. En(500/298)=

∆ r GRAMO 0 800 =120,15+12,33. 10-3. (800-298) - 800. 12.33. 10-3. En(800/298)=

∆ r GRAMO 0 1000 = 120,15+12,33. 10-3. (1000-298) - 1000. 12.33. 10-3. En(1000/298) =

Condición termodinámica para el equilibrio químico: ∆ r GRAMO t = 0.

Energía de Gibbs de una reacción química en el estado estándar.

∆ r GRAMO 0 t relacionado con la constante de equilibrio A R por proporción:

∆ r GRAMO 0 t = - RT en A R

Habiendo calculado el valor ∆ r GRAMO 0 t reacción, calcule la constante de equilibrio A R según la fórmula:

k pag=exp(- ∆G 0 t /RT) ,

Dónde R=8,31 J/mol. K es la constante universal de los gases.

k pag, 298 = exp(- ∆G 0 t , 298 / R. 298) = exp(-120,15/8,31. 10 -3. 298) = 8. 10-22;

k pag, 500 = exp(- ∆G 0 t , 500 / R. 500) = exp(-84,67/8,31. 10 -3. 500) = 1,4. 10-9;

k pag, 800 = exp(- ∆G 0 t , 800 / R. 800) = exp(-31,97/8,31. 10 -3. 800) = 8,1. 10-3;

k pag, 1000 = exp(- ∆G 0 t , 1000 / R. 1000) = exp(3,16/8,31.10 -3.1000) = 1,46.

A medida que aumenta la temperatura, aumenta la constante de equilibrio, lo que se explica por el efecto térmico endotérmico de esta reacción.

(Δ r norte 0 T>0).

2. Seleccione cualquier temperatura de la región de reacción espontánea en dirección directa. A esta temperatura, calcule las concentraciones de equilibrio de los reactivos gaseosos si sus concentraciones iniciales fueran iguales, respectivamente (consulte el párrafo 3, tabla para los problemas 1,2).

En t= 1000 K la reacción transcurre espontáneamente en dirección hacia adelante, porque ∆ r GRAMO 0 1000 = - 3,16 kJ<0, k pag , 1000 = 1,46.

Escojamos la temperatura t=1000 para calcular las concentraciones de equilibrio de reactivos gaseosos, si las concentraciones iniciales de reactivos gaseosos CO 2 y CO fueran iguales: Con CO2 = 0,5 mol/l, Con CO = 0.

Expresiones para constantes de equilibrio expresadas en términos de presiones parciales relativas de equilibrio de los gases ( R es igual ) y concentraciones de equilibrio ( Con igual) :

A R =
; A Con =

k pag Y k Con conectado a través de la ecuación del estado del gas:

k Con, 1000 =
=
= 0,018

Dónde R=0,082 litros. atm/mol. K es la constante universal de los gases;

∆ν = 2-1= 1 (cambio en el número de moles de sustancias gaseosas durante la reacción).

Tabla de balance de materiales:

Sustituimos las concentraciones de equilibrio de reactivos gaseosos en la expresión de k Con y resuelve la ecuación algebraica para X:

A Con =
= 0,018 , X= 0,0387mol/l

CON CO igual = 2. 0,0387 = 0,0774mol/l

CON CO2igual = 0,5 - 0,0387 = 0,4613 mol/l.

Balance– (del francés balance – literalmente “escala”) – una expresión cuantitativa de las partes de cualquier proceso que debe equilibrarse entre sí. En otras palabras, el equilibrio es equilibrio, equilibrio. Los procesos de combustión en un incendio obedecen a las leyes fundamentales de la naturaleza, en particular, a las leyes de conservación de masa y energía.

Para resolver muchos problemas prácticos, así como para realizar cálculos técnicos contra incendios, es necesario conocer la cantidad de aire necesaria para la combustión, así como el volumen y la composición de los productos de combustión. Estos datos son necesarios para calcular la temperatura de combustión de sustancias, la presión de explosión, el exceso de presión de explosión, la concentración flegmatizante del flegmatizador y el área de estructuras fácilmente desechables.

El método para calcular el balance de materia de los procesos de combustión está determinado por la composición y el estado de agregación de la sustancia. El cálculo tiene sus propias características para compuestos químicos individuales, para una mezcla de gases y para sustancias de composición elemental compleja.

Compuestos químicos individuales- Son sustancias cuya composición puede expresarse mediante una fórmula química. El proceso de combustión en este caso se calcula utilizando la ecuación de reacción de combustión.

Al componer la ecuación de la reacción de combustión, debe recordarse que en los cálculos técnicos contra incendios se acostumbra referir todas las cantidades a 1 mol de sustancia inflamable. Esto, en particular, significa que en la ecuación de la reacción de combustión frente a una sustancia combustible el coeficiente siempre es es igual a 1.

La composición de los productos de combustión depende de la composición del material de partida.

Combustión de propano en oxígeno.

Registramos la reacción de combustión:

CON 3 norte 8 +O 2 =CO 2 + norte 2 ACERCA DE

2. Hay 3 átomos de carbono en una molécula de propano, a partir de los cuales se forman 3 moléculas de dióxido de carbono.

CON 3 norte 8 +O 2 = 3СО 2 + norte 2 ACERCA DE

3. En una molécula de propano hay 8 átomos de hidrógeno, de los cuales se forman 4 moléculas de agua:

CON 3 norte 8 +O 2 = 3СО 2 + 4H 2 ACERCA DE

4. Cuente el número de átomos de oxígeno en el lado derecho de la ecuación.

5. También debería haber 10 átomos de oxígeno en el lado izquierdo de la ecuación. La molécula de oxígeno consta de dos átomos, por lo tanto, se debe colocar un coeficiente de 5 delante del oxígeno.

CON 3 norte 8 + 5О 2 = 3СО 2 + 4H 2 ACERCA DE

Los coeficientes en la ecuación de reacción se llaman coeficientes estequiométricos y muestre cuántos moles (kmol) de sustancias participaron en la reacción o se formaron como resultado de la reacción.

El coeficiente estequiométrico, que indica el número de moles de oxígeno necesarios para la combustión completa de una sustancia, se denota con la letra  .

En la primera reacción  = 5.

Combustión de glicerol en oxígeno.

1. Escriba la ecuación de la reacción de combustión.

CON 3 norte 8 ACERCA DE 3 +O 2 =CO 2 + norte 2 ACERCA DE

2. Igualar carbono e hidrógeno:

CON 3 norte 8 ACERCA DE 3 +O 2 = 3СО 2 + 4H 2 ACERCA DE.

3. Hay 10 átomos de oxígeno en el lado derecho de la ecuación.

La sustancia combustible contiene 3 átomos de oxígeno, por lo tanto, 10 – 3 = 7 átomos de oxígeno pasan del oxígeno a los productos de combustión.

Así, delante del oxígeno es necesario poner un coeficiente de 7: 2 = 3,5.

CON 3 norte 8 ACERCA DE 3 +3.5О 2 = 3СО 2 + 4H 2 ACERCA DE.

En esta reacción  = 3,5.

Combustión de amoníaco en oxígeno.

El amoníaco se compone de hidrógeno y nitrógeno, por lo que los productos de la combustión contendrán agua y nitrógeno molecular.

Nueva Hampshire 3 + 0,75 oh 2 = 1,5 h 2 oh + 0,5 norte 2  = 0,75.

Tenga en cuenta que la sustancia inflamable tiene un coeficiente de 1 y todos los demás coeficientes de la ecuación pueden ser números fraccionarios.

Combustión de disulfuro de carbono en oxígeno.

Productos de combustión de disulfuro de carbono. C.S. 2 será dióxido de carbono y óxido de azufre (IV).

C.S. 2 + 3 oh 2 = CO 2 + 2 ENTONCES 2  = 3.

Muy a menudo, en caso de incendio, la combustión no se produce en un ambiente de oxígeno puro, sino en el aire. El aire se compone de nitrógeno (78%), oxígeno (21%), óxidos de nitrógeno, dióxido de carbono, gases inertes y otros (1%). Para los cálculos se supone que el aire contiene un 79% de nitrógeno y un 21% de oxígeno. Así, por un volumen de oxígeno hay 3,76 volúmenes de nitrógeno (79:21 = 3,76).

De acuerdo con la ley de Avogadro, la proporción de moles de estos gases será 1: 3,76. Así, podemos escribir que composición molecular del aire (ACERCA DE 2 + 3,76 norte 2 ).

La composición de las reacciones de combustión de sustancias en el aire es similar a la composición de las reacciones de combustión en oxígeno. La única peculiaridad es que el nitrógeno del aire a una temperatura de combustión inferior a 2000 0 C no entra en la reacción de combustión y se libera de la zona de combustión junto con los productos de combustión.

Combustión de hidrógeno en el aire.

norte 2 + 0,5(O 2 + 3,76 norte 2 ) = norte 2 O + 0,5 3,76 norte 2  = 0,5.

Tenga en cuenta que el coeficiente estequiométrico delante del oxígeno, 0,5, también debe colocarse en el lado derecho de la ecuación delante del nitrógeno.

Quemando propanol en el aire

CON 3 norte 7 OH + 4,5(O 2 + 3,76 norte 2 ) =3СО 2 + 4H 2 +4,5 3,76 norte 2

El combustible contiene oxígeno, por lo que el cálculo del coeficiente.  realizado de la siguiente manera: 10 – 1 = 9; 9:2 = 4,5.

Anilina ardiendo en el aire.

CON 6 norte 5 nortenorte 2 + 7,75(O 2 + 3,76 norte 2 ) =6СО 2 + 3,5N 2 O + 0,5norte 2 +7,75  3,76 norte 2

En esta ecuación, el nitrógeno aparece dos veces en el lado derecho de la ecuación: nitrógeno del aire y nitrógeno de la sustancia combustible.

Quema de monóxido de carbono en el aire

CO + 0,5(O 2 + 3,76 norte 2 ) = CO 2 + 0,5  3,76 norte 2

Combustión de clorometano en el aire.

CH 3 CONyo+ 1,5(O 2 + 3,76 norte 2 ) = CO 2 + NSyo+ norte 2 +1,5 3,76 norte 2

Combustión de dietiltioéter en el aire.

(CON 2 norte 5 ) 2 S+ 7,5(O 2 + 3,76 norte 2 ) =4СО 2 + 5H 2 O +ENTONCES 2 + 7,5  3,76 norte 2

Combustión de fosfato de dimetilo en el aire.

(SN 3 ) 2 caballos de fuerza ACERCA DE 4 + 3(O 2 + 3,76 norte 2 ) =2СО 2 + 3,5N 2 O + 0,5P 2 ACERCA DE 5 + 3  3,76 norte 2

En los procesos de combustión, las sustancias iniciales son una sustancia combustible y un oxidante, y las sustancias finales son productos de combustión.

1. Escribamos la ecuación de la reacción de combustión del ácido benzoico.

CON 6 norte 5 COOH + 7,5(O 2 + 3,76 norte 2 ) =7СО 2 + 3H 2 +7,5 3,76 norte 2

2. Materiales de partida: 1 mol de ácido benzoico;

7,5 moles de oxígeno;

7,53,76 moles de nitrógeno.

Sólo hay 7,54,76 moles de gases en el aire.

Total (1 + 7,54,76) moles de sustancias de partida.

3. Productos de la combustión: 7 moles de dióxido de carbono;

3 moles de agua;

7,53,76 moles de nitrógeno.

Total (7 + 3 + 7,53,76) moles de productos de combustión.

Se aplican proporciones similares cuando se quema 1 kilomol de ácido benzoico.

Mezclas de compuestos químicos complejos. o las sustancias de composición elemental compleja no pueden expresarse mediante una fórmula química; su composición suele expresarse en el contenido porcentual de cada elemento; Estas sustancias incluyen, por ejemplo, petróleo y productos derivados del petróleo, madera y muchas otras sustancias orgánicas.

Combustión (reacción)

(a. combustión, quema; norte. Brennen, Verbrennung; F. combustión; Y. combustión) es una reacción de oxidación que ocurre rápidamente acompañada de la liberación de un medio. cantidad de calor; generalmente acompañado de un resplandor brillante (llama). En la mayoría de los casos, el gas actúa como agente oxidante durante la hidrólisis, pero los procesos de hidrólisis también son posibles en reacciones de otro tipo (hidrogenación de metales en nitrógeno, en halógenos). en fisico La química incluye todos los gases exotérmicos. química. procesos, en qué seres. El papel lo desempeña la autoaceleración de la reacción provocada por un aumento de temperatura (mecanismo térmico) o la acumulación de partículas activas (mecanismo de difusión).
Un rasgo característico del fuego es la presencia de un área espacialmente limitada de alta temperatura (llama), en la que se produce el incendio principal. parte de la química se libera la transformación de las sustancias de partida en productos de combustión y b.h. calor. La aparición de una llama se produce por ignición, lo que requiere el gasto de una determinada cantidad de energía, pero la propagación de la llama a través de un sistema capaz de combustión se produce de forma espontánea, a una velocidad que depende de la composición química. propiedades del sistema, físicas y dinámica de gases procesos. Características técnicamente importantes del gas: poder calorífico de la mezcla combustible y teórico. temperatura (adiabática), la ventaja se lograría con la combustión completa del combustible sin pérdida de calor.
De toda la variedad de procesos de hidrólisis, generalmente distinguimos, según el estado agregado del combustible y el oxidante, en hidrólisis homogénea de gases premezclados y combustibles vaporosos en oxidantes gaseosos, hidrólisis heterogénea (combustibles sólidos y líquidos en oxidantes gaseosos), e hidrólisis de explosivos y pólvora (que se produce sin intercambio de masa con el medio ambiente).
Los más simples son los gases homogéneos de gases mixtos. La velocidad de propagación de la llama laminar a través de dicho sistema es físico-química. mezcla constante, dependiendo de la composición de la mezcla, presión, temperatura y mol. conductividad térmica.
La heterogeneidad heterogénea es el proceso más extendido en la naturaleza y la tecnología. Su velocidad está determinada por la física. propiedades del sistema y condiciones específicas de combustión. Para los combustibles líquidos, la tasa de evaporación es de gran importancia y para los combustibles sólidos, la tasa de gasificación es de gran importancia. Así, en la minería del carbón se pueden distinguir dos etapas. En el primero (bajo la condición de calentamiento lento), se liberan los componentes volátiles del carbón, y en el segundo, los residuos de coque se queman.
La propagación de la llama a través del gas provoca la aparición de movimiento de gas. distancia desde el frente de llama. Si el ancho de la zona de reacción es pequeño, entonces la llama se puede representar como dinámica de gas. una ruptura que se mueve a través de un gas a velocidad subsónica. Esto es posible no sólo en el caso de una mezcla homogénea, sino también de combustibles líquidos y sólidos bastante finamente dispersos suspendidos en el oxidante. Dado que la componente de la velocidad de la llama normal a su frente no depende de la velocidad del gas mismo, durante el gas estacionario se establece una forma de llama completamente definida en un flujo de gas en movimiento. G. en tales condiciones está garantizado por el diseño adecuado de los dispositivos de combustión.
El movimiento del gas provocado por la aparición de una llama puede ser laminar o turbulento. La turbulización del flujo, por regla general, provoca una fuerte aceleración de la combustión y la aparición de ruido acústico. perturbaciones en el flujo, que finalmente conducen a la aparición de un choque, iniciando la detonación de la mezcla de gases. La posibilidad de que el gas pase a detonar está determinada, además de las propiedades del propio gas, por el tamaño y la geometría del sistema.
Los procesos de gas combustible se utilizan principalmente en tecnología. La tarea de quemar combustible se reduce a alcanzar un máximo. liberación de calor (eficiencia de combustión) durante un período de tiempo determinado. en la fragua De hecho, los métodos para desarrollar p.i. se basan en el uso del proceso G. ( cm. Combustión in situ). En determinadas actividades mineras y geológicas condiciones que surgen espontáneamente GRAMO. ( cm. La combustión espontánea de carbón, la combustión espontánea de turba) pueden provocar incendios endógenos. L. G. Bolkhovitinov.

Enciclopedia de montaña. - M.: Enciclopedia soviética. Editado por E. A. Kozlovsky. 1984-1991 .

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Combustión

Combustión- un proceso físico y químico complejo de convertir los componentes de una mezcla combustible en productos de combustión con la liberación de radiación térmica, luz y energía radiante. La naturaleza de la combustión puede describirse como una oxidación que ocurre rápidamente.

La combustión subsónica (deflagración), a diferencia de la explosión y la detonación, ocurre a bajas velocidades y no está asociada con la formación de una onda de choque. La combustión subsónica incluye la propagación normal de llamas laminares y turbulentas, y la combustión supersónica incluye la detonación.

La combustión se divide en térmico Y cadena. En el núcleo térmico La combustión es una reacción química que puede desarrollarse con una autoaceleración progresiva debido a la acumulación de calor liberado. Cadena La combustión ocurre en casos de algunas reacciones en fase gaseosa a bajas presiones.

Se pueden proporcionar condiciones para la autoaceleración térmica para todas las reacciones con efectos térmicos y energías de activación suficientemente grandes.
La combustión puede comenzar espontáneamente como resultado de una autoignición o iniciarse por ignición. Bajo condiciones externas fijas, la combustión continua puede ocurrir en modo estacionario, cuando las principales características del proceso (velocidad de reacción, poder de liberación de calor, temperatura y composición de los productos) no cambian con el tiempo, o modo periódico cuando estas características fluctúan alrededor de sus valores medios. Debido a la fuerte dependencia no lineal de la velocidad de reacción con la temperatura, la combustión es muy sensible a las condiciones externas. Esta misma propiedad de la combustión determina la existencia de varios modos estacionarios en las mismas condiciones (efecto histéresis).

El proceso de combustión se divide en varios tipos: inflamación, combustión, ignición, combustión espontánea, ignición espontánea, explosión y detonación. Además, existen tipos especiales de combustión: combustión sin llama y con llama fría. Flash es el proceso de combustión instantánea de vapores de líquidos inflamables y combustibles causado por la exposición directa a una fuente de ignición. La combustión es el fenómeno de la combustión que se produce bajo la influencia de una fuente de ignición. La ignición es un fuego acompañado de la aparición de una llama. Al mismo tiempo, el resto de la masa de la sustancia combustible permanece relativamente fría. La combustión espontánea es un fenómeno de fuerte aumento en la velocidad de reacciones exotérmicas en una sustancia, que conduce a la combustión en ausencia de una fuente de ignición. La combustión espontánea es la combustión espontánea acompañada de la aparición de una llama. En condiciones industriales, el aserrín y los trapos aceitosos pueden inflamarse espontáneamente. La gasolina y el queroseno pueden encenderse espontáneamente. La explosión es una rápida transformación química de una sustancia (combustión explosiva), acompañada de la liberación de energía y la formación de gases comprimidos capaces de producir trabajo mecánico.

Quema sin llama

A diferencia de la combustión convencional, cuando se observan zonas de llama oxidante y llama reductora, es posible crear las condiciones para una combustión sin llama. Un ejemplo es la oxidación catalítica de sustancias orgánicas en la superficie de un catalizador adecuado, como la oxidación de etanol sobre negro de platino.

Combustión en fase sólida

Se trata de procesos exotérmicos por ondas automáticas en mezclas de polvos inorgánicos y orgánicos, que no van acompañados de un desprendimiento notable de gas y que conducen a la producción de productos exclusivamente condensados. Las fases gaseosa y líquida se forman como sustancias intermedias que proporcionan transferencia de masa, pero no abandonan el sistema de combustión. Se conocen ejemplos de polvos reactivos en los que no se ha demostrado la formación de dichas fases (tántalo-carbono).

Los términos triviales “combustión sin gas” y “combustión con llama sólida” se utilizan como sinónimos.

Un ejemplo de tales procesos es SHS (síntesis autopropagante a alta temperatura) en mezclas orgánicas e inorgánicas.

Latente

Un tipo de combustión en el que no se forma llama y la zona de combustión se extiende lentamente por todo el material. La combustión lenta ocurre típicamente en materiales porosos o fibrosos que tienen un alto contenido de aire o están impregnados con agentes oxidantes.

Combustión autógena

Combustión autosostenida. El término se utiliza en tecnologías de incineración de residuos. La posibilidad de combustión autógena (autosostenida) de residuos está determinada por el contenido máximo de componentes de lastre: humedad y cenizas. Basándose en muchos años de investigación, el científico sueco Tanner propuso utilizar un diagrama triangular con valores límite para determinar los límites de la combustión autógena: más del 25% de combustible, menos del 50% de humedad, menos del 60% de ceniza.

ver también

Notas

Enlaces

Fundación Wikimedia. 2010.

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