Kimyoviy ishlab chiqarishning energetik texnologiyasi texnik termodinamika

2.6. Gaz yoqilg'isining yonish xususiyatlari

Ilgari yoqilg'i uchta agregat holatida bo'lishi mumkinligi ko'rsatilgan edi: qattiq, suyuq va gazsimon. Eng ko'p ishlatiladigan gaz yoqilg'isi, shuning uchun uning yonishi jarayonini batafsil ko'rib chiqamiz.

Yonish uchun gaz yoqilg'isini etkazib berishning ikki yo'li mavjud: uni pechga (kimyoviy reaktor) (chuqur oksidlanish reaktsiyalari) havodan alohida (aralashtirish pechda sodir bo'ladi) yoki u bilan oldindan aralashtirish orqali yuborish mumkin. Agar yoqilg'i havo bilan aralashtirilgan bo'lsa, u holda yonuvchi aralashma allaqachon yonishga tayyor, shuning uchun yonish jarayoni kimyoviy reaksiya tezligi (kinetika) bilan belgilanadi. Bunday holda, u kinetik deb nomlanadi.

U mumiy kimyoviy texnologiya kursidan ma'lum bo'lganidek, kimyoviy reaksiya tezligi reaktivlarning kontsentratsiyasiga va jarayonning haroratiga bog'liq bo'lib, harorat tezligi oshib borishi bilan jarayonning tezligi oshadi:

(2.31)
Agar jarayon ekzotermik ekanligini hisobga olsak, u holda haroratning oshishi bilan yonish tezligi tobora ko'payib boradi, shuning uchun jarayon o'z-o'zidan tezlashadi, bu hatto portlashga olib kelishi mumkin. Vodorod va uglevodorodlarning bir hil yonish jarayoni radikal mexanizm (2.3-rasm) bo'yicha davom etishi tajribada isbotlangan, uning tezligi vaqt ichida o'zgarishi shakl. 2.4.

Shakldagi grafikadan ko'rinib turibdiki. 2.4, o'tayotganda birinchi

Ekzotermik kimyoviy reaktsiyada tizim ma'lum bir energiya darajasiga yetguncha, radikallar sonining ko'payishi bilan energiya hosil qiladi (ularning paydo bo'lish tezligi ularni iste'mol qilish tezligidan bir oz yuqori). reaktsiyaning zanjirli mexanizmi mumkin bo'ladi.

Reaksiya zanjir mexanizmi bo'yicha davom etganda, radikallar ko'chkiga o'xshash tarzda hosil bo'ladi, bu jarayonning tezligini yanada kuchayishiga va tizimning energiya bilan "pompalanishiga" olib keladi, bu esa boshqalarning paydo bo'lishiga yordam beradi. radikallar. Ushbu jarayonni faqat boshlang'ich reaktivlar sarflanganda bajarish mumkin.

Zanjir bo'ylab kimyoviy reaktsiya sodir bo'lgan vaqtdan boshlab radikal mexanizm ahamiyatsiz va shu vaqt ichida kimyoviy reaktsiyaning barcha issiqligi (adiyabatik yonish) ajralib chiqadi, keyin bu yonish usuli bilan juda yuqori haroratga erishish mumkin.

Bir tomondan, bu ijobiy rol o'ynaydi, chunki harorat oshishi bilan issiqlik uzatish jarayonining harakatlantiruvchi kuchi oshishi ma'lum, va boshqa tomondan bu salbiy, chunki issiqlik uzatish uskunalari materiallari uning termal barqarorligi va bilan bog'liq cheklovlarga ega issiqlik intensivligi. Shu sabablarga ko'ra kinetik yonish faqat maxsus holatlarda qo'llaniladi: ichki yonish dvigatellarida, metall uchun gaz kesuvchi mash'alalarda va hk.

Agar yoqilg'i va havo o'choqqa alohida berilsa, yonish jarayoni ushbu oqimlarning aralashtirish darajasi bilan aniqlanadi. Ikki gaz oqimining aralashish tezligi ancha past bo'lganligi va molekulyar diffuziya tezligi bilan aniqlanganligi va oksidlanish jarayoni deyarli bir zumda davom etayotganligi sababli, yoqilg'ining yonishining bu usuli jarayonning cheklangan bosqichiga muvofiq diffuziya deb ataladi. Sanoatda u juda keng qo'llaniladi, chunki birinchi navbatda portlovchi aralashmani tashish zaruriyati yo'q qilinadi, ikkinchidan, sirtni bir tekis qizdirish uchun radiatsiya maydonini oshirish kerak (ya'ni mash'al) va boshqalar ...

Umumiy kimyoviy texnologiya kursidan ma'lumki

ma'lum bir belgilangan hajmdagi reaktorda (o'choqda) kimyoviy reaktsiyani o'tkazish, kimyoviy reaktsiya tezligini belgilaydigan tegishli konsentratsiya va harorat sharoitlarini kuzatish kerak. Mavjud quvvat-texnologik qurilmalarning ko'pchiligida "yoqilgan" pechlar yoki plazma-kimyoviy reaktorlardan foydalanilganligi sababli, olov (plazma) ning barqaror mavjud bo'lishi uchun juda qattiq kontsentratsiya va harorat chegaralariga bardosh berish kerak.

Berilgan tarkibdagi gazli yoqilg'i uchun yoqilg'ining yonishining quyi va yuqori darajadagi chegaralari mavjud bo'lib, ular portlash qobiliyatining kontsentratsiyasi chegaralariga to'g'ri keladi, ya'ni. bu chegaralardan tashqarida alanga (plazma) ning barqaror mavjud bo'lishi mumkin emas. Masalan, jadvalda. 2.2 havodagi har xil turdagi yoqilg'ilarning konsentratsiyasi chegaralarini beradi.

Agar havodagi yoqilg'ining konsentratsiyasi tegishli kontsentratsiya chegarasidan past yoki undan yuqori bo'lsa, unda bunday aralash olov va portlashga qarshi deb hisoblanadi. Shu bilan birga, siz aralashtirishning makro effektlari tufayli yuqori konsentratsiyali gaz aralashmalari yoki toza gazlarni, hatto katta miqdordagi havo bilan aralashtirishda ham portlovchi kontsentratsiyaning alohida markazlari paydo bo'lishi mumkinligiga e'tibor berishingiz kerak.

Bunday holda, stexiometrik aralash molekulalarning energiyasi kimyoviy reaktsiya boshlanishidagi energiya to'sig'idan oshib ketgandagina yonishi mumkin (kimyoviy reaktsiya). Molekulalarning energiyasi haroratga bog'liq bo'lgani uchun, aralashmaning harorati avtoulov haroratidan oshib ketishi kerak. Turli xil yoqilg'ilar uchun bu harorat har xil bo'ladi: CH4  650-750 S, S2N2  406-440 S, N2  580-590 S, SO  644-658 S.

S hunday qilib, olov mavjudligi uchun bir vaqtning o'zida ikkita shartni bajarish kerak:

1) yoqilg'ining havodagi konsentratsiyasi quyi konsentratsiya chegarasidan yuqori va yuqori kontsentratsiya chegarasidan past bo'lishi kerak;

2) havo yoqilg'isi aralashmasining harorati avtoulov haroratidan yuqori bo'lishi kerak.

Bunday holda, yonuvchan aralashmaning harorati butun hajmdagi avtoulov haroratidan yuqori bo'lishi umuman zarur emas. Yoqilg'i oksidlanishining havo kislorodi bilan reaktsiyalari ekzotermik bo'lgani uchun, jarayonni hajmning istalgan nuqtasida boshlash kifoya, chunki kimyoviy yonish reaktsiyasi boshlangandan so'ng ekzotermik jarayon avtotermik tarzda davom etishi mumkin. Shuning uchun, hatto eng kichik uchqun ham portlashni keltirib chiqarishi mumkin.

"Olovli" pechlardan tashqari, reaktivlarning deyarli har qanday nisbatida ishlaydigan, ammo katalizatorning yonish haroratidan yuqori (300-600 S) haroratda ishlaydigan va "olovsiz" pechlar mavjud (chuqur katalitik oksidlanish reaktorlari) va uni yo'q qilish haroratidan past (900-1200 S).

Ushbu turdagi o'choq juda istiqbolli, chunki katalizator gaz yoqilg'isini chuqur oksidlanish jarayonini portlash xavfi va soot, CO va boshqalar hosil bo'lishining yon kimyoviy reaktsiyalarisiz boshqariladigan tarzda boshqarishga imkon beradi. va hatto yoqilg'i aralashmalarini konsentratsiya chegaralaridan tashqarida "yoqish", chunki bu usulda olov yo'q.

Biroq, bu usul uchun keng harorat oralig'idagi maxsus katalizatorlar va jarayonni ishonchli avtomatik boshqarish tizimlari kerak (katalizatorga zarar etkazmaslik uchun). Hozirgi vaqtda ushbu usul, masalan, statsionar gaz turbinalari va boshqalar uchun qo'llanila boshlandi. Shunga qaramay, hozirda sanoatda eng keng tarqalgan yoqilg'i yoqish usuli "olov" usuli bo'lib qolmoqda, shuning uchun biz uni batafsil ko'rib chiqamiz.

Avvalroq, yoqilg'i va havoni pechga alohida etkazib berish bilan jarayonning tezligi molekulyar diffuziya bilan aniqlanishi ko'rsatilgan edi. Gaz oqimining harakatlanish rejimiga qarab laminar va turbulent diffuziya ajratiladi. O'z navbatida, yoqilg'i va havo oqimlarining past tezligida ularning harakatlanish tartibi laminar (Re <2300), ya'ni. ularda turbulent girdoblar yo'q va yonish darajasi faqat molekulyar diffuziya bilan aniqlanadi.

Bu holda mash'ala uzunligi maksimal bo'ladi. Oqim tezligining oshishi bilan (Re> 2300) ularda turbulent girdoblar vujudga keladi, ular aralashishni yaxshilaydi va alanga uzunligini kamaytiradi. Gazli yoqilg'ining yonishi uchun mash'ala diagrammasi shakl. 2.5.

rasm. 2.5. Gaz yoqilg'isini yoqish paytida yonish diagrammasi

Shakl. 2.5 ko'rinib turibdiki, toza gaz va toza havo oqimlari o'choqqa alohida etkazib beriladi, bu erda quyidagilar sodir bo'ladi:

1) ularni yonuvchan aralashma hosil bo'lishi bilan aralashtirish;

2) yonish mahsuloti bilan aralashtirilganda yonuvchan aralashmani avtotransport haroratiga qizdirish;

3) yonuvchan aralashmaning yonishi (alanga old tomoni);

4) tutun gazlarini o'choqdan chiqarib tashlash.

Yoqilg'i yonish mexanizmidan kelib chiqadigan ketma-ketlik bosqichlaridan kelib chiqadigan bo'lsak, aralashmaning yomon aralashishi va isishi yoki past oqim tezligi olovni o'chirishga yoki chiqishga olib kelishi mumkin, bu esa bruska yoki pechning yo'q qilinishiga olib keladi. Shunday qilib, burnerlar yoqilg'ining havo bilan yaxshi aralashishini va mash'alani söndürmeden va pulsatsiyasiz ishonchli yonishini ta'minlashi kerak.