РЕАКЦИИ ГОРЕНИЯ МЕТАНА, АЦЕТИЛЕНА, ПРОПАНА И ВОДОРОДА В АТМОСФЕРЕ ВОЗДУХА

COMBUSTION REACTIONS OF METHANE, ACETYLENE, PROPANE AND HYDROGEN IN THE ATMOSPHERE OF AIR

Vahan Panosyan

Student, faculty of ecology and technosphere safety Russian state social University,

Moscow, Russia

Damir Bekbulatov

Scientific adviser, senior lecturer, Russian state social University,

Moscow, Russia

АННОТАЦИЯ

Окружающая нас среда полна процессов и явлений, образующих деятельность человека в той или иной области. Одним из таких процессов является горение. Именно горение служит основным источником энергии на сегодняшний день. Помимо научного интереса, также имеет огромное значение в практике - преобладающая часть новейших технологий основана на использовании горения. Огонь была получена 30 тысяч лет назад, сегодня человек уже решает важные промышленные задачи: строит тепловые электростанции, изобретает двигатели, отапливает жилые кварталы и т.д.

Дадим определение данного процесса с научной точки зрения. Горение — это сложный физико-химический процесс взаимодействия горючих компонентов топлива с окислителем, в частности, горение топлива — это реакция быстрого окисления его компонентов, во время которой происходит интенсивное тепловыделение и резкое повышение температуры. Для рождения и протекания процесса должны соблюдаться следующие условия: наличие горючего вещества, окислителя и источника зажигания.

ABSTRACT

The environment around us is full of processes and phenomena that form human activity in a particular area. Combustion is one of such processes. It is combustion that serves as the main source of energy today. In addition to scientific interest, it is also of great importance in practice - the predominant part of the latest technologies is based on the use of combustion. Fire was obtained 30 thousand years ago, today people are already solving important industrial tasks: building thermal power plants, inventing engines, heating residential neighborhoods, etc.

Let's define this process from a scientific point of view. Combustion is a complex physico-chemical process of interaction of combustible fuel components with an oxidizer, in particular, the combustion of fuel is a reaction of rapid oxidation of its components, during which intense heat release and a sharp increase in temperature occur. For the birth and course of the process, the following conditions must be met: the presence of a combustible substance, an oxidizer and a source.

Ключевые слова: физика, РГСУ, горение, горючее вещество, пламя.

Keywords: physics, RSSU, combustion, combustible substance, flame.

Рассмотрим первое условие горения. Горючее вещество это газ, у которого высокая температура горения. Обычно используют такие газы как ацетилен, метан, пропан, бутан, водород, также природный газ. При сжигании горючего в воздухе или кислороде, получается пламя, температура пламени обычно варьируется в пределах 1700-3200 °С. Доказано, что из всех газов, процесс горения циана протекает с наиболее высокими температурами пламени. Горение циана в воздухе приводит к очень горячей пламени с температурой более 4500 °С. Чем выше температура пламени, тем больше число возбужденных элементов. Как следствие, повышение температуры способствует росту чувствительности анализа. Нельзя забывать также о том, что пламя зависит от устройства горелки, необходимо учитывать тип пламени.

В данной работе мы разберем процессы горения метана, ацетилена, пропана и водорода в атмосфере воздуха.

Метан (CH₄) – первый представитель гомологического ряда класса алканов. Можно охарактеризовать как ключевой компонент в составе природного газа. Пламя метана отличается голубоватым цветом. Реакция горения выглядит следующим образом:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О.

Следствие из уравнения – для окисления одной молекулы метана требуются две молекулы кислорода, то есть для полного сгорания 1 м³ метана требуется 2 м³ кислорода.

Вторым условием процесса горения является наличие окислителя - вещества, содержащего атомы, которые во время химической реакции присоединяют к себе электроны. Примеры сильных окислителей: железо (Fe), хлор (Cl), бром (Br), йод (I).

В реакции выше, роль окислителя берет на себя атмосферный воздух, представляющий собой сложную смесь веществ, в числе которых О₂ (21%), N₂ (78%) и CO₂ (1%), инертные газы и др. На технических расчетах небольшой процент углекислого и инертных газов чаще всего не учитывается, в состав воздуха включают два компонента: кислород (21%) и азот (79%). И в этом случае, затраты воздуха превосходят затраты кислорода для протекания реакции горения топлива в 4,76 раза (100/21).

В зависимости от количества участвующего в реакции кислорода различают продукты полного и неполного сгорания. При достаточном количестве кислорода образуются продукты полного сгорания, химические элементы окисляются полностью. Продукты полного сгорания природного газа: диоксид углерода СО₂, водяные пары Н₂О, некоторое количество избыточного кислорода О₂ и азот N₂. Нехватка же кислорода, кроме продуктов полного сгорания, приводит к образованию продуктов неполного сгорания. Продукты неполного сгорания, следующие: оксид углерода СО, несгоревшие водород Н₂ и метан СН₄, тяжелые углеводороды С_m Н_n и сажа. Из сказанного замечаем, что полнота сгорания зависит от количества диоксида углерода CO₂, чем его больше, тем меньше продуктов неполного сгорания.

Чтобы контролировать процесс горения топлива и определить степень полноты сгорания и избытка воздуха проводят анализ продуктов сгорания. Для этих задач используют автоматические газоанализаторы. Благодаря им обеспечивается контроль воздуха, горючих и взрывоопасных веществ.  Конкретнее, время от времени прибор производит отбор пробы газов, которые отходят и определяет процентное содержание диоксида углерода (CO₂), а также суммы объемных процентов оксида углерода и водорода, который не сгорел (СО + Н₂). Горение полное, если показания стрелки по шкале суммы объемных процентов оксида углерода и водорода нулевые. Прибор зафиксирует неполное сгорание, когда стрелка отклонится от нулевого показателя вправо, и соответственно в продуктах сгорания будет место сумме объемных процентов оксида углерода и водорода. Газоанализатор имеет и вторую шкалу, показывающую максимальный процент диоксида углерода СО_2max в продуктах сгорания. Максимальное содержание CO_2max и нулевое содержание (CO + H₂) способствуют сгоранию топлива в полном объеме.

Ацетилен (C₂H₂) – соединение, возглавляющее класс алкинов. Несколько легче атмосферного воздуха, может содержать ядовитые примеси. Пламя можно охарактеризовать ярким желтым коптящим пламенем. Рассмотрим реакцию горения ацетилена:

С₂Н₂ + 2,5O₂ = 2СO₂ + Н₂O + Q₁

Из уравнения замечаем, что полное сгорание 1 м³ ацетилена требует 2,5 м³ кислорода или 11,905 м³ воздуха. В процессе реакции выделяется тепло Q₁ = 312 ккал/моль. Высшая теплотворная способность 1 м³ С₂Н₂ при 0°C и 760 мм рт. ст., определенная в газовом калориметре, составляет Q_В = 14000 ккал/м³ (58660 кДж/м³), что соответствует расчетной:

312 = 1,1709 = 1000/26,036 = 14000 ккал/м³

Низшая теплотворная способность при тех же условиях может быть принята Q_H = 13500 ккал/м³ (55890 кДж/м³).

Практически для горения в горелках при восстановительном пламени в горелку подается не 2,5 м³ кислорода на 1 м³ ацетилена, а всего лишь от 1 до 1,2 м³, что примерно соответствует неполному сгоранию по реакции:

С₂H₂ + О₂ = 2СО + H₂ + Q₂

где Q₂ = 60 ккал/моль или 2300 ккал/кг С₂H₂. Остальные 1,5-1,3 м³ кислорода поступают в пламя из окружающего воздуха, в результате чего в наружной оболочке пламени протекает реакция:

2СО + H₂ + 1,5О₂ = 2СO₂ + H₂O + Q₃

Реакция неполного горения ацетилена протекает на внешней оболочке светящегося внутреннего конуса пламени, причем под влиянием высокой температуры на внутренней поверхности конуса происходит распад С₂Н₂ на его составляющие по реакции:

С₂H₂ = 2С + H₂ + Q₄

где Q₄ = 54 ккал/моль или 2070 ккал/кг С₂H₂.

Таким образом, общая полезная теплопроизводительность пламени применительно к сварочным процессам представляет собой сумму тепла, выделяемого при распаде С₂Н₂, и тепла, выделяемого при неполном сгорании, что составляет Q₄ + Q₂ = 2070 + 2300 = 4370 ккал/кг или 4370 = 1,1709 = 5120 ккал/м³.

При содержании С₂Н₂ в смеси около 45% (т. е. при отношении кислорода к ацетилену, примерно равном 1,25) достигается максимальная температура горения ацетилена, которая составляет 3200°С.

Пропан (C₃H₈) – третий представитель гомологического ряда класса алканов. Источники пропана – природные и нефтяные газы. Пламя синего цвета. Реакция горения пропана необратимая, окислительно-восстан­овительная, экзотермическая, не каталитическая, гомогенная.

С₃Н₈ + 5О₂ = 3СО₂ +4Н₂О + Q

При горении топлива получается тепловой эффект реакции – выделяется теплота и, как правило, реакция считается необратимой. Горение сложных соединений способствует образованию оксидов, содержащих элементы сложного соединения (CO₂ и H₂O). Окислительно-восстановительное свойство также проявляется: в левой стороне уравнения углерод имеет степень окисления -8/3, а в правой стороне уравнения +4. Происходит это за счет окисления C, а кислород, в свою очередь, восстанавливается, сменив степень окисления 0 на -2. Реакцию нельзя назвать каталитической, поскольку она берет начало с момента поджога. Последняя особенность – гомогенность, связана она со сходством газовой фазы пропана и кислорода. Механизм всех реакций горения – свободно-радикальный. Пропан, как и многие горючие вещества, требует осторожного обращения - взрывоопасен в смеси с воздухом или кислородом.

Запишем реакцию горения пропана в воздухе:

С₃Н₈ + 5(О₂ + 3,76N₂) = 3CO₂ + 4H₂O + 18,8N₂

Уравнение показывает, что полное сгорание 1 м³ пропана потребует 5 × 4,76 = 23,8 м³ воздуха. Получается, при нормальных условиях для сгорания 1 м³ пропана необходимо 23,8 м³ сухого воздуха.

Взаимодействие атомов при горении не может не вызывать интерес. Для того, чтобы знать особенности пропана, горения и образования воды, вследствие горения, нужно изучить этот момент. В процессе сгорания кислород, пропан и углекислый газ вступают в комбинацию и образуется вода. H₂O – побочный продукт реакции. 

Процентные пределы компонентов составляют: 1,8% - 8,6% пропана и 91,4% - 98,2% воздуха. Изменение процентного содержания пропана в большую или меньшую сторону приводит к неполному сгоранию. Дальше следует неправильное уравнение и появление смертельного угарного газа. Напишем уравнение полного сгорания пропана:

3CH₈ + 5O₂ > 3CO₂ + 4H₂O.

Благодаря своей нетоксичности и чистоте, пропан используют для отопления жилых зданий и приготовления пищи, в сварочных работах и в качестве замены бензину. За счет превосходства в весе, по сравнению с воздухом, пропан опускается вниз, что создает потенциально опасную ситуацию.

Водород (H₂) – первый химический элемент в таблице Д.И. Менделеева. Самое распространенное химическое вещество во Вселенной, молекула которого состоит из одного протона и одного электрона. Водород присутствует в составе практически всех органических соединений и живых клеток. Пламя водорода бесцветно, однако на выходе из стеклянной трубки мелькает желтая окраска. Рассмотрим реакцию горения нашего последнего горючего вещества.

2H₂ + O₂ = 2H₂O

На самом деле, опираясь на данное уравнение, мы не можем увидеть разветвлённые цепные реакции, которые протекают в смесях водорода с кислородом или воздухом. Компоненты реакции: H₂, O₂, H, O, OH, HO₂, H₂O, H₂O₂. Рассмотрев подробную кинетическую схему, можно обнаружить более 20 элементарных реакций, участниками которых являются свободные радикалы, в смеси, где они взаимодействуют друг с другом. Когда в системе соединений присутствуют азот или углерод количество компонентов и элементарных частиц значительно прибавляется.

Несмотря на простоту механизма горения водорода, он довольно интенсивно изучается большими группами исследователей и по сравнению с механизмами горения других газообразных горючих имеет наиболее простой механизм. Хотя за столетнюю историю исследований, он до сих пор изучен не до конца.

Эффективность и экологичность водорода гарантируют ему место в ряде топлив будущего. Практика показывает, что существует взаимосвязь между горением водорода и его использованием в энергоустановках, топливных элементах и безопасностью функционирования технологического оборудования. По справочным данным водород имеет удельную теплоту сгорания равную 140 МДж/кг (верхняя) или 120 МДж/кг (нижняя). Удельная теплота сгорания водорода превышает удельную теплоту сгорания углеводородных горючих веществ в несколько раз, например, у метана 50 МДж/кг.

Представляет собой опасность смесь водорода и кислорода, последствия – громкий хлопок, взрыв. Смесь получил название гремучий газ. При поднесении источника зажигания к смеси происходит резкое сгорание, сопровождающееся громким хлопком. Сравнительно с другими процессами горения, водород отличается медленным горением (дефлаграцией). Но несмотря на это, гремучему газу свойственна ещё детонация, вследствие чего взрыв происходит сильнее.

Еще один вид смеси – околостехиометрическая, опаснее гремучего газа. Отличие в том, что в ней на 1 моль O₂ приходится 2 моля H₂. Мы знаем, что соотношение O₂ и N₂ по объёму составляет 1 / 3,76, а соотношение объемов водорода и воздуха в гремучем газе в стехиометрическом соотношении составляет 2 / 4,76 ≈ 0,4. Преимуществом смеси водорода с воздухом является широкий диапазон концентраций H₂.

Условия самовоспламенения гремучего газа: атмосферное давление и температура 510 °C. Хранение возможно в комнатных условиях, запрещается наличие искры, пламени, самый слабый источник зажигания может стать причиной взрыва. Водород требует крайней осторожности при использовании, поскольку способен проникать сквозь стенки сосудов, где он хранится. Отсутствие запаха тоже является поводом для осторожности.

В заключение хотелось бы отметить, что основное загрязнение атмосферного воздуха связано со сжиганием органического топлива. Тепловые электрические станции и котельные, потребляя большое количество органического топлива (твердого, жидкого или газообразного), оказывают существенное влияние на загрязнение воздушного бассейна. Типичными токсичными выбросами в атмосферу для тепловых электрических станций и промышленных предприятий являются твердые частицы (пыль, зола), оксиды серы и азота, монооксид углерода, оксиды металлов и бензапирен.

Список литературы:

1. Основные характеристики горения. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. —М., 1977;
2. Процессы горения в химической технологии и металлургии. Мержанов А.Г. —Черноголовка, 1975
3. Физика горения и взрыва. Хитрин Л.Н. —М., 1957.