Физико-химические основы горения диметиламина

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра общей химии

Контрольная работа

по общей химии

на тему: "Физико-химические основы горения диметиламина"

Уфа - 2010

ЗАДАНИЯ

Дано:

Топливо - пропиловый спирт C₂H₇N. Окислитель - кислород O_2(ж).

Часть №1.

1. Составить эквивалентную формулу и на ее основе - уравнения реакции горения топливной смеси.

2. Определите кислородный баланс окислителя в %.

3. Рассчитать стехиометрический состав химического топлива в процентах, в мольных долях, в эквивалентных (массовых долях.

4. Определить стехиометрический коэффициент топлива.

5. Определить плотность топливной смеси.

6. Рассчитать низшую и высшую теплотворность химического топлива по тепловому эффекту процесса горения(в кДж).

7. Рассчитать количество воздуха, необходимого для полного сгорания обычного топлива.

8. Определить объем продуктов горения 1 кг обычного топлива.

9. Определить удельный объем газообразных продуктов сгорания химического топлива.

10. Рассчитать процентное содержание составных частей продуктов сгорания топлива.

11. Определить теоретическую температуру (пирометрический коэффициент) процесса горения.

12. Определить КПД топлива.

13. Рассчитать теоретическую скорость истечения газов.

14. Определить удельную тягу.

Часть №2.

Дать полную характеристику: горючего, окислителя, продуктов сгорания (химический состав, основные физические свойства, энергохимические характеристики, токсичность).

Часть №3.

Дать оценку рассчитанного топлива в зависимости от его назначения на основе соответствующей справочной литературы.



Введение

Горение - окислительно-восстановительная реакция, сопровождаемая излучением, переносом тепла и вещества.

Горение - это сложный, быстро протекающий экзотермический процесс, в котором вследствие преобладания скорости выделения тепла над скоростью теплоотвода возникает характерные процессы переноса массы и энергии, обеспечивающие самоподдержание процесса.

Горение - один из важнейших технических процессов, овладения которым сыграло огромную роль в становлении человечества. Сжигание топлива - главный способ получения энергии современных силовых установок. Горение - один из способов прямого воздействия средств поражения.

Физико-химические механизмы горения крайне сложны и разнообразны. Их нельзя представить в форме конкретных химических уравнений, они представляются суммарно на основе закономерностей химической кинетики, диффузии и самообмена.

Топлива называют вещества, расходуемые с целью получения тепловой энергии.

В двигателе внутреннего сгорания процессы сжигания топлива, выделение тепла и преобразование части тепла в механическую работу происходит внутри рабочего цилиндра двигателя. В авиационных двигателях выделяемая энергия за счет горения топлив сообщается газовому рабочему телу и с его помощью преобразуется в механическую работу отброса газовой струи, а образующиеся в результате горения продукты являются рабочим телом.

Все современные двигатели работают на химическом топливе. Таким образом, реакция горения топлива используется для получения тепловой энергии, кроме того, топливо служит поставщиком рабочего тела в реактивных двигателях или самим рабочим телом вместе с окислителем в ракетных двигателях.

Критерием оценки химического топлива является плотность, удельный объем газообразных продуктов, выделяемых в процессе горения, теплота сгорания, теплопроизводительность, от которой зависит удельный расход, и другие энергохимические показатели.

Эффективность и надежность работы двигателей внутреннего сгорания, авиационных, реактивных и ракетных двигателей зависит от энергетических и физико-химических свойств топлив. Поэтому необходимо научиться определять свойства топлив, продуктов сгорания, энергоемкость, КПД топлив путем стехиометрических и термохимических расчетов. Выполняя экспериментальные работы по горению, определению состава продуктов горения топлив, можно судить о работоспособности и эксплуатационной надежности топливных систем, надежности деталей газового тракта.

Цель работы. Изучить реакции горения. Провести стехиометрический и термохимический расчет реакции горения реактивных и ракетных топлив для определения свойств, энергоемкости топлива. Исследовать продукты горения топлив.

Теоретическая часть. Горение - окислительно-восстановительная реакция, сопровождаемая излучением, переносом тепла и вещества.

Горение - это сложный, быстро протекающий экзотермический процесс, в котором вследствие преобладания скорости выделения тепла над скоростью теплоотвода возникает характерные процессы переноса массы и энергии, обеспечивающие самоподдержание процесса.

Горение - один из важнейших технических процессов, овладения которым сыграло огромную роль в становлении человечества. Сжигание топлива - главный способ получения энергии современных силовых установок. Горение - один из способов прямого воздействия средств поражения.

Физико-химические механизмы горения крайне сложны и разнообразны. Их нельзя представить в форме конкретных химических уравнений, они представляются суммарно на основе закономерностей химической кинетики, диффузии и самообмена.

Топлива называют вещества, расходуемые с целью получения тепловой энергии. термохимический стехиометрический горение топливо

В двигателе внутреннего сгорания процессы сжигания топлива, выделение тепла и преобразование части тепла в механическую работу происходит внутри рабочего цилиндра двигателя. В авиационных двигателях выделяемая энергия за счет горения топлив сообщается газовому рабочему телу и с его помощью преобразуется в механическую работу отброса газовой струи, а образующиеся в результате горения продукты являются рабочим телом.

Все современные двигатели работают на химическом топливе. Таким образом, реакция горения топлива используется для получения тепловой энергии, кроме того, топливо служит поставщиком рабочего тела в реактивных двигателях или самим рабочим телом вместе с окислителем в ракетных двигателях.

Критерием оценки химического топлива является плотность, удельный объем газообразных продуктов, выделяемых в процессе горения, теплота сгорания, теплопроизводительность, от которой зависит удельный расход, и другие энергохимические показатели.

Эффективность и надежность работы двигателей внутреннего сгорания, авиационных, реактивных и ракетных двигателей зависит от энергетических и физико-химических свойств топлив. Поэтому необходимо научиться определять свойства топлив, продуктов сгорания, энергоемкость, КПД топлив путем стехиометрических и термохимических расчетов. Выполняя экспериментальные работы по горению, определению состава продуктов горения топлив, можно судить о работоспособности и эксплуатационной надежности топливных систем, надежности деталей газового тракта.

Ракетное топливо - вещество или совокупность веществ, используемых в ракетных двигателях в качестве источника энергии и рабочего тела для создания движущей силы. Применяются преимущественно жидкое и твердое ракетное топливо. Горючим в жидком ракетном топливе служит обычно жидкий водород, керосин или диметилгидразин, окислителем - жидкий кислород или тетраоксид диазота. В состав твердого ракетного топлива входят главным образом пороха на основе нитроцеллюлозы (горючее) и перхлорат аммония (окислитель).

Известны ракетное топливо химические и нехимические: у первых необходимая для работы энергия выделяется в результате химической реакции, а образующиеся продукты являются рабочим телом, т.е. обеспечивают при расширении в сопле ракетного двигателя преобразование тепловой энергии химических превращений в кинетическую энергию потока, истекающего из сопла ракетного двигателя. У вторых энергия внутриядерных превращений или электрическая энергия передается специальному веществу, являющимся только рабочим телом или его источником. Удельный импульс нехимических топлив зависит от термодинамических свойств и допустимой рабочей температуры рабочего тела, затрат энергии на создание тяги.

Ракетное топливо, реактивный двигатель, не использующий для работы окружающую среду (воздух, воду). Распространены химические ракетные двигатели (разрабатывают и испытывают электрические, ядерные и другие ракетные двигатели). Простейший ракетный двигатель работает на сжатом газе. По назначению различают разгонные, тормозные, управляющие и др. Применяют на ракетах (отсюда название), самолетах и др.

Большинство существующих ракетных двигателей работает на химических ракетных топливах. Основная энергетическая характеристика (удельный импульс) определяется количеством выделившейся при реакции окисления, разложения или рекомбинации теплоты и химическим составом продуктов реакции, от которого зависит полнота преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию потока (чем ниже молярная масса, тем выше удельный импульс).

Все химические реактивные топлива делятся на жидкие, твердые и гибридные. Из жидких ракетных топлив обычно широко применяется двухкомпонентные, состоящие из окислителя и горючего, а также всевозможных присадок.

Твердые ракетные топлива представляют собой гомогенную смесь компонентов или монолитную гетерогенную композицию. В гибридном ракетном топливе компоненты находятся в различных агрегатных состояниях.

Важнейшее значение для ракетоносителя имеет реактивная тяга (реактивная сила), сила реакции (отдачи) струи рабочего тела (напр., газа), вытекающей из сопла реактивного двигателя и приводящей в движение устройство с двигателем в сторону, противоположную направлению истечения рабочего тела. Реактивная тяга двигателей ракет для запуска космических летательных аппаратов достигает 10 Мн, скорость истечения реактивной струи 3000-4500 м/сек, температура в камере сгорания 3250-4775 К.



Решение I.

1. Составить эквивалентную формулу и на ее основе - уравнение горения топливной смеси

Топливо: Диметиламин C₂H₇N, Окислитель: кислород O_2(ж).

C₈H₂₈N₄O₃₀ >8CO₂+14 H₂O+2 N₂.

2. Определить кислородный баланс окислителя

Горение топливной смеси, состоящей из диметиламина C₂H₇N и кислорода O_2(ж), протекает по уравнению:

4C₂H₇N+xO₂ >8CO₂+ (x+13)/2H₂O+ (x+1)/8N₂.

Принимаем за x - число молей кислорода, израсходаванных на окисление одного моля диметиламина; ставим коэффициент перед молекулой углекислого газа; стехиометрические коэффициенты пред молекулами воды и азота ставятся с учетом содержания атомов водорода и азота в молекуле диметиламина.

Для расчёта коэффициента x необходимо составить уравнение баланса кислорода:

2x =16+(x+13)/2,

откуда x=15.

С учетом величины x уравнения реакции горения запишется в виде:

4C₂H₇N+15O₂ >8CO₂+ 14H₂O+ 2N₂.

3. Рассчитать стехиометрический состав химического топлива в процентах, в мольных долях, в эквивалентных (массовых) долях

Процентный состав топливной смеси:

a_{C2H7N %} =4M_C2H7N/(4M_C2H7N + 15M_O2)*100= 180/ (180+480)*100= 27,3 %,

a_{O2 %}= 15M_O2/(4M_C2H7N + 15M_O2)*100= 480/ (180+480)*100=72,7 %,

где M_C2H7N=45 г/моль (Молярная масса диметиламина);

M_O2= 32 г/моль (Молярная масса кислорода).

Мольные доли компонентов:

X_C2H7N=n_C2H7N/(n_C2H7N + n_O2)= 4/(4+15)=0,211;

X_O2=n_O2/(n_C2H7N + n_O2)= 15/(15+4)=0,789.

где n_C2H7N - количество моль диметиламина;

n_O2-количество моль кислорода.

Массовые доли элементов:

g_c =A(C) *8/(4M_C2H7N + 15M_O2)=96/(4*45+15*32)=0,145.

g_n=A(N) *4/(4M_C2H7N + 15M_O2)=14*4/(4*45+15*32)=0,085.

g_h=A(H)*28/(4M_C2H7N + 15M_O2)=1*28/(4*45+15*32)=0,042.

g_o=A(O)(2*15)/(4M_C2H7N + 15M_O2)=16*30/(4*45+15*32)=0,727.

4. Определить стехиометрический коэффициент топлива

Стехиометрический коэффициент определяется по формуле:

?=М_окис*n_окис/М_топл= М_O2*n_O2/М_C2H7N =32*15/45=10,67

5. Определить плотность топливной смеси

Зная плотность каждого компонента топливной смеси (?_i) можно определить плотность топливной смеси:

?=(n₁M₁+n₂M₂ +...+n_iM_i)/(n₁M₁/?₁ +n₂M₂/?₂ +...+n_iM_i/?_i).

?_O2 =1,022г/см².

? _C2H7N=1,883г/см².

?=(n_O2M_O2+n_C2H7NM_C2H7N)/(n_O2M_O2/?_O2+n_C2H7NM_C2H7N/? _C2H7N=

=(15*32+4*45)/(15*32/1,022+4*45/1,883)=1,168г/см².

6. Рассчитать высшую и низшую теплотворность химического топлива по тепловому эффекту процесса горения

?H⁰_{обр CO2}= -393,63.

?H⁰_{обр H2O}=-285,91.

?H⁰_{обр N2}=0.

?H⁰_{обр C2H7N}=35,31.

?H⁰_{обр O2}= 0.

?H⁰_{исп C2H7N} =40,63.

?H⁰_{исп O2}=0.

Для реакции:

4C₂H₇N+15O₂ >8CO₂+ 14H₂O+2 N₂.

_Qв=(8*?H⁰_{обр CO2}+14*?H⁰_{обр H2O}+2*?H⁰_{обр N2-}4*?H⁰_{обр C2H7N} -

15*?H⁰_{обр O2})*10³/(4*M_C2H7N +15*M_O2)= (8*-393,63+14*-285,91+0-4*35,31-15*0)*10³/ (4*45+15*32)= - 11,050кДж.

_Qн=(8*?H⁰_{обр CO2}+14*?H⁰_{обр H2O}+2*?H⁰_{обр N2-}4*?H⁰_{обр C2H7N} +4*?H⁰_{исп C2H7N} - 15*?H⁰_{обр O2} +15*?H⁰_{исп O2})*10³/(4*M_C2H7N +15*M_O2)=(8*-393,63+14*-285,91+0-4*35,31+4*40,63-15*-187,02+15*54,43)*10³/ (24*45+15*32)= -2,249 кДж.



7. Рассчитать количество воздуха, необходимого для полного сгорания обычного топлива

Требуется определить объем воздуха, необходимого для сжигания 1 кг при 20^оС и давлении 750 мм. рт. ст. при полном сгорании диметиламина по реакции:

C₂H₇N+3,75O₂ + N₂>2CO₂+ 3.5H₂O+ 1,5N₂.

Из этого уравнения следует, что на 45 кг диметиламина при заданных условиях требуется 3,75+1,5= 5,25 кг - молекулы воздуха или 24,36 м³*5,25=127,89 м³ воздуха, так как объем грамм-молекулы воздуха (V) при заданных условиях равен:

V=(22,4*760(20+273))/(273*750)= 24,36м^3.

Для сжигания 1 кг топлива потребуется в 45 раз меньше воздуха или 2,842м^3.

8. Определить объем продуктов горения 1 кг обычного топлива

Реакция горения обычного топлива проходит по реакции:

4C₂H₇N+15O₂ >8CO₂+ 14H₂O+ 2N₂.

Один моль диметиламина равен 45*10^-3 кг, отсюда 1 кг диметиламина равен 22,22 молям.

При сгорании 4 моль диметиламина выделяется 8 моль углекислого газа, 14 моль воды и 2 моля азота, при сгорании 22,22 моль диметиламина выделяется соответственно 44,4 моль углекислого газа, 77,77 моль воды и 11,11 моль азота. Все продукты реакции находятся в газообразном состоянии. Для газообразных веществ 1 моль соответствует 22,4 л, отсюда следует:

V_{(продуктов реакции)} =22,4*(44,4+77,77+11,11)=2985,472л.

9. Определить удельный объем газообразных продуктов сгорания химического топлива

Для реакции:

4C₂H₇N+15O₂ >8CO₂+ 14H₂O+2 N₂.

V_удел =22,4*(8+14+2)*1000/(4*45+15*32)=814,5 л/кг.

10. Рассчитать процентное содержание составных частей продуктов сгорания химического топлива

V_{(продуктов реакции)} =2985,472 л.

V _CO2= 994,56 л.

V _H2O = 1742,048 л.

V _N2 =248,864 л.

v _{% со 2} = 994,56*100/2985,472л.= 33,3 %.

v _{% н 2о} = 1742,048*100/ 2985,472л =58,4 %.

v _{% N2} = 248,864*100/2985,472л= 8,3 %.

11. Определить теоретическую температуру (пирометрический эффект) процесса горения

Т_мах = -_Qн /(8*С_{со 2} /(24*М_{со 2})+14*С_{н 2о} /(24*М_{н 2о})+2*С_N2 /(24*М_N2))

Т_мах = 2249/(8*36,62/(24*44)+14*33,54/(24*18)+2*1,042/(24*28))= 1644,6 К.



12. Определить КПД топлива

КПД = _Qн*100/_Qв = -2249*100/-11050=20,4 %.

13. Рассчитать теоретическую скорость истечения газов

Wt = 91,5*vQ_н =91,5*v 2249 =4339,26.

14. Рассчитать удельную тягу

Rуд = v(Wt /g) = (91,5*vQ_н)/g = vQ_н = v 2249 = 47,42.



Решение II. Дать полную характеристику: горючего, окислителя, продуктов сгорания (химический состав, основные физические свойства, энергохимические характеристики, токсичность)

1. Диметиламин

Строение. Диметиламин C₂H₇N - вторичный амин, производное аммиака, в молекуле которого два атома водорода замещены метильными радикалами: CH₃-NH-CH₃

Физические свойства. Бесцветный газ с резким неприятным запахом, легко сжижающийся при охлаждении в бесцветную жидкость. Горюч. В больших концентрациях оказывают вредное воздействие на нервную систему, печень, почки; раздражают слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей.

Энергохимические характеристики.

Температура плавления: -92,2 °C.

Температура кипения: 7 °C.

Диметиламин имеет сравнительно высокую температуру застывания и высокую температуру кипения, низкую теплопроизводительность, и среднюю плотность.

2. Жидкий кислород

Строение. Молекула состоит из двух атомов кислорода (формула O₂), в связи с чем его также называют дикислород.

Физические свойства. Жидкость бледно-синего цвета, которая относится к сильным парамагнетикам. Является одним из четырех агрегатных состояний кислорода.

Энергохимические характеристики. Обладает удельной плотностью 1,141 г/см? и имеет умеренно криогенные свойства с точкой замерзания 50,5 K (?222,65 °C) и точкой кипения 90.188 K (?182,96 °C).

3. Углекислый газ

Строение. Углекислый газ CO₂ (Оксид углерода IV) состоит из двух атомов кислорода и одного атома углерода.

Физические свойства. Углекислый газ CO_{2 -} газ без цвета и запаха, не поддерживающий дыхание и горения, тяжелее воздуха. Он растворим в воде (88 объемов CO₂ в 100 объемов воды при 20 ^оС).

При большой концентрации токсичен для людей и животных. При его концентрации в воздухе до 3 % у человека наблюдается учащенное дыхание, более 10 % - потеря сознания и даже смерть.

Энергохимические характеристики. При обычных давлениях углекислый газ переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. При обычной температуре под давлением 60 атм. переходит в жидкое состояние.

Углекислый газ способствует возникновению парникового эффекта. Он обусловлен способностью молекул CO₂ поглощать инфракрасную радиацию Земли и излучать ее обратно, вызывая тем самым повышение температуры приземных слоев атмосферы.

4. Азот

Строение. Молекула азота N2 двухатомна. Молекула имеет линейное строение.

Физические свойства. В обычных условиях азот - безцветный газ, без запаха, плохо расстворим в воде. Не токсичен. На 78 % воздух состоит из азота; азот входит в состав белков и нуклииновых кислот, в земной коре азот находится в виде нитратов.

Энергохимические характеристики Кратность связи в молекуле азота 3 обуславливает ее огромную прочность и объясняет высокую химическую инертность азота.

5. Вода

Н ₂О, жидкость без запаха, вкуса, цвета (в толстых слоях голубоватая); плотность 1,000 г/см ³ (3,98 °С), t_крист= 0 °С, t_кип =100 °С. Одно из самых распространенных веществ в природе (гидросфера занимает 71 % поверхности Земли). Воде принадлежит важнейшая роль в геологической истории планеты. Без воды невозможно существование живых организмов (около 65 % человеческого тела составляет вода). Вода - обязательный компонент практически всех технологических процессов как промышленного, так и сельскохозяйственного производства. Вода особой чистоты необходима в производстве продуктов питания и медицине, новейших отраслях промышленности (производство полупроводников, люминофоров, ядерная техника), в химическом анализе.



Решение III. Дать оценку рассчитанного топлива в зависимости от его назначения

Топливо C₈H₂₈N₄O₃₀ относится к жидким реактивным топливам. Оно имеет низкую теплопроизводительность, средний удельный объем. Компонент топлива O₂ обладает более низкой температурой застывания и более высокой температурой кипения. Компонент топлива C₂H₇N обладает более высокой температурой застывания и более высокой температурой кипения. Компоненты топливной смеси обладают невысокой вязкостью. Изменение вязкости диметиламина при изменении температуры минимально. При длительном хранении компоненты топлива не выделяют твердых и смолистых осадков, соответственно добавление в данную смесь антиоксидантов не обязательно. Оба компонента топлива являются доступными, их производство не является слишком дорогим или трудоемким. Из перечисленных свойств компонентов можно сделать вывод о среднем качестве данного топлива.

Размещено на Allbest.ru

...