Уравнение горения пропана в избытке кислорода

Составьте уравнение реакции горения пропана при избытке кислорода?

Химия | 10 — 11 классы

Составьте уравнение реакции горения пропана при избытке кислорода.

С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О

В чем заключается отличие реакции горения лития и натрия в кислороде?

Составьте уравнения соответствующих реакций.

Составьте уравнение реакции горения в кислороде P3H + 2O?

Составьте уравнение реакции горения в кислороде P3H + 2O.

Составьте уравнения реакции горения пропана, используемого в быту в качестве топлива?

Составьте уравнения реакции горения пропана, используемого в быту в качестве топлива.

Составьте уравнение реакции горения фосфора в кислороде (СРОЧНО)?

Составьте уравнение реакции горения фосфора в кислороде (СРОЧНО).

При горении в газовой горелке с кислородом взаимодействуют метан CH4 пропан C3H3 бутан C4H10?

При горении в газовой горелке с кислородом взаимодействуют метан CH4 пропан C3H3 бутан C4H10.

Продуктами горения являются вода и углекислый газ.

Составьте уравнения реакции горения метана, пропана, бутана.

Составьте уравнение реакции горения в кислороде (магний, кальций, кремний)?

Составьте уравнение реакции горения в кислороде (магний, кальций, кремний).

Напишите уравнение реакции горения фосфора в избытке кислорода?

Напишите уравнение реакции горения фосфора в избытке кислорода.

Составьте уравнения реакции горения предельных углеводородов а)пропан , б)изо — бутан?

Составьте уравнения реакции горения предельных углеводородов а)пропан , б)изо — бутан.

Составьте уровнение реакции горения пропана и бутана?

Составьте уровнение реакции горения пропана и бутана.

1. Составьте уравнения реакций горения веществ а) алюминия б)хлора в) пропана С3Н8?

1. Составьте уравнения реакций горения веществ а) алюминия б)хлора в) пропана С3Н8.

Вы находитесь на странице вопроса Составьте уравнение реакции горения пропана при избытке кислорода? из категории Химия. Уровень сложности вопроса рассчитан на учащихся 10 — 11 классов. На странице можно узнать правильный ответ, сверить его со своим вариантом и обсудить возможные версии с другими пользователями сайта посредством обратной связи. Если ответ вызывает сомнения или покажется вам неполным, для проверки найдите ответы на аналогичные вопросы по теме в этой же категории, или создайте новый вопрос, используя ключевые слова: введите вопрос в поисковую строку, нажав кнопку в верхней части страницы.

Дано m(SO3) = 8 g Na2O — — — — — — — — — — — — — — — m(Na2SO4) — ? 8 X SO3 + Na2O — — >Na2SO4 M(SO3) = 80 g / mol M(Na2SO4) = 142 g / mol 80 142 8 / 80 = x / 142 X = 14. 2 g ответ 14. 2 г.

8 г Х г SO3 + Na2O — > Na2SO4 n = 1 моль n = 1 моль М = 80 г / моль М = 142 г / моль m = 80 г m = 142 г 8 г SO3 — Х г Na2SO4 80 г SO3 — 142 г Na2SO4 m(Na2SO4) = 8 * 142 / 80 = 14, 2 г.

Zn — >K2ZnO2 — >ZnSO4 — >K2[Zn(OH)4] — >Zn(NO3)2 — >ZnO 1)4Zn + KNO3 + 7KOH = NH3 + 4K2ZnO2 + 2H2O 2)K2ZnO2 + 2H2SO4 = K2SO4 + ZnSO4 + 2H2O 3)ZnSO4 + 4KOH = K2[Zn(OH)4] + K2SO4 4)K2[Zn(OH)4] + 4HNO3 = 2KNO3 + Zn(NO3)2 + 4H2O 5)2Zn(NO3)2 = 2ZnO + 4NO2..

Ca + H2O = Ca(OH)2 + H2n(Ca) = 6 г / моль : 40 г = 0, 15 мольV(Ca) = 0, 15моль * 22, 4 л / моль = 3, 36л3, 36л — 100%3 л — х%х = 89%.

Дано : Жк₁ = 11 мг — экв / л Жк₂ = 3 мг — экв / л Vв = 100 м³ Найти : m(Ca(OH)₂) Решение. Переведем единицы заданияв более удобные мг — экв / л = г — экв / м³ Снизить карбонатную жесткость с 11 г — экв / м³до 3г — экв / м³ — значит убрать из каждого..

Масса О2 = 0, 888. Если реак. 2Fe + O2 = 2FeO.

1 — Ответ 6NaOH + Al2O3 + 3H2O = 2Na3[Al(OH)6] NaOH + HCl = H2O + NaCl.

2) CH3 — CH2 — CH(CH3) — CH(CH2 — CH3) — CH2 — CH2 — CH3 3) CH3 — CH2 — CH2 — Cl + 2Na + Cl — CH2 — CH2 — CH3 — > CH3 — CH2 — CH2 — CH2 — CH2 — CH3 + 2NaCl.

Ca — 2e = Ca( + 2) коэффициент 4 Восстановитель, окисление 2N( + 5) + 8e = 2 N ( + 1) коэффициент 1 Окислитель, восстановление 4Ca + 10HNO3 = 4Ca(NO3)2 + N2O + 5H2O Если помог, нажми кнопку Спасибо)).

Глава 8. Характеристики горения газов

8.1. РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ

Г о р е н и е — быстропротекающая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания. Реакции горения описываются т.н. стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате ее вещества (Стехиометрический состав горючей смеси (от греч. stoicheion — основа, элемент и греч. metreo — измеряю) — состав смеси, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления топлива) . Общее уравнение реакции горения любого углеводорода

где m, n — число атомов углерода и водорода в молекуле; Q — тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.

Реакции горения некоторых газов приведены в табл. 8.1. Эти уравнения являются балансовыми, и по ним нельзя судить ни о скорости реакций, ни о механизме химических превращений.

Таблица 8.1. Реакции горения и теплота сгорания сухих газов (при 0°С и 101,3 кПа)

Газ	Реакция горения	Теплота сгорания
		Молярная, кДж/кмоль		Массовая, кДж/кг		Объемная, кДж/м 3
		высшая	низшая	высшая	низшая	высшая	низшая
Водород	H₂ + 0,5O₂ = H₂0	286,06	242,90	141 900	120 080	12 750	10 790
Оксид углерода	CO + 0,5O₂ = CO₂	283,17	283,17	10 090	10 090	12 640	12 640
Метан	CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O	880,90	800,90	55 546	49 933	39 820	35 880
Этан	C₂H₆ + 0,5O₂ = 2CO₂ + 3H₂O	1560,90	1425,70	52 019	47 415	70 310	64 360
Пропан	C₃H₈ + 5H₂O = 3CO₂ +4H₂O	2221,40	2041,40	50 385	46 302	101 210	93 180
н-бутан	C₄H₁₀ + 6,5O₂ = 4CO₂ + 5H₂O	2880,40	2655,00	51 344	47 327	133 800	123 570
Изобутан	C₄H₁₀ + 6,5O₂ = 4CO₂ + 5H₂O	2873,50	2648,30	51 222	47 208	132 960	122 780
н-Пентан	C₅H₁₂ + 😯₂ = 5CO₂ + 6H₂O	3539,10	3274,40	49 052	45 383	169 270	156 630
Этилен	C₂H₄ + 3O₂ = 2CO₂ + 2H₂O	1412,00	1333,50	50 341	47 540	63 039	59 532
Пропилен	C₃H₆ + 4,5O₂ = 3CO₂ + 3H₂O	2059,50	1937,40	48 944	46 042	91 945	88 493
Бутилен	C₄H₈ + 6O₂ = 4CO₂ + 4H₂O	2720,00	2549,70	48 487	45 450	121 434	113 830

Т е п л о в о й э ф ф е к т (теплота сгорания) Q — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м 3 газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Q_в и низшую Q_н теплоту сгорания: высшая теплота сгорания включает в себя теплоту конденсации водяных паров в процессе горения (в реальности при сжигании газа водяные пары не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания). Обычно технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, без учета теплоты конденсации водяных паров (≈2400 кДж/кг).

КПД, рассчитанный по низшей теплоте сгорания, формально выше, но теплота конденсации водяных паров достаточно велика, и ее использование более чем целесообразно. Подтверждение этому — активное применение в отопительной технике контактных теплообменников, весьма разнообразных по конструкции.

Для смеси горючих газов высшая (и низшая) теплота сгорания газов определяется по соотношению

где r₁, r₂, …, r_n — объемные (молярные, массовые) доли компонентов, входящих в смесь; Q₁, Q₂, …, Q_n — теплота сгорания компонентов.

Воспользовавшись табл. 8.1, высшую и низшую теплоту сгорания, кДж/м 3 , сложного газа можно определять по следующим формулам:

где H₂, CO, CH₄ и т.д. — содержание отдельных составляющих в газовом топливе, об. %.

Процесс горения протекает гораздо сложнее, чем по формуле (8.1), так как наряду с разветвлением цепей происходит их обрыв за счет образования промежуточных стабильных соединений, которые при высокой температуре претерпевают дальнейшие преобразования. При достаточной концентрации кислорода образуются конечные продукты: водяной пар Н₂О и двуокись углерода СО₂. При недостатке окислителя, а также при охлаждении зоны реакции, промежуточные соединения могут стабилизироваться и попадать в окружающую среду.

Интенсивность тепловыделения и рост температуры приводят к увеличению в реагирующей системе активных частиц. Такая взаимосвязь цепного реагирования и температуры, свойственная практически всем процессам горения, привела к введению понятия цепочечно-теплового взрыва — сами химические реакции горения имеют цепной характер, а их ускорение происходит за счет выделения теплоты и роста температуры в реагирующей системе.

Скорость химической реакции в однородной смеси пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ:

где С₁ и С₂ — концентрации реагирующих компонентов, кмоль/м 3 ; k — константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ и температуры.

При сжигании газа концентрации реагирующих веществ можно условно считать неизменными, так как в зоне горения происходит непрерывный приток свежих компонентов однозначного состава.

Константа скорости реакции (по уравнению Аррениуса):

где К₀ — предэкспоненциальный множитель, принимаемый для биометрических гомогенных смесей, ≈1,0; Е — энергия активации, кДж/кмоль; R — универсальная газовая постоянная, Дж/(кг•К); Т — абсолютная температура, К (°С); е — основание натуральных логарифмов.

Предэкспоненциальный множитель К₀ можно истолковать как константу, отражающую полноту столкновения молекул, а Е — как минимальную энергию разрыва связей молекул и образования активных частиц, обеспечивающих эффективность столкновений. Для распространенных горючих смесей она укладывается в пределах (80÷150)•10 3 кДж/кмоль.

Уравнение (8.6) показывает, что скорость химических реакций резко возрастает с увеличением температуры: например, повышение температуры с 500 до 1000 К влечет повышение скорости реакции горения в 2•10 4 ÷5•10 8 раз (в зависимости от энергии активации).

На скорость реакций горения влияет их цепной характер. Первоначально генерируемый реакцией атомы и радикалы вступают в соединения с исходными веществами и между собой, образуя конечные продукты и новые частицы, повторяющие ту же цепь реакций. Нарастающее генерирование таких частиц приводит к «разгону» химических реакций — фактически взрыву всей смеси.

Высокотемпературное горение углеводородов имеет сложный характер и связано с образованием активных частиц в виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений. В качестве примера приводятся реакции горения простейшего углеводорода — метана:

Итог единичного цикла:

8.2. РАСЧЕТЫ ГОРЕНИЯ

Кислород для горения поступает из воздуха как его составная часть. Для расчетов принимается, что объемный состав сухого воздуха следующий:

кислород — 21,0%, азот — 79,0%.

Согласно приведенным сведениям, 1 м 3 кислорода содержится в 100/21 = 4,76 м 3 воздуха, или на 1 м 3 кислорода приходится 79/21 = 3,76 м 3 азота. Учитывая, что 1 кмоль газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л, реакцию горения (см. уравнение 8.1) любого углеводорода в воздухе можно записать в обобщенном виде:

Потребности в кислороде и воздухе при горении различных газов, подсчитанные по приведенным реакциям горения, представлены в табл. 8.2.

Таблица 8.2. Теоретическая потребность в сухом кислороде и воздухе, м 3 , и объем продуктов сгорания газа при сжигании 1 м 3 газа

Газ	Теоретическая потребность		Продукты сгорания
Газ	кислорода	воздуха	диоксид углерода	водяной пар	азот	всего
Водород H₂	0,5	2,38	–	1,0	1,88	2,88
Оксид углерода CO	0,5	2,38	1,0	–	1,88	2,88
Метан CH₄	2,0	9,52	1,0	2,0	7,52	10,52
Этан C₂H₆	3,5	16,66	2,0	3,0	13,16	18,16
Пропан C₃H₈	5,0	23,80	3,0	4,0	18,80	25,80
Бутан C₄H₁₀	6,5	30,94	4,0	5,0	24,44	33,44
Пентан C₅H₁₂	8,0	38,08	5,0	6,0	30,08	41,08
Этилен C₂H₄	3,0	14,28	2,0	2,0	11,28	15,28
Пропилен C₃H₆	4,5	21,42	3,0	3,0	16,92	22,92
Бутилен C₄H₈	6,0	28,56	4,0	4,0	22,56	30,56
Пентилен C₅H₁₀	7,5	35,70	5,0	5,0	28,20	38,20
Ацетилен C₂H₂	2,5	11,90	2,0	1,0	9,40	12,40

Для сложного газа расход сухого воздуха V_c, м 3 /м 3 , подсчитывается по формуле, учитывающей потребность в кислороде отдельных компонентов смеси:

Теоретический расход влажного воздуха V_вл, м 3 /м 3 , больше определяемого по формуле (8.7) на объем содержащихся водяных паров:

где d_в — влажность воздуха, г/м 3 .

При неизвестном химическом составе газов, но известной низшей теплоте сгорания Q_н, кДж/м 3 , теоретический расход воздуха V _т , м 3 /м 3 ,

Реальный расход воздуха V_дв, м 3 /м 3 , принимается всегда несколько большим:

где α — коэффициент избытка воздуха, соответствующий требованиям ГОСТ. Для полного сгорания топлива значение α должно быть больше 1. Состав и объем продуктов сгорания, подсчитанный по реакциям горения некоторых газов в сухом воздухе, приведен в табл. 8.2.

8.3. ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ

В теплотехнике различаются следующие температуры горения газов: жаропроизводительность, калориметрическую, теоретическую и действительную (расчетную). Жаропроизводительность t_ж — максимальная температура продуктов полного сгорания газа в адиабатических условиях с коэффициентом избытка воздуха α = 1,0 и при температуре газа и воздуха, равной 0°C:

где Q_н — низшая теплота сгорания газа, кДж/м 3 ; ∑Vc_p — сумма произведений объемов диоксида углерода, водяного пара и азота, образовавшихся при сгорании 1 м 3 газа (м 3 /м 3 ), и их средних объемных теплоемкостей при постоянном давлении в пределах температур от 0°С до t_ж (кДж/(м 3 o°С).

В силу непостоянства теплоемкости газов жаропроизводительность определяется методом последовательных приближений. В качестве начального параметра берется ее значение для природного газа (≈2000°С), при α = 1,0 определяются объемы компонентов продуктов сгорания, по табл. 8.3 находится их средняя теплоемкость и затем по формуле (8.11) считается жаропроизводительность газа. Если в результате подсчета она окажется ниже или выше принятой, то задается другая температура и расчет повторяется.

Таблица 8.3. Средняя объемная теплоемкость газов, кДж/(м 3 •°С)

CO₂N₂O₂COCH₄H₂H₂O (водяные пары)воздухсухойвлажный на 1 м 3
сухого газа01,59811,29701,30871,30621,57081,28521,49901,29911,32301001,71861,29911,32091,30621,65901,29781,51031,30451,32852001,80181,30451,33981,31461,77241,30201,52671,31421,33603001,87701,31121,36081,32301,89841,30621,54731,32171,34654001,98581,32131,38221,33562,02861,31041,57041,33351,35875002,00301,33271,40241,34822,15041,31041,59431,34691,37876002,05591,34531,42171,36502,27641,31461,61951,36121,38737002,10341,35871,35491,37762,38981,31881,64641,37551,40208002,14621,37171,45491,39442,50321,32301,67371,38891,41589002,18571,38571,46921,40702,60401,33141,70101,40201,429310002,22101,39651,48221,41962,70481,33561,72831,41411,441911002,25251,40871,49021,43222,79301,33981,75561,42631,454512002,28191,41961,50631,44482,88121,34821,78251,43721,465813002,30791,43051,51541,4532–1,35661,80851,44821,477114002,33231,44061,52501,4658–1,36501,83411,45821,487615002,35451,45031,53431,4742–1,38181,85851,46751,497316002,37511,45871,5427–––1,88241,47631,506517002,39441,46711,5511–––1,90551,48431,514918002,41251,47461,5590–––1,92781,49181,522519002,42891,48221,5666–––1,96981,49941,530520002,44941,48891,57371,5078––1,96941,53761,537621002,45911,49521,5809–––1,9891––22002,47251,50111,5943–––2,0252––23002,48601,50701,5943–––2,0252––24002,49771,51661,6002–––2,0389––25002,50911,51751,6045–––2,0593––

Жаропроизводительность распространенных простых и сложных газов при их горении в сухом воздухе приведена в табл. 8.4. При сжигании газа в атмосферном воздухе, содержащем около 1 вес. % влаги, жаропроизводительность снижается на 25–30°С.

Таблица 8.4. Жаропроизводительность газов в сухом воздухе

Природный газовых месторождений

Природный нефтяных месторождений

Высокотемпературной перегонки сланцев

Парокислородного дутья под давлением

Генераторный из жирных углей

Генераторный паровоздушного дутья из тощих топлив

Калориметрическая температура горения t_к — температура, определяемая без учета диссоциации водяных паров и диоксида углерода, но с учетом фактической начальной температуры газа и воздуха. Она отличается от жаропроизводительности t_ж тем, что температура газа и воздуха, а также коэффициент избытка воздуха α принимаются по их действительным значениям. Определить t_к можно по формуле:

где q_физ — теплосодержание (физическая теплота) газа и воздуха, отсчитываемое от 0°С, кДж/м 3 .

Природные и сжиженные углеводородные газы перед сжиганием обычно не нагревают, и их объем по сравнению с объемом воздуха, идущего на горение, невелик. Поэтому при определении калориметрической температуры теплосодержание газов можно не учитывать. При сжигании газов с низкой теплотой сгорания (генераторные, доменные и др.) их теплосодержание (в особенности нагретых до сжигания) оказывает весьма существенное влияние на калориметрическую температуру.

Зависимость калориметрической температуры природного газа среднего состава в воздухе с температурой 0°С и влажностью 1% от коэффициента избытка воздуха α приведена в табл. 8.5, для сжиженного углеводородного газа при его сжигании в сухом воздухе — в табл. 8.7. Данными табл. 8.5–8.7 можно с достаточной точностью руководствоваться при установлении калориметрической температуры горения других природных газов, сравнительно близких по составу, и углеводородных газов практически любого состава. При необходимости получить высокую температуру при сжигании газов с малыми коэффициентами избытка воздуха, а также для повышения КПД печей, на практике подогревают воздух, что приводит к росту калориметрической температуры (см. табл. 8.6).

Таблица 8.5. Калориметрическая и теоретическая температуры горения природного газа в воздухе с t = 0°С и влажностью 1% в зависимости от коэффициента избытка воздуха α

Простой газ	Жаропроизводительность, °С	Сложный газ усредненного состава
Водород	2235	2040
Оксид углерода	2370	2080
Метан	2043	2120
Этан	2097	1980
Пропан	2110	2050
Бутан	2118	1750
Пентан	2119	1670
Этилен	2284	2115
Ацетилен	2620

Коэффициент избытка воздуха α	Калориметрическая температура горения t_к, °С	Теоретическая температура горения t_т, °С	Коэффициент избытка воздуха α	Калориметрическая температура горения t_к, °С
1,0	2010	1920	1,33	1620
1,02	1990	1900	1,36	1600
1,03	1970	1880	1,40	1570
1,05	1940	1870	1,43	1540
1,06	1920	1860	1,46	1510
1,08	1900	1850	1,50	1470
1,10	1880	1840	1,53	1440
1,12	1850	1820	1,57	1410
1,14	1820	1790	1,61	1380
1,16	1800	1770	1,66	1350
1,18	1780	1760	1,71	1320
1,20	1760	1750	1,76	1290
1,22	1730	–	1,82	1260
1,25	1700	–	1,87	1230
1,28	1670	–	1,94	1200
1,30	1650	–	2,00	1170

Таблица 8.6. Калориметрическая температура горения природного газа t_к, °С, в зависимости от коэффициента избытка сухого воздуха и его температуры (округленные значения)

Коэффициент избытка воздуха α	Температура сухого воздуха, °С
Коэффициент избытка воздуха α	20	100	200	300	400	500	600	700	800
0,5	1380	1430	1500	1545	1680	1680	1740	1810	1860
0,6	1610	1650	1715	1780	1840	1900	1960	2015	2150
0,7	1730	1780	1840	1915	1970	2040	2100	2200	2250
0,8	1880	1940	2010	2060	2130	2200	2260	2330	2390
0,9	1980	2030	2090	2150	2220	2290	2360	2420	2500
1,0	2050	2120	2200	2250	2320	2385	2450	2510	2560
1,2	1810	1860	1930	2000	2070	2140	2200	2280	2350
1,4	1610	1660	1740	1800	2870	1950	2030	2100	2160
1,6	1450	1510	1560	1640	1730	1800	1860	1950	2030
1,8	1320	1370	1460	1520	1590	1670	1740	1830	1920
2,0	1220	1270	1360	1420	1490	1570	1640	1720	1820

Таблица 8.7. Калориметрическая температура горения t_к технического пропана в сухом воздухе с t = 0°С в зависимости от коэффициента избытка воздуха α

Коэффициент избытка воздуха α	Калориметрическая температура горения t_к, °С	Коэффициент избытка воздуха α	Калориметрическая температура горения t_к, °С
1,0	2110	1,45	1580
1,02	2080	1,48	1560
1,04	2050	1,50	1540
1,05	2030	1,55	1500
1,07	2010	1,60	1470
1,10	1970	1,65	1430
1,12	1950	1,70	1390
1,15	1910	1,75	1360
1,20	1840	1,80	1340
1,25	1780	1,85	1300
1,27	1750	1,90	1270
1,30	1730	1,95	1240
1,35	1670	2,00	1210
1,40	1630	2,10	1170

Теоретическая температура горения t_T — максимальная температура, определяемая аналогично калориметрической t_к, но с поправкой на эндотермические (требующие теплоты) реакции диссоциации диоксида углерода и водяного пара, идущие с увеличением объема:

При высоких температурах диссоциация может привести к образованию атомарного водорода, кислорода и гидроксильных групп ОН. Кроме того, при сжигании газа всегда образуется некоторое количество оксида азота. Все эти реакции эндотермичны и приводят к снижению температуры горения.

Теоретическая температура горения может быть определена по следующей формуле:

где q_дис — суммарные затраты теплоты на диссоциацию СО₂ и Н₂О в продуктах сгорания, кДж/м 3 ; ΣVc_p — сумма произведения объема и средней теплоемкости продуктов сгорания с учетом диссоциации на 1 м 3 газа.

Таблица 8.8. Степень диссоциации водяного пара H₂O и диоксида углерода CO₂ в зависимости от парциального давления

Температура, °С	Парциальное давление, МПа
Температура, °С	0,004	0,006	0,008	0,010	0,012	0,014	0,016	0,018	0,020	0,025	0,030	0,040
Водяной пар H₂O
1600	0,85	0,75	0,65	0,60	0,58	0,56	0,54	0,52	0,50	0,48	0,46	0,42
1700	1,45	1,27	1,16	1,08	1,02	0,95	0,90	0,85	0,8	0,76	0,73	0,67
1800	2,40	2,10	1,90	1,80	1,70	1,60	1,53	1,46	1,40	1,30	1,25	1,15
1900	4,05	3,60	3,25	3,0	2,85	2,70	2,65	2,50	2,40	2,20	2,10	1,9
2000	5,75	5,05	4,60	4,30	4,0	3,80	3,55	3,50	3,40	3,15	2,95	2,65
2100	8,55	7,50	6,80	6,35	6,0	5,70	5,45	5,25	5,10	4,80	4,55	4,10
2200	12,3	10,8	9,90	9,90	8,80	8,35	7,95	7,65	7,40	6,90	6,50	5,90
2300	16,0	15,0	13,7	12,9	12,2	11,6	11,1	10,7	10,4	9,6	9,1	8,4
2400	22,5	20,0	18,4	17,2	16,3	15,6	15,0	14,4	13,9	13,0	12,2	11,2
2500	28,5	25,6	23,5	22,1	20,9	20,0	19,3	18,6	18,0	16,8	15,9	14,6
3000	70,6	66,7	63,8	61,6	59,6	58,0	56,5	55,4	54,3	51,9	50,0	47,0
Диоксид углерода CO₂
1500	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	–
1600	2,0	1,8	1,6	1,5	1,45	1,4	1,35	1,3	1,25	1,2	1,1
1700	3,8	3,3	3,0	2,8	2,6	2,5	2,4	2,3	2,2	2,0	1,9
1800	6,3	5,5	5,0	4,6	4,4	4,2	4,0	3,8	3,7	3,5	3,3
1900	10,1	8,9	8,1	7,6	7,2	6,8	6,5	6,3	6,1	5,6	5,3
2000	16,5	14,6	13,4	12,5	11,8	11,2	10,8	10,4	10,0	9,4	8,8
2100	23,9	21,3	19,6	18,3	17,3	16,5	15,9	15,3	14,9	13,9	13,1
2200	35,1	31,5	29,2	27,5	26,1	25,0	24,1	23,3	22,6	21,2	20,1
2300	44,7	40,7	37,9	35,9	34,3	32,9	31,8	30,9	30,0	28,2	26,9
2400	56,0	51,8	48,8	46,5	44,6	43,1	41,8	40,6	39,6	37,5	35,8
2500	66,3	62,2	59,3	56,9	55,0	53,4	52,0	50,7	49,7	47,3	45,4
3000	94,9	93,9	93,1	92,3	91,7	90,6	90,1	89,6	88,5	87,6	86,8

Как видно из табл. 8.8, при температуре до 1600°С степень диссоциации может не учитываться, и теоретическую температуру горения может принять равной калориметрической. При более высокой температуре степень диссоциации может существенно снижать температуру в рабочем пространстве. На практике особой необходимости в этом нет, теоретическую температуру горения необходимо определять только для высокотемпературных печей, работающих на предварительно нагретом воздухе (например, мартеновских). Для котельных установок в этом нужды нет.

Таблица 8.9. Максимальные
температуры, возникающие
в свободном пламени, °С

H₂20452660CO21002920CH₄18702740C₂H₆1890–C₃H₈19202780C₄H₁₀1890–C₂H₂23203000

Действительная (расчетная) температура продуктов сгорания t_д — температура, которая достигается в реальных условиях в самой горячей точке факела. Она ниже теоретической и зависит от потерь теплоты в окружающую среду, степени отдачи теплоты из зоны горения излучением, растянутости процесса горения во времени и др. Действительные усредненные температуры в топках печей и котлов определяются по тепловому балансу или приближенно по теоретической или калориметрической температуре горения в зависимости от температуры в топках с введением в них экспериментально установленных поправочных коэффициентов:

где η— т.н. пирометрический коэффициент, укладывающийся в пределах:

для качественно выполненных термических и нагревательных печей с теплоизоляцией — 0,75–0,85;
для герметичных печей без теплоизоляции — 0,70–0,75;
для экранированных топок котлов — 0,60–0,75.

В практике надо знать не только приведенные выше адиабатные температуры горения, но и максимальные температуры, возникающие в пламени. Их приближенные значения обычно устанавливают экспериментально методами спектрографии. Максимальные температуры, возникающие в свободном пламени на расстоянии 5–10 мм от вершины конусного фронта горения, приведены в табл. 8.9. Анализ приведенных данных показывает, что максимальные температуры в пламени меньше жаропроизводительности (за счет затрат тепла на диссоциацию Н₂О и СО₂ и отвода теплоты из пламенной зоны).

8.4. ТЕМПЕРАТУРА САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ

Для инициирования реакций горения нужны условия воспламенения смеси топлива с окислителем. Воспламенение может быть самопроизвольным и вынужденным (зажигание).

Температура самовоспламенения — минимальная температура, при которой в нагретой газовоздушной смеси начинается самопроизвольный (т.е. без внешнего подвода теплоты) процесс горения, за счет выделения теплоты горящими частицами газа.

Температура самовоспламенения не является фиксированной для данного газа и зависит от многих параметров: его содержания в газовоздушной смеси, степени однородности смеси, формы и размеров сосуда, в котором смесь нагревается, быстроты и способа ее нагрева, каталитического влияния стенок сосуда, давления, под которым находится смесь. Точный учет перечисленных факторов весьма сложен, поэтому на практике, например, при оценке взрывоопасности, пользуются экспериментальными данными (см. табл. 8.10).

Таблица 8.10. Наименьшие измеренные температуры самовоспламенения некоторых газов и паров в смеси с воздухом при атмосферном давлении

Температуры самовоспламенения горючих газов в кислороде несколько ниже, чем в воздухе. Введение в состав газов балластных примесей (азота и диоксида углерода) приводит к увеличению температуры самовоспламенения. Присутствие в сложных газах компонентов с низкой температурой самовоспламенения приводит к снижению температуры самовоспламенения смеси.

Вынужденное воспламенение (зажигание) осуществляется поджиганием смеси в одной или в ряде точек высокотемпературным источником — открытым пламенем или электрической искрой в точке вылета газа из огневых каналов горелок в топочный объем. Зажигание отличается от самовоспламенения тем, что горючую смесь доводят до появления пламени не во всем объеме, а только в небольшой части его. Теплоотвод из нагреваемой зоны требует, чтобы интенсивность тепловыделения источника зажигания превышала этот отвод теплоты. После воспламенения источник зажигания удаляется, и горение происходит за счет распространения фронта пламени.

8.5. ПРЕДЕЛЫ ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТИ И ВЗРЫВАЕМОСТИ

Газовоздушные смеси могут воспламеняться (взрываться) только тогда, когда содержание газа в смеси находится в определенных (для каждого газа) пределах. В связи с этим различают нижний и верхний концентрационные пределы воспламеняемости. Нижний предел соответствует минимальному, а верхний — максимальному количеству газа в смеси, при котором происходят их воспламенение (при зажигании) и самопроизвольное (без притока тепла извне) распространение пламени (самовоспламенение). Эти же пределы соответствуют и условиям взрываемости газовоздушных смесей.

Если содержание газа в газовоздушной смеси меньше нижнего предела воспламеняемости, такая смесь гореть и взрываться не может, поскольку выделяющейся вблизи источника зажигания теплоты для подогрева смеси до температуры воспламенения недостаточно. Если содержание газа в смеси находится между нижним и верхним пределами воспламеняемости, подожженная смесь воспламеняется и горит как вблизи источника зажигания, так и при удалении его. Такая смесь является взрывоопасной. Чем шире будет диапазон пределов воспламеняемости (называемых также пределами взрываемости) и ниже нижний предел, тем более взрывоопасен газ. И наконец, если содержание газа в смеси превышает верхний предел воспламеняемости, то количества воздуха в смеси недостаточно для полного сгорания газа.

Существование пределов воспламеняемости вызывается тепловыми потерями при горении. При разбавлении горючей смеси воздухом, кислородом или газом тепловые потери возрастают, скорость распространения пламени уменьшается, и горение прекращается после удаления источника зажигания.

Таблица 8.11. Пределы воспламеняемости газов в смеси с воздухом (при t = 20°C и p = 101,3 кПа)

Газ	Температура самовоспламенения, °С	Газ
Водород	530	455
Оксид углерода	610	455
Метан	650	455
Этан	510	335
Пропан	500	290
Бутан	429

0,89

0,88

Газ	Содержание газа в газовоздушной смеси, об. %				Коэффициент избытка воздуха α при пределах воспламенения
	При пределах воспламеняемости		При стехиометрическом составе смеси	При составе смеси, дающем максимальное давление взрыва	Коэффициент избытка воздуха α при пределах воспламенения
	нижнем	верхнем	При стехиометрическом составе смеси	При составе смеси, дающем максимальное давление взрыва	нижнем	верхнем
Водород	4,0	75,0	29,5	32,3	0,739	9,8	0,15
Оксид углерода	12,5	74,0	29,5	–	–	2,9	0,15
Метан	5,0	15,0	9,5	9,8	0,717	1,8	0,65
Этан	3,2	12,5	5,68	6,28	0,725	1,9	0,42
Пропан	2,3	9,5	4,04	4,60	0,858	1,7	0,40
н-Бутан	1,7	8,5	3,14	3,6	0,858	1,7	0,35
Изобутан	1,8	8,4	3,14	–	–	1,8	0,35
н-Пентан	1,4	7,8	2,56	3,0	0,865	1,8	0,31
Этилен	3,0	16,0	6,5	8,0	0,886	2,2	0,17
Пропилен	2,4	10,0	4,5	1,9	0,37
Бутилен	1,7	9,0	3,4	1,7	0,35
Ацетилен	2,5	80,0	7,75	14,5	1,03	3,3	0,019

Таблица 8.12. Пределы воспламеняемости газов в смеси с кислородом (при t = 20°C и p = 101,3 кПа)

Газ	Содержание газа в газокислородной смеси, об. %, при пределах воспламеняемости
Газ	нижнем	верхнем
Водород	4,0	94,0
Оксид углерода	12,5	94,0
Метан	5,0	6,0
Этан	3,0	56,0
Пропан	2,2	55,0
н-Бутан	1,7	49,0
Изобутан	1,7	49,0
Этилен	3,0	80,0
Пропилен	2,0	53,0
Бутилен	1,47	50,0
Ацетилен	2,5	89,0

Пределы воспламеняемости для распространенных газов в смесях с воздухом и кислородом приведены в табл. 8.11–8.12. С увеличением температуры смеси пределы воспламеняемости расширяются, а при температуре, превышающей температуру самовоспламенения, смеси газа с воздухом или кислородом горят при любом объемном соотношении.

Пределы воспламеняемости зависят не только от видов горючих газов, но и от условий проведения экспериментов (вместимости сосуда, тепловой мощности источника зажигания, температуры смеси, распространения пламени вверх, вниз, горизонтально и др.). Этим объясняются несколько отличающиеся друг от друга значения этих пределов в различных литературных источниках. В табл. 8.11–8.12 приведены сравнительно достоверные данные, полученные при комнатной температуре и атмосферном давлении при распространении пламени снизу вверх в трубке диаметром 50 мм и более. При распространении пламени сверху вниз или горизонтально нижние пределы несколько возрастают, а верхние снижаются. Пределы воспламеняемости сложных горючих газов, не содержащих балластных примесей, определяются по правилу аддитивности:

где L_г — нижний или верхний предел воспламеняемости сложного газа в газовоздушной или газокислородной смеси, об. %; r₁, r₂, …, r_n — содержание отдельных компонентов в сложном газе, об. %; r₁ + r₂ + … + r_n = 100%; l₁, l₂, …, l_n — нижние или верхние пределы воспламеняемости отдельных компонентов в газовоздушной или газокислородной смеси по данным табл. 8.11 или 8.12, об. %.

При наличии в газе балластных примесей пределы воспламеняемости могут быть определены по формуле:

где L_б — верхний и нижний пределы воспламеняемости смеси с балластными примесями, об. %; L_г — верхний и нижний пределы воспламеняемости горючей смеси, об. %; Б — количество балластных примесей, доли единицы.

При расчетах часто необходимо знать коэффициент избытка воздуха α при разных пределах воспламеняемости (см. табл. 8.11), а также давление, возникающее при взрыве газовоздушной смеси. Коэффициент избытка воздуха, соответствующий верхнему или нижнему пределам воспламеняемости, можно определить по формуле

Давление, возникающее при взрыве газовоздушных смесей, можно определить с достаточным приближением по следующим формулам:

для стехиометрического соотношения простого газа с воздухом:

для любого соотношения сложного газа с воздухом:

где Р_вз — давление, возникающее при взрыве, МПа; р_н — начальное давление (до взрыва), МПа; β — коэффициент объемного расширения газов, численно равный коэффициенту давления (1/273); t_K — калориметрическая температура горения, °С; m — число молей после взрыва, определяемое по реакции горения газа в воздухе; п — число молей до взрыва, участвующих в реакции горения; V_влпс — объем влажных продуктов сгорания на 1 м 3 газа, м 3 ; V_т — теоретический расход воздуха, м 3 /м 3 .

Таблица 8.13. Давление, возникающее при взрыве пропанововоздушной смеси, в зависимости от коэффициента сброса k_сб и вида защитного устройства

Давления взрыва, приведенные в табл. 8.13 или определенные по формулам, могут возникнуть только в том случае, если происходит полное сгорание газа внутри емкости и ее стенки рассчитаны на эти давления. В противном случае они ограничены прочностью стенок или их наиболее легко разрушающихся частей — импульсы давления распространяются по невоспламененному объему смеси со скоростью звука и достигают ограждения гораздо быстрее, чем фронт пламени.

Эта особенность — различие скоростей распространения пламени и импульсов давления (ударной волны) — широко используется на практике для защиты газовых устройств и помещений от разрушения при взрыве. Для этого в проемах стен и перекрытий устанавливаются легко открывающиеся или разрушающиеся фрамуги, рамы, панели, клапаны и т.д. Возникающее при взрыве давление зависит от особенностей конструкции устройств защиты и коэффициента сброса k_сб, представляющего собой отношение площади защитных устройств к объему помещения.

8.6. ГОРЕНИЕ В НЕПОДВИЖНОЙ СРЕДЕ

Перемещение пламенной зоны — фронта пламени , — области, отделяющей невступившую в реакцию горючую смесь от продуктов горения, вызвано тем, что холодная горючая смесь перед ним нагревается до температуры воспламенения за счет теплопроводности и диффузии раскаленных продуктов горения в холодную смесь. Линейная скорость, с которой перемещается фронт пламени по однородной горючей смеси, называется равномерной скоростью распространения пламени , зависящей как от вида газа, так и от его содержания в газовоздушной смеси. Минимальная скорость для всех видов горючих газов соответствует нижнему и верхнему пределам воспламенения, а максимальная — соотношению газов и воздуха.

Экспериментами установлено, что скорость распространения пламени зависит от диаметра цилиндрической трубки, по которой оно распространяется: чем больше диаметр, тем выше скорость распространения. Увеличение диаметра трубки снижает влияние стенок на процесс горения и перемещающийся фронт пламени и способствует усилению конвекции (рис. 8.2). Анализ данных графика указывает, что при очень малых размерах трубок распространение пламени вообще невозможно (из-за сильного относительного теплоотвода). Размеры трубок, каналов и щелей, при которых пламя не распространяется, называются критическими .

Они различны для разных газов:

холодная смесь метана с воздухом — 3 мм;
водородно-воздушная смесь — 0,9 мм;
разогретая смесь метана с воздухом — 1,2 мм.

Угасание в каналах малого сечения используются на практике для создания огнепреградителей: пламегасящих сеток, керамических пористых дисков, дисков из прессованных металлических шариков, сосудов, заполняемых мелкозернистыми материалами и др.); огневых каналов в конструкции горелок, работающих на газовоздушных смесях.

Для сравнительной характеристики горючих свойств газов (независимо от размеров трубок) введено понятие «нормальная скорость распространения пламени» — это скорость, отнесенная к холодной (еще невоспламенившейся) смеси, с которой пламя перемещается по нормали к ее поверхности. Фронт пламени принимается плоским и равным диаметру трубки:

где u_н — нормальная скорость распространения пламени, м/с; w_p — измеренная равномерная скорость распространения пламени, м/с; r — радиус трубки, м; S — площадь поверхности фронта пламени, м 2 .

Таблица 8.14. Скорости распространения пламени в различных газовоздушных смесях (при t=20°C и p=103,3кПа),м/с

Вид защитного устройства	Коэффициент сброса k_сб, м 2 /м 3
Вид защитного устройства	0,063	0,033	0,019
Одинарное глухое остекление с наружным креплением стекла толщиной 3 мм	0,005	0,009	0,019
Двойное глухое остекление с наружным креплением стекла толщиной 3 мм	0,007	0,015	0,029
Поворотный одинарный оконный переплет с большим шарниром и пружинным замком на нагрузку 5 МПа/м 2	0,002	–	–
Поворотный одинарный оконный переплет с верхним шарниром и пружинным замком на нагрузку 5 МПа/м 2	0,003	–	–
Свободно лежащие на перекрытии плиты массой, кг/ м 2 :

Газ	Смесь с максимальной нормальной скоростью распространения пламени			Стехиометрическая смесь
	Содержание в смеси, об. %		Максимальная нормальная скорость распространения	Содержание в смеси, об. %		Нормальная скорость распространения пламени
	газа	воздуха	Максимальная нормальная скорость распространения	газа	воздуха	Нормальная скорость распространения пламени
Водород	42,0	58,0	2,67	29,5	70,5	1,6
Оксид углерода	43,0	57,0	0,42	29,5	70,5	0,30
Метан	10,5	89,0	0,37	9,5	90,5	0,28
Этан	6,3	93,7	0,40	5,7	94,3	0,32
Пропан	4,3	95,7	0,38	4,04	95,96	0,31
н-Бутан	3,3	96,7	0,37	3,14	96,86	0,30
Этилен	7,0	93,0	0,63	6,5	93,5	0,5
Пропилен	4,8	95,2	0,44	4,5	95,5	0,37
Бутилен	3,7	96,3	0,43	3,4	96,6	0,38
Ацетилен	10,0	90,0	1,35	7,75	92,25	1,0

Как видно из данных табл. 8.14, максимальная скорость распространения пламени соответствует смесям газа и воздуха с недостатком окислителя (не стехиометрическим). При избытке горючего повышается эффективность столкновения реагирующих частиц и скорость химических реакций возрастает.

Скорости распространения пламени для газокислородных смесей на порядок выше, чем для газовоздушных. Так, максимальная нормальная скорость распространения пламени метано-кислородной смеси — 3,3 м/с, а для смеси пропана и бутана с кислородом — 3,5–3,6 м/с.

Максимальная нормальная скорость распространения пламени в смеси сложного газа с воздухом, м/с, определяется по формуле:

где r₁, r₂,…r_n — содержание отдельных компонентов в сложном газе, об. %; u₁, u₂. u_n — максимальные нормальные скорости распространения пламени компонентов сложного газа в смеси с воздухом, м/с.

Приведенные соотношения пригодны для газов, обладающих близкими нормальными скоростями распространения пламени, например, для природных и сжиженных углеводородных газов. Для смесей газов, обладающих резко различными скоростями распространения пламени (например, для смесей природных и искусственных газов, смесей с высоким содержанием водорода), они дают только приближенные значения.

Если же в смеси присутствуют балластные примеси (азот и диоксид углерода), то для приближенного расчета скорости распространения пламени следует воспользоваться формулой:

Значительно повышает скорость распространения пламени подогрев газовоздушной смеси:

где и‘_н — скорости распространения пламени в нагретой смеси с абсолютной температурой Т‘, К; и_н — то же, в холодной смеси с температурой Т, К.

Предварительный нагрев смеси изменяет ее плотность обратно пропорционально абсолютной температуре, поэтому и скорости распространения пламени растут пропорционально этой температуре. Этот факт надо учитывать при расчетах, особенно в тех случаях, когда огневые каналы горелок располагаются в нагретой кладке или когда на них воздействует излучение топки, раскаленных газов и т.п.

Равномерность распространения пламени возможна при выполнении следующих условий:

огневая трубка имеет небольшую длину;
горение распространяется при постоянном давлении, близком к атмосферному.

Если длина трубки значительна, то равномерное распространение пламени для некоторых смесей может перейти в вибрационное, а затем — и в детонационное со сверхзвуковой скоростью горения (2000 м/с и более), когда воспламенение смеси происходит за счет ударной волны, нагревающей смесь до температур, превышающих температуру самовоспламенения. Детонация возникает в смесях, обладающих высокими скоростями распространения пламени. Пределы концентрации детонации уже пределов воспламеняемости газовоздушных и газокислородных смесей, об. %: пропан — 3,2–37, изобутан — 2,8–31, водород — 15–90. Давление, возникающее при детонационном горении, может превышать начальное в десятки раз и приводить к разрушению труб и других сосудов, рассчитанных на высокие давления.

8.7. ГОРЕНИЕ В ЛАМИНАРНОМ И турбулентном ПОТОКах

Рис. 8.3. Фронт горения
газовоздушной смеси в
ламинарном режиме движения

Фронт пламени может быть остановлен, если создать встречное движение горючей смеси со скоростью, равной нормальной скорости распространения пламени. Наглядный пример — поверхность внутреннего конуса бунзеновской горелки. За счет регулирования состава газовоздушной смеси, вытекающей из горелки при ламинарном режиме движения, можно добиться появления устойчивого и резко очерченного конуса горения (рис. 8.3). Боковая поверхность конуса (фронт пламени), неподвижная относительно огневой кромки канала горелки, движется по направлению к вытекающей газовоздушной смеси, а пламя в этом случае распространяется по нормали к поверхности воспламенения в каждой ее точке. На поверхности конусного фронта пламени сохраняется равенство скоростей — проекции скорости потока газовоздушной смеси на нормаль wн к образующей конуса и нормальной скорости распространения пламени u_н подчиняются закону Михельсона:

где φ — угол между направлением потока и нормалью к поверхности конусного фронта пламени; w_пот — средняя скорость потока газовоздушной смеси, проходящей через горелку за единицу времени, м/с.

Постоянство нормальной скорости распространения пламени справедливо только для основной части боковой поверхности конусного фронта пламени. В вершине конуса скорость увеличивается благодаря прогреву газовоздушной смеси близко расположенными участками конусной поверхности фронта пламени, а у основания конуса — снижается за счет охлаждающего воздействия торцевой части огневого канала горелки.

Для практических расчетов обычно пренебрегают этой разницей и принимают скорость прохождения смеси через фронт пламени постоянной по всей поверхности конуса и равной u_н.

Усредненная нормальная скорость распространения пламени равна

где V_см — объем проходящей через горелку газовоздушной смеси, S — площадь поверхности конусного фронта пламени.

На практике конусный фронт пламени не имеет правильной геометрической формы, поэтому для точного определения S пламя фотографируют, фронт пламени разбивается на ряд усеченных конусов. Сумма боковых поверхностей и есть общая поверхность конусного фронта пламени. Значения нормальных скоростей распространения пламени, определенные как методом бунзеновской горелки, так и другими методами, одинаковы и равны нормальным скоростям, приведенным в табл. 8.14.

Высота конусного фронта пламени зависит в основном от размера огневого канала горелки. Уменьшение высоты пламени может достигаться дроблением крупных огневых каналов на несколько мелких. Для одинаковых по составу газовоздушных смесей высота конусных фронтов пламени малых каналов h может быть приближенно определена по высоте фронта пламени одиночного канала Н:

где n — число малых каналов.

Для горелок с высокой тепловой мощностью (горелки промышленных котлов, печей и т.п.) горение, как правило, происходит в турбулентном потоке — гладкий конусный фронт пламени из-за вихревого движения и пульсаций размывается и теряет четкие конусные очертания. При этом наблюдаются два характерных вида горения, соответствующие мелкои крупномасштабной турбулентности.

При масштабах турбулентности, не превышающих толщину зоны ламинарного горения, конусный фронт пламени сохраняет свою форму и остается гладким, хотя зона горения увеличивается. Если же масштаб турбулентности превышает толщину зоны нормального горения, поверхность конусного фронта пламени становится неровной. Это ведет к увеличению суммарной поверхности фронта горения и сжиганию большего количества горючей смеси на единицу поперечного сечения потока.

При крупномасштабной турбулентности, значительно превышающей толщину зоны ламинарного горения, волнение поверхности фронта пламени приводит к отрыву отдельных частиц горячей смеси, дробящихся последующими пульсациями. Фронт пламени теряет свою целостность и превращается в систему отдельных очагов горения в виде равных, расчленяющихся и сгорающих в потоке частиц горючей смеси.

Рис. 8.4. Изменение относительной скорости
распространения пламени коксового газа
в смеси с воздухом в зависимости от числа
Рейнольдса и режима движения смеси

При крупномасштабной турбулентности поверхность фронта пламени, слагаясь из поверхностей всех горящих частиц, увеличивается, приводя к резкому росту скорости распространения пламени (рис. 8.4). В этом случае может происходить не только фронтовое горение, распространяющееся с нормальной скоростью v_n, но и объемное, возникающее за счет турбулентных пульсаций раскаленных продуктов горения в свежую смесь. Следовательно, суммарная скорость распространения пламени при крупномасштабной турбулентности определяется тем или иным сочетанием элементов фронтового и объемного горения.

При отсутствии пульсаций турбулентная скорость горения становится равной нормальной скорости распространения пламени. Наоборот, если пульсационная скорость значительно превышает нормальную, турбулентная скорость горения становится мало зависящей от физико-химических свойств горючей смеси. Эксперименты показали малую зависимость скорости сгорания различных гомогенных газовоздушных смесей с α>1 в промышленных топках от нормальной скорости распространения пламени.

8.8. УСТОЙЧИВОСТЬ ГОРЕНИЯ

Рис. 8.5. Схема прямой компенсации
u_н=w_пот при ламинарном движении
газовоздушной смеси
1 – стенка горелки;
2 – фронт пламени

Основные факторы, влияющие на устойчивость горения, — скорости истечения газовоздушной смеси и распространения пламени. При горении газовоздушных смесей в ламинарном потоке устойчивой частью конусного фронта пламени является его нижняя часть. В этом месте фронт пламени за счет расширения вытекающей в атмосферу газовоздушной смеси и тормозящего действия стенки канала развернут на горизонталь и приподнят над кромкой канала на толщину фронта пламени (рис. 8.5).

На данном участке фронта происходит полная компенсация скорости газовоздушного потока скоростью распространения пламени u_н = w_пот . На всем остальном конусном участке фронта пламени компенсация имеет частичный характер и осуществляется только в направлении, нормальном к фронту горения: u_н = w_пот cosφ . Cоставляющая w_пот sinφ остается неуравновешенной и сносит точку воспламенения от основания конуса к его вершине. Cтабильность конусного фронта пламени объясняется тем, кольцевой пояс у основания служит источником зажигания, без которого остальная часть фронта была бы снесена потоком газовоздушной смеси.

Если скорость истечения смеси превышает скорость распространения пламени, ширина зажигающего пояска уменьшается, пока не станет ничтожно малой. В этом случае устойчивость фронта пламени нарушается, и происходит отрыв от горелки. Если же скорость распространения пламени в кольцевой пристенной области (не на стенке) превысит скорость истечения газовоздушной смеси, пламя втягивается внутрь смесителя горелки (проскок).

При отрыве наблюдаются:

срыв пламени с горелки и его погасание;
отрыв от кромки огневого канала, когда пламя достигает нового достаточно устойчивого положения в потоке над горелкой;
срыв поднятого пламени и его погасание;
отброс приподнятого факела к кромке огневого канала горелки;
создание взвешенного пламени при поджигании струи на некотором расстоянии от горелки.

Все эти явления недопустимы, так как приводят к накоплению в окружающей атмосфере или в топке несгоревшего газа.

На рис. 8.6 показаны экспериментальные кривые отрыва пламени от кромок огневых каналов инжекционных однофакельных горелок, работающих на смеси холодного газа с воздухом. На границе и выше указанных кривых начинается отрыв пламени, а ниже кривых — устойчивое горение.

В практике широко распространены многофакельные инжекционные горелки с огневыми каналами диаметром 2–6 мм (рис. 8.7). Установление скоростей отрыва пламени w_отр для таких горелок может производиться по следующей формуле:

где d_k — диаметр огневых каналов, м; α₁ — коэффициент избытка первичного воздуха; T — абсолютная температура газовоздушной смеси, К.

По формуле видно, что стабильность горения растет с увеличением диаметров огневых каналов и температуры и снижается с увеличением коэффициента избытка первичного воздуха. Стабильность горения повышается также за счет взаимного влияния пламени.

Отрыв пламени от огневых каналов может происходить и в силу других причин. При неправильном расположении горелки и каналов отвода продуктов сгорания они могут попасть в инжектор горелки и привести к отрыву пламени (за счет снижения скорости распространения пламени в газовоздушной смеси, разбавленной инертными газами). Также причиной отрыва может быть высокая скорость вторичного воздуха, сдувающего пламя с огневых каналов.

Таблица 8.15. Скорость гомогенной смеси природного
газа с воздухом, при которой происходит проскок
пламени, м/с (температура смеси 20°С)

Диаметры огневых каналов	Коэффициент избытка первичного воздуха
Диаметры огневых каналов	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,1
3,5	0,05	0,10	0,18	0,22	0,23	0,21
4,0	0,08	0,12	0,22	0,25	0,26	0,20
5,0	0,09	0,16	0,27	0,31	0,31	2,23
6,0	0,11	0,18	0,32	0,38	0,39	0,26
7,0	0,13	0,22	0,38	0,44	0,45	0,30
8,0	0,15	0,25	0,43	0,50	0,52	0,35
9,0	0,17	0,28	0,48	0,57	0,58	0,39
10,0	0,20	0,30	0,54	0,64	0,65	0,43

Недопустим также и проскок пламени внутрь смесителя горелки, обычно сопровождающийся хлопком. Проскок приводит либо к погасанию пламени и выбросу несгоревшей смеси в помещение или топку, либо к горению смеси внутри горелки. Тенденция пламени к проскоку зависит от вида газа, нормальной скорости распространения пламени, содержания первично го воздуха в газовоздушной смеси, размеров огневых каналов, температур смеси или стенок каналов. Влияние на проскок пламени оказывают также коэффициент теплопроводности материалов, из которых выполнены огневые каналы, их форма, глубина и качество изготовления, наличие заусениц, обломов краев и т. п.

Приведенные в табл. 8.15 значения скоростей гомогенных смесей природных газов с воздухом, при которых происходит проскок, можно использовать и для других газов с учетом поправок:

где w‘_пр — скорость проскока пламени для другого газа, м/с; w_пр — скорость проскока для природного газа (по табл. 8.15), м/с; u‘_н — нормальная скорость распространения пламени для другого газа, м/с; u_н — скорость распространения пламени в метане, м/с.

Максимальная же скорость проскока может быть рассчитана по приближенной формуле:

Этой же формулой с достаточным для практики приближением можно руководствоваться и для других газов с введением поправки на изменение нормальной скорости pacпpocтранения пламени. На основании многочисленных экспериментов можно сделать следующий вывод: пределы устойчивой работы горелок ограничены скоростями отрыва и проскока пламени.

На рис. 8.8 приведены кривые, характеризующие скорости потока смеси природного газа с воздухом, при которых происходят отрыв и проскок пламени. Характер кривых свидетельствует о резком снижении устойчивости пламени по мере увеличения содержания в смеси первичного воздуха. Повышение устойчивости пламени происходит при снижении содержания первичного воздуха и достигает максимума при его уменьшении до нуля (диффузионное горение). Однако такое сжигание углеводородных газов во многих случаях недопустимо, так как приводит к появлению желтых язычков пламени, характеризующих появление в нем сажистых частиц.

Рис. 8.9. Распространенные стабилизаторы горения
а – цилиндрический туннель с внезапным расширением сечения;
б – то же, при закрученом потоке;
в – конический туннель при закрученном потоке;
г – стабилизатор в виде конического тела;
д – то же, в виде круглого стержня;
е – то же, в виде устойчивого кольцевого пламени
1 – огневой насадок горелки; 2 – туннель; 3 – боковое отверстие;
4 – кольцевой канал; 5 – кольцевое пламя;
6 – пламя основного потока газовоздушной смеси

В практике для расширения диапазона устойчивости горения любых горючих газовоздушных смесей скорость потока принимается в несколько раз большей, чем скорость отрыва. Предотвращение отрыва пламени достигается применением стабилизаторов горения (рис. 8.9).

Для стабилизации пламени инжекционных и других горелок, выдающих осесимметричные газовоздушные струи, применяются огнеупорные цилиндрические туннели с внезапным расширением их сечения. Действие такого туннеля основано на периферийной циркуляции части раскаленных продуктов горения, возникающей за счет создаваемого струей разрежения.

Для стабилизации пламени горелок, выдающих закрученную газовоздушную смесь, применяются как цилиндрические, так и конические туннели с углом раскрытия 30–60°. При закрученном потоке на периферии туннеля возникает большее давление, чем в его центральной части. Это приводит к приосевой рециркуляции части раскаленных продуктов горения и поджиганию втекающей в туннель холодной газовоздушной смеси изнутри.

Когда установка туннелей невозможна, для стабилизации пламени применяют тела плохо обтекаемой формы, размещаемые в потоке газовоздушной смеси на выходе ее из огневого канала горелки. Воспламенение смеси при этом происходит на периферии стабилизатора, за которым возникает частичная рециркуляция раскаленных газов, поджигающих горючую смесь изнутри. Стабилизирующее действие таких устройств ниже, чем туннелей.

В инжекционных однои многофакельных горелках широко используются стабилизаторы горения в виде специальной огневой насадки. Стабилизирующее действие этого устройства основано на предотвращении разбавления основного потока в корне факела избыточным воздухом, сужающим пределы его устойчивости, а также на подогреве и поджигании кольцевым пламенем основного потока по всей его периферии. Устойчивость кольцевого пламени при отрыве достигается за счет такого соотношения сечений огневого кольца и боковых отверстий, при котором скорость газовоздушной смеси в кольцевой полости не превышает нормальной скорости распространения пламени. Для предотвращения проскока пламени в смеситель горелки размеры боковых отверстий, формирующих кольцевое пламя, принимаются меньшими критических.

8.9. СХЕМЫ ОГНЕПРЕГРАДИТЕЛЕЙ

Воздух или кислород, попав в газопровод, может образовать взрывчатую смесь, поэтому необходимо обязательно предохранять трубопроводы от проникновения в него воздуха или кислорода. На всех взрывоопасных производствах должны быть созданы условия, исключающие возможность возникновения поджигающих импульсов. Источниками воспламенения, приводящими газовоздушные смеси к взрыву, являются:

открытое пламя;
электрические разряды действующего электрооборудования;
короткое замыкание в электрических проводах;
искрение в электрических приборах;
перегорание открытых предохранителей;
разряды статического электричества.

Взрывобезопасность обеспечивается различными огнепреградителями. устанавливаемыми в трубопроводах, на резервуарах, на продувочных газопроводах, свечах и других системах, где существует опасность взрыва.

Погасание пламени в канале, заполненном горючей смесью, происходит лишь при минимальном диаметре канала, зависящем от химического состава и давления смеси, и объясняется потерями теплоты из зоны реакции к стенкам канала. При уменьшении диаметра канала увеличивается его поверхность на единицу массы реагирующей смеси, т.е. возрастают теплопотери. Когда они достигают критического значения, скорость реакции горения уменьшается настолько, что дальнейшее распространение пламени становится невозможным.

Пламегасящая способность огнепреградителя зависит в основном от диаметра гасящих каналов и гораздо меньше — от их длины, а возможность проникновения пламени через гасящие каналы зависит в основном от свойств и состава горючей смеси и давления. Нормальная скорость распространения пламени является основной величиной, определяющей размер гасящих каналов и выбор типа огнепреградителя: чем она больше, тем меньшего размера канал требуется для гашения пламени. Также размеры гасящих каналов зависят от начального давления горючей смеси. Для оценки пламегасящей способности огнепреградителей применяется т.н. критерий Пекле Ре:

В пределе гашения пламени формула критерий Пекле принимает вид:

где w_см— нормальная скорость распространения пламени; d — диаметр гасящего канала; d_кp — критический диаметр гасящего канала; с_р — удельная теплоемкость газа при 0°С и постоянном давлении; р — давление газа; р_кр — критическое давление газа; R — универсальная газовая постоянная; Т₀ — абсолютная температура газа; λ₀ — теплопроводность исходной смеси.

Таким образом, для расчета пламегасящей способности огнепреградителей необходимы следующие исходные данные:

нормальные скорости распространения пламени горючих газовых смесей;
фактический размер максимальных гасящих каналов данного огнепреградителя.

Если полученное значение больше Ре_кр = 65, огнепреградитель не задержит распространения пламени данной горючей смеси, и наоборот, если Ре 2,0 (8.34)

Использовав факт постоянства Ре_кр на пределе гашения пламени, можно вычислить ориентировочный критический диаметр каналов для любой горючей смеси, если известны скорость распространения пламени, а также теплоемкость и теплопроводность газовой системы. Рекомендуются следующие критические диаметры гасящего канала, мм:

при сжигании газовоздушной смеси — 2,9 для метана и 2,2 для пропана и этана;
при сжигании кислородных смесей в трубах (при абсолютном давлении 0,1 МПа в условиях свободного расширения продуктов сгорания) — 1,66 для метана и 0,39 для пропана и этана.

Конструктивно огнепреградители делятся на четыре типа (рис. 8.10):

с насадкой из гранулированных материалов;
с прямыми каналами;
из металлокерамики или металловолокна;
сетчатые.

По способу установки — на три типа: на трубах для выброса газов в атмосферу или на факел; на коммуникациях; перед газогорелочными устройствами.

В корпусе насадочного огнепреградителя между решетками находится насадка с наполнителем (стеклянные или фарфоровые шарики, гравий, корунд и другие гранулы из прочного материала). Кассетный огнепреградитель представляет собой корпус, в который вмонтирована огнепреграждающая кассета из гофрированной и плоской металлических лент, плотно свитых в рулон. В корпусе пластинчатого огнепреградителя — пакет из плоскопараллельных металлических пластин со строго определенным расстоянием между ними. У сетчатого огнепреградителя в корпусе размещен пакет из плотно сжатых металлических сеток. Металлокерамический огнепреградитель представляет собой корпус, внутри которого установлена пористая металлокерамическая пластина в виде плоского диска или трубки.

Чаще всего применяются сетчатые огнепреградители (их начали устанавливать еще в начале XIX века в шахтерских лампах (лампах Деви) для предотвращения взрывов рудничного газа). Эти огнепреградители рекомендуются для защиты установок, в которых сжигается газовое топливо. Огнепреграждающий элемент состоит из нескольких слоев латунной сетки с размером ячеек 0,25 мм, зажатых между двумя перфорированными пластинами. Пакет сеток укреплен в съемной обойме.

Корпус огнепреградителя изготовлен из чугунного или алюминиевого сплава и состоит из двух одинаковых частей, соединенных болтами с расположенной между ними съемной обоймой. Кроме рассмотренных сухих огнепреградителей, широко применяются жидкостные предохранительные затворы, предохраняющие газопроводы от попадания взрывной волны и пламени при газопламенной обработке металлов, а также трубопроводы и аппараты, заполненные газом, от проникновения в них кислорода и воздуха.

Жидкостные затворы должны:

препятствовать распространению взрывной волны при обратных ударах и при воспламенении газов;
предохранять газопровод от попадания в него кислорода и воздуха;
обеспечивать минимальное гидравлическое сопротивление прохождению потока газа. Кроме того, жидкость из затвора не должна уноситься в виде капель в заметных количествах.

8.10. ПРИНЦИПЫ СЖИГАНИЯ

В основе процессов сжигания газа — принципы, условно называемые кинетическим и диффузионным. При к и н е т и ч е с к о м принципе до начала горения создается однородная смесь с некоторым избытком воздуха. Сгорание такой смеси происходит в коротком прозрачном факеле без образования в пламени частиц сажи. Для сжигания газа по кинетическому принципу применяются специальные смесители или инжекционные горелки, подготавливающие гомогенную газовоздушную смесь с коэффициентом избытка первичного воздуха α₁ = 1,02:1,05.

При меньшем содержании первичного воздуха по кинетическому принципу протекает только начальная стадия горения, до использования кислорода, находящегося в смеси с газом. Оставшиеся газы и продукты неполного сгорания сжигают за счет внешней диффузии кислорода (вторичного воздуха), т.е. по д и ф ф у з и о н н о м у принципу. При α₁ а – ламинарное пламя; б – турбулентное пламя

Диффузионное горение может быть переведено в кинетическое или промежуточное, если смешение будет опережать процессы горения. На практике этого можно добиться принудительной подачей воздуха, приводящей к образованию квазигомогенной газовоздушной смеси с α₁ > 1,0, сгорающей в прозрачном факеле.

Для иллюстрации принципов сжигания на рис. 8.11. приведены схемы свободных факелов: ламинарного и турбулентного. Ламинарный факел возникает за счет взаимной молекулярной диффузии газа и воздуха. Внутри конусного ядра 1 — чистый газ, вытекающий из трубки при ламинарном режиме течения. В зоне 2 — смесь из газа и продуктов сгорания, в зоне 3 — смесь из продуктов сгорания и воздуха. Граница 4 представляет собой гладкий конусный фронт пламени, к которому снаружи диффундируют молекулы воздуха, а изнутри — молекулы газа. Продукты сгорания частично диффундируют навстречу газу, интенсивно нагревая его в предпламенной зоне. Это приводит к пиролизу углеводородов и образованию сажистых частиц, придающих пламени яркую светимость.

Интенсифицировать горение можно за счет турбулизации смешивающихся потоков. У турбулентного факела нет четкого конусного фронта горения, он «размыт» и раздроблен пульсациями на отдельные частицы.

Структура пламени состоит из ядра чистого газа 1, зоны сравнительно медленного горения 2, размытой зоны наиболее интенсивного горения 3 с высоким содержанием продуктов сгорания и зоны горения 4 с преобладанием в ней воздуха. Четко выраженных границ между зонами нет, они непрерывно смещаются в зависимости от степени турбулизации потока. Особенностями турбулентного факела являются:

протекание процесса горения почти по всему объему;
повышение интенсивности горения;
большая прозрачность пламени;
меньшая его устойчивость по отношению к отрыву.

Турбулентное сжигание газа широко используется в топках различных котлов и печей. Для интенсификации процесса горения применяют как естественную (за счет повышения скоростей), так и искусственную, турбулизацию потоков, например, закруткой воздушного потока и подачей в него под различными углами тонких струй газа.

8.11. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ НЕПОЛНОГО СГОРАНИЯ И СНИЖЕНИЕ В НИХ КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ

При сжигании горючих газов в продуктах сгорания могут содержаться компоненты как полного (диоксид углерода и водяной пар), так и неполного сгорания (оксид углерода, водород, ненасыщенные, насыщенные, ароматические углеводороды и сажистые частицы). Кроме того, в продуктах сгорания всегда обнаруживаются и оксиды азота. Наличие продуктов неполного сгорания в значительных концентрациях недопустимо, так как приводит к загрязнению атмосферы токсическими веществами и к снижению КПД установок, работающих на газовом топливе.

Основные причины их большого содержания:

сжигание газов с недостаточным количеством воздуха;
плохое смешение горючих газов и воздуха до и в процессе горения;
чрезмерное охлаждение пламени до завершения реакций горения.

Для метана реакции горения (в зависимости от концентрации кислорода в реагирующей смеси) могут быть описаны следующими уравнениями:

при стехиометрическом соотношении или при избытке окислителя;

при недостатке окислителя.

Рис. 8.12. Промежуточные продукты сгорания

Рис. 8.13. Содержание первичного воздуха,
при котором предотвращается образование
желтых языков в пламени
Газ: 1 – коксовый;
2 – природный газовых месторождений;
3 – нефтяных месторождений;
4 – пропан; 5 – бутан

На рис. 8.12 показан приближенный усредненный состав некоторых промежуточных соединений — водорода, оксида углерода, этилена, ацетилена и сравнительно небольшое число насыщенных и простейших ароматических соединений — и диоксида углерода, возникающих в пламени при диффузионном горении природного газа (97%). Сжигание газа производилось в ламинарном факеле, газ вытекал из трубки диаметром 12 мм. Общая высота пламени 130–140 мм.

Максимальная концентрация водорода и ацетилена достигается примерно на одной высоте пламени, они исчезают почти одновременно в вершине светящейся зоны пламени. Из всех образующихся в пламени промежуточных соединений (исключая сажистые частицы) оксид углерода исчезает последним. Это дает основание судить по его индексу о полноте сгорания газа. В продуктах сгорания всегда присутствуют оксиды азота, максимальная концентрация которых возникает в зонах интенсивного выгорания оксида углерода и водорода.

Горение углеводородных газов с недостатком окислителя приводит к образованию частиц сажи, придающих пламени желтую окраску. Процесс выгорания сажи протекает стадийно и сравнительно медленно. Иногда выгорание образовавшихся частиц сажи затягивается и может прекратиться полностью при входе в низкотемпературную область факела или при омывании пламенем теплообменных поверхностей. Таким образом, наличие светящегося пламени всегда свидетельствует о протекании пиролитических процессов и о возможности химической неполноты сгорания, в особенности в малогабаритных экранированных топках котлов.

Предотвращение образования сажистых частиц достигается предварительным смешением углеводородных газов с достаточным количеством окислителя. Содержание первичного воздуха в смеси, при котором возникает прозрачное пламя, зависит не только от вида углеводородов, но и от условий смешения с вторичным воздухом (диаметра огневых каналов горелок) (рис. 8.13). На границе и выше кривых пламя прозрачно, а ниже кривых имеет желтые язычки. Кривые показывают, что содержание первичного воздуха в смеси возрастает при увеличении числа углеродных атомов в молекуле и диаметра огневых каналов горелок. Коэффициент избытка первичного воздуха α₁ в смеси, при котором исчезают желтые язычки пламени, в зависимости от указанных факторов может быть определен для малых огневых каналов горелок:

где m и n — число углеродных и водородных атомов в молекуле или среднее их число для сложного газа; d_k — диаметр огневых каналов горелки, мм; d₀ — эталонный диаметр канала горелки (1 мм).

Обеспечение полноты сгорания в практических условиях — задача достаточно сложная, зависящая не только от принципа сжигания газа, но и от условий развития пламени в топочном объеме. Наиболее высокие требования по полноте сгорания предъявляются к бытовым аппаратам и другим установкам, сбрасывающим продукты сгорания в атмосферу. Сгорание газа в таких установках является наиболее трудным, так как связано с омыванием пламенем холодных теплообменных поверхностей. Для сжигания газа в бытовых плитах применяют инжекционные многофакельные горелки, образующие гомогенную смесь с коэффициентом избытка первичного воздуха α₁ а – горелка с периферийной подачей вторичного воздуха;
б – с центральной и периферийной подачей вторичного воздуха
1 – природный газ, горелка с периферийным подводом
вторичного воздуха, расстояние до дна посуды 25 мм;
2–4 – природный газ, горелка с перифейрийным и
центральным подводом вторичного воздуха, расстояние
до дна посуды, мм: 2 – 25, 3 – 18, 4 – 10;
5 – сжиженный газ, горелка с центральным и периферийным
подводом вторичного воздуха, расстояние до дна посуды 25 мм;
6 – сжиженный газ, горелка с периферийным подводом

На рис. 8.14 приведены схемы 2-конфорочных горелок для бытовых газовых плит и усредненная концентрация оксида углерода СО в продуктах сгорания природного метана (95 об. %) и пропана (93 об. %) при работе горелок с номинальной тепловой мощностью. Различие горелок заключается в том, что к одной из них вторичный воздух подводится только с периферии, а к другой — как с периферии, так и из центрального канала.

Полнота сгорания газа зависит от коэффициента избытка первичного воздуха в смеси, расстояния от огневых каналов горелки до дна посуды, вида горючего газа, способа подвода вторичного воздуха. При этом увеличение содержания первичного воздуха в смеси, а также увеличение расстояния от горелки до дна посуды приводят к снижению концентрации оксида углерода в продуктах сгорания. Минимальная концентрация оксида углерода соответствует коэффициенту избытка первичного воздуха α₁ = 0,6 и выше и расстоянию от горелки до дна посуды 25 мм, а максимальная — α₁ = 0,3 и ниже и расстоянию от горелки до дна посуды 10 мм. Кроме того, увеличение тепловой мощности горелок на 15–20% за счет повышения давления газа приводит к росту концентрации оксида углерода в продук тах сгорания в 1,2–1,3 раза, а за счет теплоты сгорания газа — в 1,5–2 раза.

На появление в процессе горения ароматических соединений — бензола, полициклических бензпирена, безантрацена и др. — следует обратить особое внимание, так как некоторые из них канцерогенны. Процесс их образования весьма сложен и протекает стадийно. На первом этапе появляется ацетилен и его производные. В пламенной зоне эти вещества претерпевают процессы удлинения цепи с перестройкой тройных углеродных связей на двойные. В результате циклизации и дегидратации приводят к появлению различных ароматических соединений, включая полициклические.

Таблица 8.16. Средняя концентрация в продуктах сгорания оксида углерода и бенз(а)пирена в зависимости от вида газа, типа горелки и коэффициента избытка первичного воздуха (тепловая нагрузка горелки — 1600 ккал/ч, расстояние от горелки до дна посуды — 24–26 мм)

Сжиженный газ: современное отопление без магистрали

Классификация

Пламя классифицируют по:

агрегатному состоянию горючих веществ: пламя газообразных, жидких, твердых и аэродисперсных реагентов;
излучению: светящиеся, окрашенные, бесцветные;
состоянию среды горючее-окислитель: диффузионные, предварительно перемешанных сред;
характеру перемещения реакционной среды: ламинарные, турбулентные, пульсирующие;
температуре: холодные, низкотемпературные, высокотемпературные;
скорости распространения: медленные, быстрые;
высоте: короткие, длинные;
визуальному восприятию: коптящие, прозрачные, цветные.

В ламинарном диффузионном пламени можно выделить 3 зоны (оболочки).

Внутри конуса пламени имеются:

темная зона (300-350 °С), где горение не происходит из-за недостатка окислителя;
светящаяся зона, где происходит термическое разложение горючего и частичное его сгорание (500-800 °С);
едва светящаяся зона, которая характеризуется окончательным сгоранием продуктов разложения горючего и максимальной температурой (900-1500 °С).

Свойства СУГ

Чтобы понять, зачем смешивают пропан с бутаном, необходимо знать особенности каждого компонента, в том числе их взаимодействие с внешней средой. С точки зрения молекулярного строения они относятся к углеводородным соединениям, которые можно хранить в жидком состоянии, что значительно упрощает транспортировку и эксплуатацию.

Одним из условий образования жидкого газа является высокое давление, поэтому его хранят в специальных резервуарах под давлением 16 бар. Второе условие для перехода углеводородных газов из одного состояния в другое – внешняя температура воздуха. Пропан закипает при -43°С, тогда как преобразование из жидкого в газообразное состояние у бутана происходит при -0,5°С, что является основным отличием данных углеводородов.

Таблица с некоторыми другими свойствами данных газов

Дополнительную информацию о свойствах сжиженного углеводородного газа можно прочитать в статье: пропан-бутан для газгольдера – свойства и особенности применения.

Температура

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и интенсивности подвода окислителя. Например:

Температура воспламенения для большинства твёрдых материалов – 300 °С.
Температура пламени в горящей сигарете – 250-300 °С.
Температура пламени спички 750-1400 °С; при этом 300 °С – температура воспламенения дерева, а температура горения дерева равняется примерно 800–1000 °С.
Температура горения пропан-бутана – 800-1970 °С.
Температура пламени керосина – 800 °С, в среде чистого кислорода – 2000 °С.
Температура горения бензина – 1300-1400 °С.
Температура пламени спирта не превышает 900 °С.
Температура горения магния – 2200 °С; значительная часть излучения в УФ-диапазоне.

Наиболее высокие известные температуры горения:

дицианоацетилен C4N2 5260 К (4990 °C) в кислороде и до 6000 К (5730 °C) в озоне;
дициан (CN)2 4525 °C в кислороде.

Так как вода обладает очень большой теплоёмкостью, отсутствие водорода в горючем исключает потери тепла на образование воды и позволяет развить большую температуру.

Что такое бутан?

Бутан – это так называемый сжиженный природный (нефтяной) газ, который получается при перегонке нефти.
Как и пропан, бутан по своей природе является газом, но это относится не ко всем горючим газам. Бутан становится жидким при -0,5 градусах Цельсия или ниже, в то время как пропан становится жидким только при -40 градусах Цельсия.

Другим большим отличием между бутаном и пропаном является давление: при температуре 20 градусов Цельсия бутан имеет давление около 1,2 бар, тогда как пропан не менее 7,0 бар.

Оба изомера бутана являются газами при комнатной температуре, потому что (n-) бутан имеет температуру плавления -138 C и температуру кипения -0,5 C, а метилпропан (изобутан) имеет температуру плавления -160 C и температуру кипения −12 °С.

Бутан практически не растворим в воде (90 мг / л).

Оба изомера ведут себя схожим образом: они легко воспламеняются, не обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия, подвергаются воздействию только галогенов хлора и брома под воздействием света.

Скорость распространения

Распространение пламени по предварительно перемешанной среде (невозмущенной), происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к поверхности пламени. Величина такой нормальной скорости распространения пламени (далее – НСРП) является основной характеристикой горючей среды. Она представляет собой минимальную возможную скорость пламени. Значения НСРП отличаются у различных горючих смесей – от 0,03 до 15 м/с.

Распространение пламени по реально существующим газовоздушным смесям всегда осложнено внешними возмущающими воздействиями, обусловленными силами тяжести, конвективными потоками, трением и т.д. Поэтому реальные скорости распространения пламени всегда отличаются от нормальных. В зависимости от характера горения скорости распространения пламени имеют следующие диапазоны величин при:

дефлаграционном горении – до 100 м/с;
взрывном горении – от 300 до 1000 м/с;
детонационном горении – свыше 1000 м/с.

Цвет пламени определяется излучением электронных переходов (например, тепловым излучением) различных возбужденных (как заряженных, так и незаряженных) частиц, образующихся в результате химической реакции между молекулами горючего и кислородом воздуха, а также в результате термической диссоциации. В частности, при горении углеродного горючего в воздухе, синяя часть цвета пламени обусловлена излучением частиц CN ±n , красно-оранжевая — излучением частиц С2 ±n и микрочастиц сажи. Излучение прочих образующихся в процессе горения частиц (CHx ±n , H2O ±n , HO ±n , CO2 ±n , CO ±n ) и основных газов (N2, O2, Ar) лежит в невидимой для человеческого глаза УФ и ИК части спектра. Кроме того, на окраску пламени сильно влияет присутствие в самом топливе, деталях конструкции горелок, сопел и так далее соединений различных металлов, в первую очередь натрия. В видимой части спектра излучение натрия крайне интенсивно и ответственно за оранжево-желтый цвет пламени, при этом излучение чуть менее распространенного калия оказывается на его фоне практически не различимым (поскольку большинство организмов имеют в составе клеток K+/Na+ каналы, то в углеродном горючем растительного или животного происхождения на 3 атома натрия приходится в среднем 2 атома калия).

Источник: Тидеман Б.Е., Сциборский Д.Б. Химия горения. –Л., 1935.

Взрыв пропан-бутана

Наличие газа в помещении (в воздухе) в количестве от 1,8 до 9,5 процента является взрывоопасной концентрацией, способной при открытом огне или искре стать причиной взрыва большой разрушительной силы

Взрыв баллона пропан бутана происходит при соприкосновении газа с огнем либо при превышении показателей пожаровзрывоопасности. Пропан: С3Н8, горючий газ, температура вспышки 96 °С, температура самовоспламенения 470 °С, концентрационные пределы распространения пламени 2,3-9,4 % (об.). Бутан: C4H10, горючий газ, плотность по воздуху 2,0665, температура вспышки 69 °С, температура самовоспламенения 405 °С, концентрационные пределы распространения пламени 1,8-9,1 % (об.).

Взрыв пропан-бутана сопровождается высокотемпературным выбросом газов (пламени), при этом летят осколки и детали разорвавшихся баллонов, выделяется тепловое излучение. При взрыве пропан-бутана помимо основных факторов пожара (открытый огонь, повышенная температура окружающей среды, токсичные продукты горения и т. д.), как правило, проявляются вторичные факторы: волна сжатия, образующаяся при взрыве баллона и влекущая за собой разрушение зданий или отдельных их частей, разрушение (или повреждение) наружного и внутреннего водопроводов, пожарной техники, стационарных средств тушения, технологического оборудования, возникновение новых очагов пожаров и взрывов. При взрыве баллона пропан-бутана в очаге пожара возможно образование «огненного шара» диаметром 10 м.

Пропан технический: свойства

Среди основных параметров вещества стоит отметить следующие:

сумма пропилена и пропана составляет не менее 75 % от всего объема (количество последнего не нормируется);
сумма бутанов и непредельных углеводородов – не нормируется;
количество жидкого остатка не должна превышать 0,7 % об.;
давление насыщенных паров при температуре – 20 ◦С должно быть не менее 0,16 МПа;
количество сероводорода и меркаптановой серы не должна превышать 0,013 % от всего объема;
интенсивность запаха пропана должна превышать 3 балла.

Минимальная температур горения пропана составляет – 35 °C. Благодаря этому работать с газом можно в любых условиях. Самовоспламеняется пропан, при нормальном атмосферном давлении, при температуре в 466 °C. При 97 °C возникает критическая температура пропана. Температура горения пропан-бутана колеблется от 800 до 1970 °С, пламя сгорания чистого пропана имеет температуру около 2526 °C, а жаропроизводительность, в среднем, составляет 2110 °C. В газовых резаках, при смеси с кислородом от 1:4 до 1:5 (пропан:кислород), возникает температура пламени до 2830 °C.

Химические и физические свойства

Пропан-бутан обладает уникальнейшими химическими, физическим свойствами, что буквально и сделало его столь популярным среди потребителей всего мира.

Во-первых, этот представитель сжиженных углеродных газов остается в жидкой форме исключительно при большом давлении, которое равно 16-ти атмосферам. Поэтому при транспортировке вещество перевозят только в газовых баллонах с соответствующим давлением.

Температура горения пропана не равна какому-то определенному числу и колеблется в пределах между 800-1970 градусов по Цельсию. Столь высокие показатели полностью оправдывают ту пользу, которую он приносит в быту человека, ведь горение этой смеси имеет большой КПД при исполнении любых задач, связанных с использованием данного газа.

Температура кипения пропана составляет -42 градуса по Цельсию, что свидетельствует о гарантии безопасности эксплуатации в нормальных условиях.

Но так как мы рассматриваем смесь пропана с бутаном, то эта цифра может подняться до отметки -25 градусов и даже выше, в зависимости от процентного соотношения составляющих в веществе. Стоит учесть, что пропан замерзает при температуре -188 градусов.

При перевозке вещества не стоит забывать о температуре пропана в баллоне, которая не должна превышать отметку выше 15 градусов по Цельсию.

Такой подход считается наиболее безопасным, поскольку при транспортировке с высшей температурой газовых баллонов, существенно возрастает риск возгорания.

Кстати, что касается температуры воспламенения пропана-бутана, то и здесь они отличаются – у первого она составляет 504 градуса по Цельсию, а у второго – 430. Но, не смотря на столь большое количество отличий между своими составляющими, этот представитель сжиженных углеродных газов вполне конкурентный с бензиновыми горючими смесями.

Использование технического пропана

Технический пропан может быть использован в следующих сферах:

в качестве топлива для грузовиков, при выполнении работ разного характера в промышленности;
в строительстве: для резки металлолома, сварки, во время кровельных работ, для разогрева асфальта, для обогрева помещений;
в быту для приготовления пищи, отопления дома, подогрева воды;
в пищевой и химической промышленности для растворителей или в качестве пищевой добавки, известной как Е944.

Применение и реакции[ | ]

При свободнорадикальном хлорировании образует смесь 1-хлор- и 2-хлорбутана. Их соотношение хорошо объясняется разницей в прочности связей С—Н в позиции 1 и 2 (425 и 411 кДж/моль).

При полном сгорании на воздухе образует углекислый газ и воду. Бутан применяется в смеси с пропаном в зажигалках, в газовых баллонах в сжиженном состоянии. Температура кипения бутана −0,5 °C, значительно выше, чем у пропана (−42 °C), поэтому в чистом виде его можно использовать только в теплом климате. Иногда используются «зимние» и «летние» смеси с различным составом (в летних бутана до 50%, в зимних — не больше 15%). Теплота сгорания 1 кг — 45,7 МДж (12,72 кВт·ч).

2 C 4 H 10 + 13 O 2 → 8 C O 2 + 10 H 2 O <\displaystyle <\mathsf <2C_<4>H_<10>+13O_<2>\rightarrow 8CO_<2>+10H_<2>O>>>

При недостатке кислорода образуется сажа, угарный газ или их смесь:

2 C 4 H 10 + 5 O 2 → 8 C + 10 H 2 O <\displaystyle <\mathsf <2C_<4>H_<10>+5O_<2>\rightarrow 8C+10H_<2>O>>> 2 C 4 H 10 + 9 O 2 → 8 C O + 10 H 2 O <\displaystyle <\mathsf <2C_<4>H_<10>+9O_<2>\rightarrow 8CO+10H_<2>O>>>

Фирмой DuPont разработан метод получения малеинового ангидрида из н-бутана при каталитическом окислении:

2 C 4 H 10 + 7 O 2 → 2 C 4 H 2 O 3 + 8 H 2 O <\displaystyle <\mathsf <2C_<4>H_<10>+7O_<2>\rightarrow 2C_<4>H_<2>O_<3>+8H_<2>O>>>

-Бутан — сырьё для получения бутилена, 1,3-бутадиена, компонент бензинов с высоким октановым числом. Бутан высокой чистоты и особенно изобутан может быть использован в качестве хладагента в холодильных установках. Производительность таких систем немного ниже, чем фреоновых, но бутан безопасен для окружающей среды, в отличие от фреоновых хладагентов.

В пищевой промышленности бутан зарегистрирован в качестве пищевой добавки E943a

, а изобутан —
E943b
, как пропеллент.

Отличие пропана от метана

Среди отличительных особенностей пропана стоит отметить:

более высокая эффективность при сгорании, благодаря чему он намного эффективнее метана во время проведения сварочных работ;
высокая инертность газа, что позволяет ему более активно вступать в разнообразные химические реакции;
пропан безопаснее метана и отличается наличием наркотического действия;
при транспортировке пропана не нужно использовать какое-то специальное оборудование, достаточно обычных стальных баллонов.

Кроме этого, пропан является более дешевым и легче заправляется.

Горение метана

Метан представляет собой газообразное химическое соединение с химической формулой CH4. Это самый простой представитель алканов. Другие названия этой группы органических соединений: предельные, насыщенные или парафиновые углеводороды. Они характеризуются наличием простой связи между атомами углерода в молекуле, а все остальные валентности каждого углеродного атома насыщены атомами водорода. Для алканов наиболее важной реакцией является горение. Они горят с образованием газообразной двуокиси углерода и паров воды. В результате выделяется огромное количество химической энергии, которая превращается в тепловую или электрическую. Метан является горючим веществом и основным компонентом природного газа, что и делает его привлекательным топливом. В основе широкого использования природного ископаемого лежит реакция горения метана. Поскольку он в нормальных условиях является газом, то его трудно транспортировать на далекие расстояния от источника, поэтому часто его предварительно сжижают.

Процесс горения заключается в реакции между метаном и кислородом, то есть в окислении простейшего алкана. В результате образуется двуокись углерода, вода и много энергии. Горение метана может быть описано уравнением: CH4 [газ] + 2O2 [газ] → CO2 [газ] + 2H2O [пар] + 891 кДж. То есть одна молекула метана при взаимодействии с двумя молекулами кислорода образует молекулу двуокиси углерода и две молекулы воды. При этом выделяется тепловая энергия, равная 891 кДж. Природный газ является самым чистым для сжигания ископаемым, так как уголь, нефть и другие виды топлива более сложные по составу. Поэтому при сгорании они выделяют в воздух различные вредные химические вещества. Поскольку природный газ в основном состоит из метана (примерно на 95%), то при его сжигании практически не образуются побочные продукты или их получается намного меньше, чем в случае с другими видами ископаемого топлива.

Теплотворная способность метана (55,7 кДж/г) выше, чем его гомологов, например, этана (51,9 кДж/г), пропана (50,35 кДж/г), бутана (49,50 кДж/г) или других видов топлива (древесина, уголь, керосин). Горение метана дает больше энергии. Для обеспечения в течение года работы лампочки накаливания мощностью 100 Вт необходимо сжечь 260 кг древесины, или 120 кг угля, или 73,3 кг керосина, или всего 58 кг метана, что соответствует 78,8 м³ природного газа.

Простейший алкан является важным ресурсом для получения электроэнергии. Происходит это за счет сжигания его в качестве топлива котла, вырабатывающего пар, который приводит в движение паровую турбину. Также горение метана используется для получения горячих дымовых газов, энергия которых обеспечивает работу газовой турбины (сжигание осуществляется до турбины или в самой турбине). Во многих городах метан подается по трубам в дома для внутреннего отопления и приготовления пищи. По сравнению с другими видами углеводородного топлива сжигание природного газа характеризуется меньшим выделением углекислого газа и большим количеством полученного тепла.

Горение метана используется для достижения высоких температур в печах различных химических производств, например, крупнотоннажных этиленовых установок. Природный газ в смеси с воздухом подается в горелки печей пиролиза. В процессе сгорания образуются дымовые газы с высокой температурой (700—900 °С). Они нагревают трубы (находятся внутри печи), в которые подается смесь сырья с водяным паром (для снижения образования кокса в трубах печей). Под действием высоких температур происходит множество химических реакций, в результате которых получают целевые компоненты (этилен и пропилен) и побочные продукты (смола пиролизная тяжелая, водородная и метановая фракции, этан, пропан, углеводороды С4, С5, пироконденсат; каждый из них имеет свое применение, например, пироконденсат используют для получения бензола или компонентов автомобильного бензина).

Горение метана является сложным физико-химическим явлением на основе экзотермической окислительно-восстановительной реакции, характеризующейся высокой скоростью течения и выделением огромного количества тепла, а также теплообменными и массообмеными процессами. Поэтому расчетное определение температуры горения смеси представляет собой сложную задачу, так как кроме состава горючей смеси сильно влияют ее давление и начальная температура. С их увеличением наблюдается рост температуры горения, а теплообменные и массообменые процессы способствуют ее снижению. Температура горения метана при проектировании процессов и аппаратов химических производств определяется расчетным методом, а на действующих установках (например, в печах пиролиза) ее измеряют с помощью термопар.

Принцип работы и особенности

Пользователь получает ровный факел, мощность которого контролируется специальным клапаном. За счет чего изменяется температура, на которую он прогревает в зависимости от толщины материала и преследуемых задач.

Устройство экономически более выгодно для проведения сварки и резки, чем массивное дорогостоящее оборудование.

Спектр использования настолько велик, что изделие даже применяется для дезинфекции деревянных ульев, обработки клеток животных, кровле и так далее.

Розжиг горелки производится спичками, зажигалкой или открытым источником огня. Такой вариант дешевле, чем модели с установленным пьезоподжигом. Этот элемент приводит к возгоранию после нажатия кнопки, что провоцирует появление искры, от которой газовая струя поджигается.

Горелка – востребованный инструмент, поэтому разработчики стремятся к усовершенствованию конструкции и увеличению функциональности. Рынок предлагает несколько разновидностей подобного оборудования:

Газовый паяльник.
Резак.
Горелка для туризма.
Паяльная лампа.

Паяльная лампа – одна из разновидностей горелок. Показывает высокую температуру и применяется для обработки металла, пластика и других прочных материалов.

Физические свойства пропана:

Наименование параметра:	Значение:
Цвет	без цвета
Запах	без запаха
Вкус	без вкуса
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.)	газ
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3	1,8641
Плотность (при температуре кипения и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3	585
Температура плавления, °C	-187,6
Температура кипения, °C	-42,09
Температура самовоспламенения, °C	472
Критическая температура*, К	370
Критическое давление, МПа	4,27
Критический удельный объём, м3/кг	0,00444
Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом, % объёмных	от 1,7 до 10,9
Удельная теплота сгорания, МДж/кг	48
Молярная масса, г/моль	44,1

* при температуре выше критической температуры газ невозможно сконденсировать ни при каком давлении.

От чего зависит?

Температура горелки определяется химическим составом газа и мощностью изделия. В процессе исследований удалось установить, что температурные показатели факела зависимы от теплотворных свойств газовой смеси.

После соединения топлива с воздухом газ расходуется критически, поэтому интенсивность горения увеличивается. За счет дополнительного источника воздуха повысить какую температуру у горелки вы будите получать. Без обдува значение достигает 1500 градусов, доступ вспомогательного воздушного потока выдает рост до 2200 градусов. В разных частях факела температура отличается:

Внутренняя. Это короткая зона с незначительным нагревом.
Средняя. На этом участке температура пламени от газовой горелки достигает предела, но огонь не раскрывается полностью, что связано с нехваткой кислорода и выделением продуктов распада.
Окаймляющая. Визуально характеризуется ярким огнем с высоким КПД.

Дешевые модели горелок конструктивно одинаковые. Дорогие оснащаются дополнительными элементами, которые увеличивают технические характеристики и удобство использования.

Для выполнения сварки и резки предъявляются особые требования к составу газовой смеси, поскольку от неё зависит температурный режим изделия.

Применение и реакции

2 C 4 H 10 + 13 O 2 → 8 C O 2 + 10 H 2 O <\displaystyle <\mathsf <2C_<4>H_<10>+13O_<2>\rightarrow 8CO_<2>+10H_<2>O>>>

При недостатке кислорода образуется сажа, угарный газ или их смесь:

Фирмой DuPont разработан метод получения малеинового ангидрида из н-бутана при каталитическом окислении:

2 C 4 H 10 + 7 O 2 → 2 C 4 H 2 O 3 + 8 H 2 O <\displaystyle <\mathsf <2C_<4>H_<10>+7O_<2>\rightarrow 2C_<4>H_<2>O_<3>+8H_<2>O>>>

В пищевой промышленности бутан зарегистрирован в качестве пищевой добавки E943a

, а изобутан —
E943b
, как пропеллент.

Температурный режим разных видов горелок на баллон

Приобрести горелку можно через Интернет либо в строительном магазине. Лучше отдать предпочтение второму варианту, поскольку покупатель может проконсультироваться с опытным продавцом, он подберет целесообразный вариант в зависимости от задач, которые поставил пользователь. В ассортимент продукции входят модели, отличающиеся по температурному режиму:

Перезаправляемые. Характеризуются небольшими габаритами и продуманной формой, а также удобством использования и пьезоэлектрическим элементом. К баллонной разновидности горелок на газу этот вид не относится.
На цанговом баллончике. Являются источником мощного пламени со средней температурой на выходе 1500 градусов.
Резьбовые. В составе топлива львиную долю занимает пропан, благодаря чему в зоне горения температура составляет 1800 градусов. Продвинутые модели оборудованы системами смешивания воздуха с пропановой смесью.

Некоторые горелки оснащаются автономным подогревом горючей смеси, что увеличивает угол использования.

СПБТ (смесь пропан-бутан техническая)

Газы углеводородные сжиженные Пропан-бутан, в дальнейшем СУГ (Газы углеводородные сжиженные) — смеси углеводородов, которые при нормальных условиях (атмосферное давление и Т воздуха = 0°С) находятся в газообразном состоянии, а при небольшом повышении давления (при постоянной температуре) или незначительном понижении температуры (при атмосферном давлении) переходят из газообразного состояния в жидкое.

Основными компонентами СУГ являются пропан и бутан. Пропан-бутан (сжиженный нефтяной газ, СНГ, по-английски — liquified petroleum gas, LPG) — это смесь двух газов. В состав сжиженного газа входят в небольших количествах также: пропилен, бутилен, этан, этилен, метан и жидкий неиспаряющийся остаток (пентан, гексан). Сырьем для получения СУГ являются в основном нефтяные попутные газы, газоконденсатных месторождений и газы, получаемые в процессе переработки нефти.

В сосудах (цистернах, резервуарах, баллонах) для хранения и транспортировки СУГ одновременно находится в 2-х фазах: жидкой и парообразной. СУГ хранят, транспортируют в жидком виде под давлением, которое создаётся собственными парами газа. Это свойство делает СУГ удобными источниками снабжения топливом коммунально-бытовых и промышленных потребителей, т.к. сжиженный газ при хранении и транспортировке в виде жидкости занимает в сотни раз меньший объем, чем газ в естественном (газообразном или парообразном) состоянии, а распределяется по газопроводам и используется (сжигается) в газообразном виде.

Сжиженные углеводородные газы, подаваемые в населенные пункты, должны соответствовать требованиям ГОСТ 20448-90. Для коммунально-бытового потребления и промышленных целей стандартом предусматривается выпуск и реализация СУГ трех марок: ПТ — пропан технический; СПБТ — смесь пропана и бутана техническая; БТ — бутан технический.

1.1. Углеводородные сжиженные газы должны изготовляться в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке.1.2. Марки 1.2.1. В зависимости от содержания основного компонента марки сжиженных газов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Марка	Наименование	Код ОКП
ПТ	Пропан технический	02 7236 0101
СПБТ	Смесь пропана и бутана технических	02 7236 0102
БТ	Бутан технический	02 7236 0103

1.3. Характеристики

1.3.1. По физико-химическим показателям, сжиженные газы должны соответствовать требованиям и нормам, приведенным в табл. 2.

Таблица 2

Наименование показателя	Норма для марки			Метод испытания
Наименование показателя	ПТ	СПБТ	БТ	Метод испытания
1. Массовая доля компонентов, %:	По ГОСТ 10679
сумма метана, этана и этилена	Не нормируется
сумма пропана и пропилена, не менее	75	Не нормируется
сумма бутанов и бутиленов, не менее	Не нормируется	—	60
не более	60	—
2. Объемная доля жидкого остатка при 20 °С, %,	По п. 3.2
не более	0,7	1,6	1,8
3. Давление насыщенных паров, избыточное, МПа, при температуре:	По п. 3.3 или ГОСТ 28656
плюс 45 °С,не более	1,6	1,6	1,6
минус 20 °С,не менее	0,16	—	—
4. Массовая доля сероводорода и меркаптановой серы, %, не более	0,013	0,013	0,013	По ГОСТ 22985
в том числе сероводорода, не более	0,003	0,003	0,003	По ГОСТ 22985 или ГОСТ 11382
5. Содержание свободной воды и щелочи	Отсутствие			По п. 3.2
6. Интенсивность запаха, баллы, не менее	3	3	3	По ГОСТ 22387.5 и п.3.4 настоящего стандарта

Применение СУГ по маркам связано с наружными температурами, от которых зависит упругость(давление) паров сжиженных газов, находящихся в баллонах на открытом воздухе или в подземных резервуарах. В зимних условиях при низких температурах, для создания и поддержания необходимого давления в системах газоснабжения, в составе сжиженного газа должен преобладать более легко испаряющийся компонент СУГ- пропан. Летом основной компонент в СУГ — бутан.

Основные физико-химические свойства компонентов сжиженных углеводородных газов и продуктов их сгорания: — температура кипения (испарения) при атмосферном давлении для пропана — 420С, для бутана — 0,50 С; Это означает, что при температуре газа выше указанных величин происходит испарение газа, а при температуре ниже указанных величин происходит конденсация паров газа, т.е. из паров образуется жидкость (конденсат сжиженного газа). Т.к. пропан и бутан в чистом виде поставляются редко, то приведенные температуры не всегда соответствуют температуре кипения и конденсации применяемого газа. Применяемый в зимнее время газ обычно нормально испаряется при температуре окружающего воздуха до минус 200 С. Если же заводы-изготовители поставят газ с повышенным содержанием бутана, то конденсация паров газа может быть и в летнее время при небольших заморозках. — низкая температура воспламенения при атмосферном давлении: для пропана — 504-5880 С, для бутана — 430-5690 С; Это означает, что воспламенение(вспышка) может произойти от нагретых, но еще не светящихся предметов, т.е. без наличия открытого огня. — низкая температура самовоспламенения при давлении 0,1 МПа (1 кгс/см2) для пропана — 4660 , для бутана — 4050 С; — высокая теплота сгорания (количество тепла, которое выделяется при сжигании 1 м3 паров газа): для пропана 91-99 МДж/м3 или 22-24 тыс.ккал, для бутана 118-128 МДж/м3или 28-31 тыс.ккал. — низкие пределы взрываемости (воспламеняемости): пропана в смеси с воздухом 2,1-9,5 об.%, бутана в смеси с воздухом 1,5-8,5 об.%, смеси пропана и бутана с воздухом 1,5-9,5 об.%. Это означает, что газовоздушные смеси могут воспламеняться (взрываться) только в том случае, если содержание газа в воздухе или кислороде находится в определенных пределах, вне которых эти смеси без постоянного притока (наличия) тепла или огня не горят. Существование этих пределов объясняются тем, что по мере увеличения содержания в газовоздушной смеси воздуха или чистого газа уменьшается скорость распространения пламени, увеличиваются тепловые потери и горение прекращается. С увеличением температуры газовоздушной смеси пределы взрываемости (воспламеняемости) расширяются. — плотность паров газа (смеси пропана и бутана) — 1,9-2,58 кг/м3; Пары СУГ значительно тяжелее воздуха (плотность воздуха 1,29 кг/м3) и собираются в нижней части помещения, где может образоваться взрывоопасная газовоздушная смесь при очень малых утечках газа. При затекании паров СУГ (в виде стелющегося тумана или прозрачного мерцающего облака) в не проветриваемые подвалы, устройства канализации, заглубленные помещения они могут оставаться там очень долго. Часто это происходит при утечках газа из подземных резервуаров и газопроводов. Особенно опасно то, что внешним осмотром такую утечку обнаружить нельзя, т.к. газ не всегда выходит на поверхность земли, а распространяясь под землей может попадать в канализацию или подвалы на большом удалении от места утечки. — плотность газа в жидком состоянии — О,5-0,6 кг/л. — коэффициент объемного расширения жидкой фазы СУГ- в 16 раз больше, чем у воды. При повышении температуры газа его объём значительно увеличивается, что может привести к разрушению (разрыву) стенок сосуда с газом. — для полного сгорания паров СУГ необходимо на 1м3 паров пропана — 24м3 воздуха или 5,0 м3 кислорода на 1м3 паров бутана — 31м3 воздуха или 6,5 м3 кислорода. — объем паров газа с 1 кг пропана — 0,51 м3 , с 1 л пропана — 0,269м3, с 1 кг бутана — 0,386м3, с 1 л бутана — 0,235м3 . — максимальная скорость распространения пламени горящего пропана- 0,821м/с, бутана — 0,826 м/с. СУГ бесцветны (невидимы) и большей частью не имеют сильного собственного запаха, следовательно, в случае их утечки в помещении может образоваться взрывоопасная газовоздушная смесь. Для того, чтобы своевременно обнаружить утечки газа, горючие газы подвергают одоризации, т. е. придают им резкий специфический запах. В качестве одоранта используют технический этилмеркаптан.

Этилмеркаптан — легкоиспаряющаяся жидкость с резким неприятным запахом.

Регулировка

От правильной настройки пламени зависит чистота резки. Кислородная обработка проводится при несколько окисленном или нормальном факеле. Тщательно откорректированное пламя у резаков с расположением мундштуков концентрического типа окружено режущим потоком кислорода. Ядро факела на каждом участке должно быть симметричным и не отличаться яркостью.

Резку горелкой со сдвинутым мундштуком проводить нельзя, поскольку это приведет к нагреву кромки, что негативно отразится на качестве разреза. Использование самоцентрирующихся мундштуков повышает удобство использования подобного оборудования, ведь устройство делает пламя симметричным.

Иногда движение газовой смеси затрудняется из-за засорения канала, что разделяет факел на струйки и приводит к потере стабильности. Такое изделие не только уменьшает качество обработки, но и снижает производительность. Корректировка пламени основана на создании симметричного пламени нужной мощности по отношению к кислородной режущей струе.

Нормальное пламя обеспечивается на приоткрытых вентилях, что дает возможность проводить регулировку в процессе работы. При полностью открытом ацетилене и кислороде наблюдается чрезмерное количество первого. Плавное перекрытие ацетиленового клапана приводит к стабилизации процесса.

Состав: зачем смешивают пропан и бутан

Чистый пропан для отопления дома слишком дорогой, поэтому его используют в паре с бутаном.

литр технического пропана стоит в среднем 27.5 рублей (при заправке более 3 000 литров);
литр самой дорогой «зимней смеси» (пропана не менее 75%) стоит 22-24 рубля (минимальная заправка — 2 000 литров).

Вещества отличаются температурой конденсации (превращения в жидкость):

Пропан	Бутан
Температура конденсации	-42.1°С	-0.5°С

При смешивании общая температура меняется:

В «летнем» составе допускается содержание бутана до 40-50%, оптимальная температура использования — выше +5°С.
В «зимней» — не более 25%, такое топливо может работать даже при -40°С.

Мы используем процентное соотношение 80/20 независимо от сезона. Составу не грозит разделение на фракции: при пониженной температуре основной объем газообразного вещества состоит из пропана, при нагреве начинает активно испаряться бутан. «Зимнее» соотношение рассчитано на полноценную работу топлива в мороз.

Отходы горения: углеводороды не оставляют сажи

Метан	Пропан	Бутан
Химическая формула	CH4	C3H8	C4H10
Соединения, образуемые при сгорании	H2O + CO2

В процессе горения топливо распадается на пары воды и углекислоту. Нет гари, выделения сажи, постороннего запаха.

Котлы и дымоходы на солярке, дровах, угле и отработанном масле приходится постоянно очищать. Копоть остается на всех доступных поверхностях, выпадает в виде серого налета на снег и растения. Использование СУГ исключает такие проблемы.

Газовая горелка на баллончик температура пламени

17 Декабря 2015

Газовые горелки являются незаменимым помощником в хозяйстве, мастерских и производственных цехах, на пикнике и в турпоходах. Легкость и удобство применения давно передали ветвь первенства газовым приборам в сравнении с другими видами. При выборе горелки стоит учитывать сферу применения, необходимую мощность, а также максимальную температуру пламени. Последний фактор особенно важен при выполнении более тонких видов работ. Поэтому необходимо знать основные параметры, напрямую связанные с распределением температурного режима пламени газовой горелки.

От чего зависит температура пламени газовой горелки

Газовая горелка на баллончик и температура пламени в ней напрямую зависит от состава газового топлива, окружающих условий горения и от мощности применяемого оборудования. Наблюдается при этом прямое соотношение теплотворной способности газа с температурой пламенного факела – повышение первого показателя ведет к увеличению второго.

Когда происходит процесс смешивания используемого топлива с воздухом, газ полностью расходуется, что в свою очередь увеличивает скорость горения и повышает температуру пламени. Этот показатель может улучшаться посредством дополнительного использования дутья воздуха. Например, без применения обдувания максимальный температурный режим составляет 1500 °С, то при его использовании возможен результат до 2200 °С.

На температуру также влияет факел пламени. Он не является однородным и делится на три зоны:

внутренняя – является самой короткой и обладает наиболее низкими температурными показателями. Именно в ней происходит нагревание газовой смеси, но без горения;

средняя восстановительная – это так называемая зона светлого огня, в которой достигается наивысшая температура. Уже здесь происходит горение, но не в полную мощность, в связи с недостатком кислорода и наличия углеродистых продуктов распада газа;

окаймляющая – характеризуется наиболее светлым пламенем, является окислительной. Температура этой зоны тоже высока и в связи с избытком воздуха происходит полное сгорание газа.

Температура пламени [ править | править код ]

Температура воспламенения для большинства твёрдых материалов — 300 °С.
Температура пламени в горящей сигарете — 250–300 °С. [источник не указан 645 дней
]
Температура пламени спички 750–1400 °С; при этом 300 °С — температура воспламенения дерева, а температура горения дерева равняется примерно 500–800 °С.
Температура горения пропан-бутана — 800–1970 °С.
Температура пламени керосина — 800 °С, в среде чистого кислорода — 2000 °С.
Температура горения бензина — 1300–1400 °С.
Температура пламени спирта не превышает 900 °С.
Температура горения магния — 2200 °С; значительная часть излучения в УФ-диапазоне.

Наиболее высокие известные температуры горения: дицианоацетилен C4N2 5’260 К (4’990 °C) в кислороде и до 6’000 К (5’730 °C) в озоне [2] ; дициан (CN)2 4’525 °C в кислороде [3] .

Так как вода обладает очень большой теплоёмкостью, отсутствие водорода в горючем исключает потери тепла на образование воды и позволяет развить бо́льшую температуру.

Температурный режим разных видов горелок на баллон

Подобрать газовую горелку на баллон можно в специализированных магазинах либо воспользоваться услугой онлайн покупки. Это существенно экономит время, к тому же на странице интернет магазина каждый имеет возможность ознакомиться с интересующей информацией о товаре. Торговая марка «Следопыт» предоставляет огромный выбор спецоборудования и газовых горелок в том числе. Среди них выделяют следующих три вида:

перезаправляемые – обладают компактный размер и эргономичный дизайн, просты и удобны в использовании, а наличие функции автоматического пьезоэлектрического розжига позволяет мгновенное использование прибора. К тому же стоит отметить, что именно этот вид не относиться к баллоной серии газовых горелок;
резьбовые – имеют направленный источник огня с факельной структурой. В качестве топлива используются смеси с высоким содержанием пропана, что обеспечивает поддержание постоянной температуры в зоне основного пламени – около 1800 °С. Некоторые модели имеют отдельные системы управления подачи газа и воздушной смеси. Это позволяет получить факел огня разной мощности и возможность выполнения работы в широком диапазоне температур;
с цанговым баллоном – используются как источник направленного пламени с факельной структурой, температура которого достигает 1500 °С.

Оборудованы приборы системой пьезоэлектрического розжига, некоторые имеют функцию дополнительного подогрева топлива, что позволяет использование оборудования под разными углами. Расход газа составляет от 50 до 250 г/час.

Физико-химические свойства пропан-бутановой смеси

Версия для печати Свойства марок газа ПБ и ПБА Свойства пропана и бутана Свойства торговых марок

источники:

http://fas.su/%D1%81%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%BA-%D1%81%D1%83%D0%B3/%D0%B3%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%B0-8-%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8-%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F-%D0%B3%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2

http://math-nttt.ru/instrument/sgoranie-butana.html

Уравнение горения пропана в избытке кислорода

Составьте уравнение реакции горения пропана при избытке кислорода?

В чем заключается отличие реакции горения лития и натрия в кислороде?

Составьте уравнение реакции горения в кислороде P3H + 2O?

Составьте уравнения реакции горения пропана, используемого в быту в качестве топлива?

Составьте уравнение реакции горения фосфора в кислороде (СРОЧНО)?

При горении в газовой горелке с кислородом взаимодействуют метан CH4 пропан C3H3 бутан C4H10?

Составьте уравнение реакции горения в кислороде (магний, кальций, кремний)?

Напишите уравнение реакции горения фосфора в избытке кислорода?

Составьте уравнения реакции горения предельных углеводородов а)пропан , б)изо — бутан?

Составьте уровнение реакции горения пропана и бутана?

1. Составьте уравнения реакций горения веществ а) алюминия б)хлора в) пропана С3Н8?

Глава 8. Характеристики горения газов

Глава 8. Характеристики горения газов

8.1. РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ

8.2. РАСЧЕТЫ ГОРЕНИЯ

8.3. ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ

8.4. ТЕМПЕРАТУРА САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ

8.5. ПРЕДЕЛЫ ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТИ И ВЗРЫВАЕМОСТИ

8.6. ГОРЕНИЕ В НЕПОДВИЖНОЙ СРЕДЕ

8.7. ГОРЕНИЕ В ЛАМИНАРНОМ И турбулентном ПОТОКах

8.8. УСТОЙЧИВОСТЬ ГОРЕНИЯ

8.9. СХЕМЫ ОГНЕПРЕГРАДИТЕЛЕЙ

8.10. ПРИНЦИПЫ СЖИГАНИЯ

8.11. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ НЕПОЛНОГО СГОРАНИЯ И СНИЖЕНИЕ В НИХ КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ

Сжиженный газ: современное отопление без магистрали

Классификация

Свойства СУГ

Температура

Что такое бутан?

Скорость распространения

Взрыв пропан-бутана

Пропан технический: свойства

Химические и физические свойства

Использование технического пропана

Применение и реакции[ | ]

Отличие пропана от метана

Горение метана

Принцип работы и особенности

Физические свойства пропана:

От чего зависит?

Применение и реакции

Температурный режим разных видов горелок на баллон

СПБТ (смесь пропан-бутан техническая)

Регулировка

Состав: зачем смешивают пропан и бутан

Рекомендации в работе

Отходы горения: углеводороды не оставляют сажи

Газовая горелка на баллончик температура пламени

Температура пламени [ править | править код ]

Температурный режим разных видов горелок на баллон

Физико-химические свойства пропан-бутановой смеси