احتراق مواد

فرآیندی که طی آن مقداری از سوخت، اکسید شده و انرژی زیادی آزاد می شود را احتراق می گویند. اکسید کننده ای که اغلب در فرآیند احتراق استفاده می شود، هوا می باشد (به دلیل ارزانی و قابل دسترس بودن). اکسیژن خالص را به دلیل گران قیمت بودن، تنها در بعضی از فرآیندهای خاص استفاده می کنند. در یک مول یا یک حجم خاص از هوای خشک، 20.9 درصد اکسیژن، 78.1 درصد نیتروژن، 0.9 درصد آرگون و مقادیر ناچیزی دی اکسیدکرین، هلیم، نئون و هیدروژن وجود دارد. از آنجا که در فرآیند احتراق، آرگون شبیه نیتروژن عمل می کند، ترکیب هوا را به صورت 21 درصد اکسیژن و 79 درصد نیتروژن، توسط اعداد مولی در نظر می گیرند. لذا با ورود هوا، به ازای هر مول اکسیژن، 3.76=0.21/0.79 مول نیتروژن وارد می شود.

1 Kmol O2 + 3.76 Kmol N2 = 4.76 Kmol air

در طول احتراق، نیتروژن به عنوان یک گاز خنثی عمل کرده و به جز تشکیل مقدار کمی نیتریک اکسید، با ترکیبات موجود در فرآیند، واکنش نمی دهد. از آنجا که گاز نیتروژن در دمای کم و مقدار زیاد، وارد محفظه ی احتراق شده و در دمای بالا محفظه را ترک می کند، مقدار زیادی از انرژی احتراق را جذب کرده و در نتیجه، حضور آن فرآیند احتراق را شدیداً تحت تأثیر قرار می دهد.

در فرآیند احتراق، به ترکیبات قبل از واکنش، واکنش دهنده ها یا reactants و به فرآورده های واکنش، محصولات احتراق یا products می گویند. در فرآیند زیر، یک مول اکسیژن با یک مول کربن واکنش داده و مقدار زیادی حرارت به همراه یک مول دی اکسید تولید می کند.

C+O2→CO2

در واکنش بالا، کربن و اکسیژن را واکنش دهنده ها و دی اکسیدکربن را محصول احتراق می نامند. نکته ی قابل توجه این است که قرار دادن سوخت در معرض اکسیژن، برای آغاز فرآیند احتراق کافی نیست. برای آغاز احتراق باید دمای سوخت را بالاتر از حدی رساند که به آن دمای احتراق می گویند. به عنوان مثال، کمترین دمای احتراق برای ترکیبات روبرو در فشار اتمسفر عبارت است از: 260 درجه سلسیوس برای گازوئیل، 400 درجه برای کربن، 580 درجه برای هیدروژن و 610 درجه برای منواکسیدکربن می باشد. علاوه بر این موضوع، نسبت هوا و سوخت نیز باید در حد مناسبی باشد تا فرآیند احتراق آغاز شود. به عنوان مثال، فرآیند احتراق گاز طبیعی در هوا، در شرایطی که نسبت تمرکز گاز، کمتر از 5 درصد و یا بیشتر از 15 درصد باشد، انجام نمی شود.

پس ار ارائه ی توضیحات مختصر در مورد فرآیند احتراق و سوخت ها، به بیان توضیحاتی در مورد ظرفیت حرارتی سوخت ها می پردازیم.

 

فرآیند احتراق

 

سوختن کامل و ناقص

در صورتیکه واکنش احتراق برای سوخت‌های ئیدروکربنی رخ دهد، همواره به تولید آب، مونواکسید کربن و دی اکسید کربن منجر می‌شود. البته از بین این محصولات، آب یک محصول اجباری احتراق است در حالیکه مونواکسید کربن و دی‌اکسید کربن محصولات اختیاری به حساب می‌آیند. در شرایطی که احتراق در حضور اکسیژن کافی انجام پذیرد، تمام کربن موجود در این سوخت‌ها به دی‌اکسید کربن تبدیل شده و می‌گوییم واکنش احتراق به صورت کامل انجام گرفته‌ است. در غیر این صورت قسمتی و یا تمام کربن موجود در سوخت به مونواکسید تبدیل شده و می‌گوییم واکنش سوختن با کمبود اکسیژن همراه بوده و به صورت ناقص انجام شده‌است.

بدیهی است در صورتیکه اختلاط سوخت و اکسیژن به شکل مناسبی صورت پذیرد و یا مقدار اکسیژن بیشتر از مقدار استوکیومتری باشد، می‌توان واکنش سوختن را واکنش کامل در نظر گرفت.

اِنتالپی واکنش

مقدار انرژی آزاد شده در فشار ثابت یا همان اِنتالپی آزاد شده در اثر احتراق مواد و سوخت‌های مختلف، در جداول آمده‌است. نکته‌ای که در این جداول حتما باید به آن توجه کرد، حالت و شرایط مواد اولیه و محصولات احتراق می‌باشد. در اغلب جدول‌ها مقدار گرمای احتراق به ازای یک گرم‌مول از سوخت در شرایطی داده شده‌است که مواد اولیه و محصولات احتراق در شرایط استاندارد خود در دمای 25 درجه سانتی گراد  و1 اتمسفر فشار باشند. یا به عبارت دیگر، واکنش در شرایط همدما رخ دهد و در غیاب هرگونه نیروی خارجی رخ دهد. این مقدار گرما را گرمای استاندارد واکنش احتراق می‌نامند و با 

نشان داده‌ می‌شودکه علامت منفی در آن نشان دهنده انتقال گرما به محیط می‌باشد. بدیهی است در صورت بروز هرگونه تغییری در شرایط مواد اولیه و محصولات احتراق، باید تغییرات اِنتالپی ناشی از آن تغییر را به صورت جبری با اِنتالپی احتراق جمع نمود.

درصد تبدیل واکنش سوختن

به کسری از ماده اولیه که در یک واکنش شرکت می‌کند و به محصول تبدیل می‌شود، درصد تبدیل واکنش می‌گویند. لازم به ذکر است که در عمل درصد تبدیل واکنش یا همان راندمان واکنش، به ندرت به %100 می‌رسد و غالبا اعداد پایین‌تری را اختیار می‌کند. برای مثال در واکنش سوختن کامل متان، در حالت تئوری درصد تبدیل متان برابر %100 خواهد بود و به ازای سوختن هر گرم‌مول متان، 2 گرم‌مول O2 مصرف شده، 1 گرم‌مولCO2و 2 گرم‌مول H2O تولید شده و 890 کیلوژول انرژی آزاد می‌گردد. در صورتی‌که اگر واکنش احتراق مذکور با راندمان %75 رخ دهد، به ازای هر گرم‌مول متان موجود در مواد اولیه، تنها %75 آن به همراه 5/1 گرم‌مول O2 در واکنش شرکت می‌کند و مابقی آن به همراه محصولات خارج می‌گردد. در این حالت این واکنش، 75/0 گرم‌مول CO2 و 5/1 گرم‌مول H2O تولید و 8/667 کیلو‌ژول انرژی آزاد می‌کند.

دمای آدیاباتیک شعله

همانگونه که توضیح داده‌شد، مقدار انرژی حاصل از احتراق مواد مختلف در شرایطی که مواد اولیه و محصولات در شرایط استاندارد و متعارفی خود باشند، در جداول موجود است. لازمه چنین شرایطی این است که واکنش احتراق به‌صورت همدما رخ دهد. حال اگر واکنش احتراق در شرایط آدیاباتیک رخ دهد و محصولات واکنش با محیط پیرامون خود، حرارت مبادله نکند، تمام انرژی آزاد شده حین واکنش، صرف افزایش دمای محصولات خواهد شد. به دمای نهایی که محصولات واکنش در نهایت بدان می‌رسند دمای آدیاباتیک شعله می‌گویند.

لازم به ذکر است، در صورت وجود مواد بی اثر، دمای این مواد نیز باید در تعادل با محصولات واکنش باشد، لذا مقداری از انرژی حاصل از واکنش، صرف بالابردن دمای مواد بی اثر تا دمای آدیاباتیک خواهد شد و به همین دلیل مقدار دمای آدیاباتیک شعله کاهش می‌یابد. همچنین اگر واکنش با درصد تبدیلی کمتر از صد در صد رخ دهد، علاوه بر این‌که مقداری از مواد اولیه نیز در بین محصولات حضور خواهند داشت، مقدار محصولات تولید شده و انرژی آزاد شده، کمتر از حالت استاندارد واکنش خواهد بود. بنابراین مقدار سرانه انرژی که هر یک از محصولات کاهش می‌یابد که این امر باعث کاهش دمای آدیاباتیک شعله می‌گردد.

انواع سوخت

رایج ترین سوخت ها، شامل هیدروژن و کربن هستند که به نام سوخت های هیدروکربنی معروفند و فرمول کلی آنها به صورت CnHm است. این سوخت ها در تمام فازها موجود می باشند، مثل گاز، گازوئیل و زغال سنگ.

جزء اصلی زغال سنگ، کربن است. زغال سنگ علاوه بر کربن، شامل مقادیر متغیری از هیدروژن، نیتروژن، گوگرد، رطوبت و خاکستر نیز می باشد. از آنجا که ترکیبات موجود در زغال سنگ ناحیه به ناحیه تغییر می کند، ارائه دادن یک آنالیز جرمی دقیق از عناصر موجود در زغال سنگ، امکان پذیر نمی باشد.

 بیشتر سوخت های هیدروکبنی مایع، ترکیبی تعداد بیشماری از هیدروکربن ها بوده  که از تقطیر نفت خام بدست می آیند. در فرآیند پالایش نفت خام، اولین هیدروکربنی که تبخیر می شود، بنزین نام دارد. در این فرآیند، سوخت هایی که کمترین قابلیت تبخیر را دارند، نفت سفید، سوخت دیزل و نفت سیاه هستند. ترکیب یک سوخت خاص، به منبع نفت خام مورد استفاده و پالایشگاه تهیه کننده ی آن سوخت بستگی دارد.

سوخت های هیدروکربنی مایع نیز ترکیبی از تعداد زیادی از هیدروکربن ها هستند. اما به خاطر راحتی، آنها را معمولاً با یک نام می شناسند. به عنوان مثال بنزین با نام اکتان و سوخت دیزلی با نام دودکان شناخته می شود. سوخت هیدروکربنی مایع مهم دیگر، متیل الکل است که با نام متانول شناخته می شود.

گاز طبیعی که سوخت گازی هیدروکربنی است، ترکیبی از متان و مقدار کمی از گازهای دیگر مثل اتان، پروپان، هیدروژن، هلیم، دی اکسید کربن، نیتروژن، سولفات هیدروژن و بخار آب است که اغلب به نام متان شناخته می شود.  در وسایل نقلیه، این گاز تحت فشار 50 تا 250 اتمسفر ذخیره شده  که CNG(compressed natural gas) نامیده شده و یا در دمای 162- درجه سلسیوس ذخیره شده که LNG(liquidified natural gas) نامیده می شود. یکی دیگر از فرآورده های پالایش نفت خام، LPG(liquidify petroleum gas) نام دارد که تشکیل شده از پروپان، بوتان، پروپیلن و بوتیلن است، اما قسمت عمده ی آن پروپان می باشد.  اتانول از ذرت، دانه ها و زباله­های ارگانیک به دست می آید. متانول به طور عمده از گاز طبیعی تشکیل می شود، اما از زغال سنگ نیز قابل استحصال است. در جدول زیر میزان محتوی انرژی برخی سوخت های رایج و مقایسه ی آنها با 1 لیتر گازوئیل، ملاحظه می شود.

لیتر گازوئیل معادل 1 لیتر گازوئیل/ لیتر	محتویات انرژی KJ/L	سوخت
1	31850	گازوئیل
0.96	33170	سوخت دیزلی سبک
089	35800	LPG
1.36	23410	اتانول
1.08	29420	اتانول
1.758	18210	متانول
3.94	8080	CNG
1.55	20490	LNG

 

نمونه های احتراق

 

ظرفیت حرارتی سوخت

در طول یک واکنش شیمیایی، بعضی از پیوندهای شیمیایی که اتم ها را در کنار یکدیگر نگاه می دارند، شکسته شده و ترکیبات جدیدی تشکیل می شوند. انرژی شیمیایی متناظر با این پیوندها،در واکنش دهنده ها و محصولات واکنش متفاوتند. لذا فرآیندی که با تغییر در ساختار شیمیایی همراه است، تغییر در انرژی شیمیایی را نیز به همراه دارد. برای تعیین انرژی حاصل از فرآیند احتراق، فرض می شود که هیچ تغییری در انرژی جنبشی و پتانسیل سیستم روی نداده و تغییرات، تنها منحصر به حالت و ترکیب شیمیایی سیستم می باشند. برای به دست آوردن انرژی حاصل از یک واکنش شیمیایی، احتیاج به یک نقطه ی مبنا داریم که انرژی ثانویه ی سیستم را نسبت به آن بسنجیم. این نقطه را در دمای 25 درجه ی سلسیوس و فشار 1 اتمسفر در نظر گرفته و آن را حالت استاندارد مرجع می نامند. در روابط، انرژی سیستم در این نقطه را، با اندیس 0 نشان می دهند. اگر فرض شود واکنش دهنده ها در دمای 25 درجه ی سلسیوس و فشار 1 اتمسفر وارد شده و محصولات نیز در همین شرایط از محفظه خارج شود، تغییر انرژی شیمیایی اتفاق افتاده بین واکنش دهنده ها و محصولات را آنتالپی احتراق می گویند.

Hc=H(products)-H(reactants)

ظرفیت حرارتی یک سوخت (heating value)، مقدار حرارت آزاد شده در طول احتراق مقدار مشخصی از آن سوخت است، در صورتی که فرآورده های احتراق نیز در همان حالت واکنش دهنده ها خارج شوند. ارزش حرارتی هر ماده، یکی از مشخصه های آن ماده است که با واحد انرژی به ازای هر واحد از آن (معمولاً جرم)، اندازه گیری می شود (مثل kj/kg). ظرفیت حرارتی به فاز آب موجود در محصولات بستگی دارد. اگر آب موجود در محصولات مایع باشد، به ظرفیت حرارتی بیان شده HHV(higher heat value) می گویند و اگر این آب به صورت بخار باشد، به ارزش حرارتی سوخت LHV(lower heating value) می گویند. اندازه گیری ارزش حرارتی سوخت ها توسط کالری متر انجام می شود که در آن محصولات احتراق پس از احتراق، تا دمای معمولی و شرایط اتمسفریک سرد می شوند. بخار آب ایجاد شده در محصولات احتراق نیز، کندانس شده و کل حرارت بدست آمده اندازه گیری می شود. در طی این فرآیند حرارت نهان تبخیر نیز در نظر گرفته می شود . نتایج ارزش حرارتی بدست آمده از این قبیل تست ها به عنوان ارزش حرارتی ناخالص (Gross Heating Value)  محسوب می گردد.لذا مقدار ارزش حرارتی خالص یا (Net Heating Value) با کسر مقدار حرارت نهان  آب بدست می آید .

سوخت	HHV MJ/Kg	HHV BTU/lb	HHV KJ/mol	LHV MJ/Kg
هیدروژن	141.8	61000	286	121
متان	55.5	23900	889	50
اتان	51.9	22400	1560	47.8
پروپان	50.35	21700	2220	46.35
بوتان	49.5	20900	2877	45.75

منابع و پیوند ها:

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهش شرکت پاکمن

صفحه مهندسی مکانیک