Сгорание ацетилена: Ацетилен: формула, получение, горение и применение

alexxlab | 28.11.2022 | 0 | Разное

Ацетилен: формула, получение, горение и применение

Ацетилен
химическое соединение углерода и водорода. Ацетилен легче воздуха, 1 м3 при 20°С и 760 мм рт. ст. имеет массу 1,091 кг/м3. Плотность по отношению к воздуху 0,9. Критическая температура 35,9°С и критическое давление 61,6 кгс/см2. При сгорании с кислородом он дает пламя с наиболее высокой температурой, которая достигает 3200°С, что объясняется его эндотермичностью (другие углеводороды экзотермичны, т. е. при распаде поглощают тепло). Химическая формула – C2H2, структурная формула Н-С=С-Н.

Содержание

  1. История получения
  2. Получение
  3. Применение
  4. Горение
  5. Хранение и транспортировка
  6. Физические свойства
    1. Коэффициенты перевода объема и массы С2Н2 при Т=15°С и Р=0,1 МПа
    2. Коэффициенты перевода объема и массы С2Н2 при Т=0°С и Р=0,1 МПа
    3. Газ в баллоне

При нормальном давлении и температуре от -82,4°С (190,6 К) до -84,0°С (189 К) переходит в жидкое состояние, а при температуре -85°С (188 К) затвердевает, образуя кристаллы плотностью 0,76 кг/м3. Жидкий и твердый ацетилен легко взрывается от трения, механического или гидравлического удара и действия детонатора. Технический ацетилен при нормальных давлении и температуре представляет собой бесцветный газ с резким специфическим чесночным запахом из-за содержащихся в нем примесей в виде сернистого водорода, аммиака, фосфористого водорода и др.

История получения ацетилена

В 1836 г. в Бристоле на заседании Британской ассоциации Эдмунд Дэви (Edmund Davy), профессор химии Дублинского Королевского общества и двоюродный брат Гемфри Дэви (Humphry Davy), сообщил:

… При попытке получить калий, сильно нагревая смесь прокаленного винного камня с древесным углем в большом железном сосуде, я получил черное вещество, которое легко разлагалось водой и образовывало газ, оказавшийся новым соединением углерода и водорода. Этот газ горит на воздухе ярким пламенем, более густым и светящимся даже сильнее, чем пламя маслородного газа (этилена). Если подача воздуха ограничена, горение сопровождается обильным отложением сажи. В контакте с хлором газ мгновенно взрывается, причем взрыв сопровождается большим красным пламенем и значительными отложениями сажи… Дистиллированная вода поглощает около одного объема нового газа, однако при нагревании раствора газ выделяется, по-видимому, не изменяясь… Для полного сгорания нового газа необходимо 2,5 объема кислорода. При этом образуются два объема углекислого газа и вода, которые являются единственными продуктами горения… Газ содержит столько же углерода, что и маслородный газ, но вдвое меньше водорода… Он удивительно подойдет для целей искусственного освещения, если только его удастся дешево получать.

Дэви получил карбид калия К2С2 и обработал его водой.

В статье о получении карбида кальция мы писали о том, что его «двууглеродистый водород» впервые был назван ацетиленом французским химиком Пьером Эженом Марселеном Бертло (Marcellin Berthelot) в 1860 г. Только через 60 лет после открытия Дэви предсказанное им использование ацетилена для освещения явилось первым толчком для его промышленного получения.

Получение ацетилена

Получение ацетилена производится двумя основными способами:

  • в результате реакции карбида кальция и воды
  • из метана путем сжигания в смеси с кислородом в специальных реакторах при температуре 1300-1500°C

А вот какой способ сейчас более распространён можно узнать из статьи о получении ацетилена.  

Применение ацетилена

Применение ацетилена при газовой сварке обусловлено тем, что у него самая большая температуры горения. Но он также нашел свое применение в химической отрасли для получения пластмасс, синтетического каучука, уксусной кислоты и растворителей. Более подробный ответ по данному вопросу можно найти в статье о применении ацетилена.

Горение ацетилена

Горение ацетилена происходит по реакции: С

2 + 2,5O2=2СO2 + Н2O + Q1

Для полного сгорания 1 м3 ацетилена по вышеуказанной реакции теоретически требуется 2,5 м3 кислорода или = 11,905 м3 воздуха. При этом 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 QВ = 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 QH = 13500 ккал/м3 (55890 кДж/м3).

Практически для горения в горелках при восстановительном пламени в горелку подается не 2,5 м3 кислорода на 1 м

3 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/кгС2H2. 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.

Следовательно, температура пламени изменяется в зависимости от состава смеси.

При содержании 27% С2Н2 достигается максимальная скорость воспламенения ацетилено-кислородной смеси, которая равна 13,5 м/сек.

Следовательно, в зависимости от состава смеси также изменяется и скорость воспламенения.

Данные зависимостей скорости воспламенения и температуры пламени и от содержания в ней ацетилена представлены ниже в таблице.

Содержание С2Н2 в смеси в объемных процентах121520252730323540455055
Максимальная температура горения ацетилена, °С29202940296029702990301030603140320030702840
Скорость воспламенения смеси, м/сек8,010,011,813,313,513,112,511,3
9,3
7,86,7

Необходимо понимать, что полное сгорание ацетилено-воздушной смеси достигается при наличии в ней не более 1?100/(1+11,905)=7,75% ацетилена (так называемая стехиометрическая смесь). При этом продуктами реакции являются только углекислый газ (СО2) и вода (H2О). При содержании ацетилена более 17,37% в виде сажи выделяется свободный углерод.

С увеличение процентного содержание ацетила выделение сажи также возрастает (коптящее пламя), а при 81% С2Н2 – процесс горения прекращается или не возникает.

Хранение и транспортировка ацетилена

Ацетилен выпускают по ГОСТ 5457 растворенным и газообразным. Хранят и транспортируют его в растворенном состоянии в специальных стальных баллонах по ГОСТ 949, заполненных пористой, пропитанной ацетоном массой. Ацетилен, растворенный в ацетоне не склонен к взрывчатому распаду.

Баллоны окрашены в серый цвет и надписью красными буквами «АЦЕТИЛЕН» на верхней цилиндрической части.

Максимальное давление ацетилена при заполнении баллона составляет 2,5 МПа (25 кгс/см2), при отстое и охлаждении баллона до 20°С оно снижается до 1,9 МПа (19 кгс/см2). При этом давлении в 40-литровый баллон вмещается 5-5,8 кг С2Н2 по массе (4,6-5,3 м3 газа при 20°С и 760 мм рт. ст.).

Давление ацетилена в полностью наполненном баллоне изменяется при изменении температуры следующим образом:

Температура, °С-5051015203040
Давление, МПа1,3
1,4
141,71,8122,43,0

Другие требования техники безопасности можно узнать из статьи о классе опасности и мерах безопасности при работе с ацетиленом

Физические свойства ацетилена

Физические свойства ацетилена представлены в таблицах ниже.

Коэффициенты перевода объема и массы С

2Н2 при Т=15°С и Р=0,1 МПа
Масса, кгОбъем газа, м3
1,1091
10,909

Коэффициенты перевода объема и массы С

2Н2 при Т=0°С и Р=0,1 МПа
Масса, кгОбъем газа, м3
1,1761
10,850

Ацетилен в баллоне

НаименованиеОбъем баллона, лМасса газа в баллоне, кгОбъем газа (м3) при Т=15°С, Р=0,1 МПа
С2Н24054,545

Благодаря информации в таблице можно дать ответы на часто задаваемые вопросы:

  • Сколько ацетилена в одном баллоне?
    Ответ: в 40 л баллоне 5 кг или 4,545 м3 ацетилена
  • Сколько весит баллон ацетилена?
    Ответ:
    58,5 кг – масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
    18-20 кг – масса пористого материала, пропитанного ацетоном;
    5,0 – кг масса С2Н2 в баллоне;
    Итого: 58,5 + 20,0 + 5,0= 83,5 кг вес баллона с ацетиленом.
  • Сколько м3 ацетилена в баллоне
    Ответ: 4,545 м3

Горение – ацетилен – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Cтраница 2

Развивающейся при горении ацетилена в смеси с кислородом высокой температурой ( 3000СС) пользуются для автогенной сварки и резки металлов На воздухе ацетилен горит белым пламенем, сильно коптящим вследствие неполного сгорания углерода.  [16]

Развивающейся при горении ацетилена в смеси с кислородом высокой температурой ( около 3000 С) пользуются для автогенной сварки и резки металлов. На воздухе ацетилен горит белым пламенем, сильно коптящим вследствие неполного сгорания углерода.  [17]

Рассчитайте тепловой эффект горения ацетилена, если известно, что теплота образования ацетилена из элементов составляет – 58 ккал / моль, а теплоты образования воды и двуокиси углерода соответственно равны 68 3 и 94 3 ккал / моль.  [18]

Схема расположения труб-вставок в ацетиленопроводе.  [19]

Чтобы предотвратить распространение горения ацетилена с образованием взрыва, на трубопроводах и коллекторе ацетилена устанавливают предохранительные скрубберы с насадкой из металлических колец Рашига. Линии входа ацетилена в скрубберы и линии выхода из них снабжены предохранительными устройствами.  [20]

В чем заключаются особенности горения ацетилена.  [21]

Схема строения нормального аце-тилено-кислородного пламени и график распределения температуры по его длине Н20пар, 02, N2 обладают.  [22]

Находящиеся в восстановительной зоне продукты горения ацетилена, окись углерода и водород нагревают и расплавляют металл; они могут также восстанавливать окислы, в том числе образующиеся при сварке окислы железа.  [23]

Строение ацети-лено-кислородного пламени и график распределения температуры по его длине.  [24]

Находящиеся в восстановительной зоне продукты горения ацетилена СО и Н2 нагревают и расплавляют металл; они также могут восстанавливать окислы, в том числе образующиеся при сварке окислы железа.  [25]

Вышеприведенные реакции показывают различие в горении ацетилена и метана. При использовании природного газа для сварочного процесса первую зону, связанную с распадом метана, нельзя использовать для сварки, так как в этой зоне температура невысокая, из-за поглощения тепла. Наиболее важными в газосварочном процессе являются следующие свойства метанокисло-родного пламени: строение и форма пламени; химический состав пламени; химические свойства его; температура пламени; удельная мощность и термохимический коэффициент пламени. В зависимости от состава горючей смеси, подаваемой в горелку, определяется строение и форма пламени.  [26]

Относительная интенсивность полос Сг и СН в разреженном кислородном пламени ацетилена СгН2 при различных составах смеси С2Нг и Оз ( по данным Авраменко.  [27]

Добавим, что произведенный Л. И. Авраменко анализ продуктов горения ацетилена показывает полное его превращение в воду и углекислый газ в бедных ацетилено-кислородных смесях вплоть до смеси стехиометрического состава и наличие продуктов неполного сгорания ацетилена в богатых смесях. Большая интенсивность зеленых полос Сг при горении богатых смесей была установлена и в других пламенах.  [28]

Поэтому значительная часть энергии, освобождающаяся при горении ацетилена, идет не на нагревание газов, а на диссоциацию Н2, в результате чего температура пламени оказывается много ниже температуры цианового пламени.  [29]

Кислород используют при сварке и резке для поддержания горения ацетилена. Баллон содержит 6 м3 кислорода под давлением 150 кгс / с.  [30]

Страницы:      1    2    3    4

Видео с вопросами

: расчет молей реагента, израсходованного в реакции, с учетом молей второго реагента

Ацетилен (C₂H₂) используется в сварочных горелках. Горение ацетилена описывается сбалансированным химическим уравнением 2C₂H₂(г) + 5O₂(г) ⟶ 4CO₂(г) + 2H₂O(г). Если сгорело 8,5 моля ацетилена, сколько молей газообразного кислорода должно было израсходоваться в ходе полной реакции? Дайте ответ с точностью до 2 знаков после запятой.

Стенограмма видео

Ацетилен, C2h3, используется в сварочных горелках. Горение ацетилена описывается сбалансированным химическим уравнением. Газ 2C2h3 плюс газ 5O2 реагируют с образованием газа 4CO2 плюс газ 2h3O. Если сгорело 8,5 моля ацетилена, сколько молей газообразного кислорода должно было израсходоваться в ходе полной реакции? Дайте ответ с точностью до двух знаков после запятой.

Давайте начнем с изучения представленного сбалансированного химического уравнения. Нам говорят, что уравнение представляет собой реакцию горения, то есть реакцию с газообразным кислородом, производящую энергию в виде тепла и света. В этой реакции участвуют два реагента: топливный ацетилен или C2h3 и газообразный кислород или O2. Во время реакции горения ацетилен сгорает в кислороде с образованием двух разных продуктов. Одним продуктом является углекислый газ, а другим продуктом является водяной пар.

Во время любой реакции реагентами являются вещества, которые потребляются или расходуются. И продукты – это новые виды, образованные. Мы знаем, что в ходе реакции израсходуется 8,5 моль исходного ацетилена. Однако нам не дано количество каких-либо других частиц в этой реакции. Нас просят определить, сколько молей газообразного кислорода израсходуется при реакции 8,5 молей ацетилена. Чтобы помочь нам решить эту проблему, нам нужно определить связь между ацетиленом и кислородом в представленном сбалансированном уравнении.

В данном химическом уравнении перед каждым веществом, участвующим в реакции, используются стехиометрические коэффициенты. Стехиометрический коэффициент говорит о количестве молей каждого вида в полной реакции. В этом вопросе нас больше всего интересуют коэффициенты перед C2h3 и O2. Коэффициент два перед C2h3 указывает на то, что имеется два моля ацетилена, а коэффициент пять перед O2 указывает на наличие пяти молей газообразного кислорода. Это означает, что для полной реакции с двумя молями C2h3 необходимо пять молей O2.

Когда мы записываем количество в молях двух веществ в сбалансированном уравнении как отношение, оно называется молярным отношением. Теперь нам нужно использовать молярное соотношение, чтобы определить, сколько молей O2 потребуется для реакции с 8,5 молями C2h3. Мы можем использовать размерный анализ для завершения расчета. Наш план состоит в том, чтобы умножить заданное количество молей C2h3 из задачи, которое составляет 8,5 молей, на дробную форму молярного отношения. В дробной форме молярного отношения мы хотим поместить желаемые единицы в числитель и нежелательные единицы в знаменатель.

Мы хотим получить в ответ единицы молей O2. Итак, нам нужно положить пять молей O2 в числитель и два моля C2h3 в знаменатель. Чтобы выполнить расчет, нам нужно умножить 8,5 на пять и разделить произведение на два. Это дает нам ответ 21,25 моль O2. Нежелательные единицы молей C2h3 были исключены. Единицы молей О2 мы не вычеркивали. Это были искомые единицы нашего ответа. Наконец, нас попросили дать наш ответ с точностью до двух знаков после запятой. Вычисленный ответ уже дан с точностью до двух знаков после запятой, поэтому округление не требуется. Для сжигания 8,5 молей газообразного ацетилена требуется 21,25 моль газообразного кислорода.

Адиабатическое горение ацетилена. Вычислительная термодинамика

Газ ацетилен (C\(_2\)H\(_2\)) сжигается со 110% теоретического воздуха в горелке при атмосферном давлении; и ацетилен, и воздух подаются при 25°C. Факел адиабатический, продукты выходят при высокой температуре и атмосферном давлении.

При высоких температурах азот может диссоциировать, и образовавшийся радикал азота может реагировать с кислородом с образованием оксидов азота (NO и NO\(_2\)).

Кроме того, ацетилен может быть преобразован в C\(_2\)H\(_4\) или CH\(_4\).

Таким образом, в равновесии могут присутствовать следующие газы: C\(_2\)H\(_2\), C\(_2\)H\(_4\), CH\(_4\), CO, CO\ (_2\), H\(_2\) H\(_2\)O, O\(_2\), N\(_2\), NO и NO\(_2\).

Проблема:

  • Найти температуру и состав продуктов, считая, что реакция идет до конца.

  • Найдите температуру и состав продуктов, считая, что реакция(и) протекают до состояния равновесия.

  • Сравните адиабатические температуры пламени, рассчитанные с использованием полного сгорания и химического равновесия, для диапазона теоретических значений воздуха от 0,75 до 2,0.

 импортировать numpy как np
импортировать кантеру как ct
из scipy. optimize импортировать корень, root_scalar
из пинты импортировать UnitRegistry
ureg = UnitRegistry ()
Q_ = урег.Количество
# для удобства:
защита to_si (квант):
    '''Преобразует количество пинты в величину в базовых единицах СИ.
    '''
    вернуть quant.to_base_units().величину
 
 импортировать matplotlib.pyplot как plt
%matplotlib встроенный
# это в основном для того, чтобы сделать сохраненные фигуры более красивыми
импортировать matplotlib_inline.backend_inline
matplotlib_inline.backend_inline.set_matplotlib_formats('pdf', 'png')
plt.rcParams['figure.dpi']= 300
plt.rcParams['savefig.dpi'] = 300
 
 # заданные данные
Temperature_initial = Q_(25, 'градусы').to('К')
давление = Q_(1, 'атм')
теоретический_воздух = 1,1
 

Продукты полного сгорания

Для определения состава и температуры продуктов, предполагая, что горение ацетилена протекает до конца, необходимо:

  1. Определение стехиометрических коэффициентов продуктов для стехиометрической, богатой (избыток топлива) и обедненной (избыток воздуха) смесей; это даст состав продуктов исходя из исходного состава.

  2. Выполните баланс энергии в системе, который мы можем использовать для определения неизвестной конечной температуры.

Стехиометрическая реакция ацетилена в воздухе при полном сгорании:

\[ \text{C}_2 \text{H}_2 + a_s \left( 0,21 \text{O}_2 + 0,79\text{N}_2 \right) \leftrightarrow b_s \text{CO}_2 + c_s \text{H}_2 \text{O} + d_s \text{N}_2 \]

 по определению get_stich_coeffs(x):
    """Рассчитать коэффициенты для стехиометрической реакции"""
    а_с, б_с, с_с, д_с = х
    возвращаться [
        2 - b_s, # углеродный баланс
        2 - 2 * c_s, # водородный баланс
        2*0,21*а_с - (2*б_с+к_с), #кислородный баланс
        2*0,79*а_с - 2*д_с,#азотистый баланс
    ]
 
 соль = корень (get_stoich_coeffs, [1, 1, 1, 1])
coeffs_stoich = раствор.x
 

При различном количестве воздуха полная реакция сгорания составляет

\[ \text{C}_2 \text{H}_2 + a \left( 0,21 \text{O}_2 + 0,79 \text{N}_2 \right) \leftrightarrow b \text{CO}_2 + c \text{H }_2 \text{O} + d \text{N}_2 + e \text{O}_2 + f \text{C}_2 \text{H}_2 \]

Когда теоретический воздух < 1 (т. е. смесь богатая), то в продуктах будет остаточное топливо, но не будет кислорода; когда теоретический воздух > 1 (т. е. смесь бедная), то в продуктах будет остаточный кислород, но не будет топлива. Если теоретический воздух = 1, то в продуктах не будет остатков кислорода или топлива.

Мы можем разработать функцию для расчета коэффициентов полного сгорания в любом из этих случаев:

 по определению get_coeffs(x, теоретическое_воздух, коэффс_стоич_воздух):
    """Рассчитать коэффициенты полного сгорания"""
    а, б, в, г, д, е = х
    
    уравнения = [
        a - теоретический_воздух * coeffs_stich_air, # теоретический воздух
        2 - (b+2*f), # углерод
        2 - (2*c+2*f), # водород
        0,79 * 2 * а - 2 * д, # азот
    ]
    
    # Если смесь богатая, кислорода не осталось.
    # Если бедная смесь, топлива не осталось.
    # При балансировке не осталось ни кислорода, ни топлива.
    если теоретическое_воздух < 1,0:
        уравнения += [
            0,21 * 2 * а - (2 * б + с + 2 * д), # кислород
            е,
        ]
    Элиф теоретический_воздух > 1. 0:
        уравнения += [
            0,21 * 2 * а - (2 * б + с + 2 * д), # кислород
            ф,
        ]
    еще:
        уравнения += [
            ф,
            е,
        ]
    
    обратные уравнения
 
 # рассчитать коэффициенты для этого конкретного случая
coeffs_stoich_air = coeffs_stoich[0]
соль = корень (
    get_coeffs,
    [1, 1, 1, 1, 1, 0],
    args=(theoretical_air, coeffs_stoich_air)
    )
коэфф = р.х
# состав: коэффициенты воздуха, CO2, h3O, N2, O2, C2h3
 
 # Получить все объекты Species, определенные в механизме GRI 3.0
видов = {S.name: S вместо S в ct.Species.list_from_file('gri30.yaml')}
# Создайте объект IdealGas с видами, представляющими полное сгорание
complete_species = ['C2h3', 'O2', 'N2', 'CO2', 'h3O']
газ = кт. Решение (
    термо='ИдеалГаз',
    виды = [виды [S] для S в complete_species]
    )
 
 по определению get_temperature_complete (температура, температура_начальная,
                             давление, коэфф, газ
                             ):
    """Рассчитать адиабатическую температуру пламени для полного сгорания"""
    # реагенты
    газ. TPX = to_si(температура_начальная), to_si(давление), 'C2h3:1.0'
    enthalpy_c2h3 = газ.энтальпия_моль
    
    # изменить только состав
    gas.TPX = Нет, Нет, 'O2:1.0'
    энтальпия_о2 = газ.энтальпия_моль
    газ.TPX = Нет, Нет, 'N2:1.0'
    энтальпия_n2 = газ.энтальпия_моль
    
    энтальпия_реагентов = (
        энтальпия_c2h3 +
        coeffs[0] * (0,21 * энтальпия_o2 + 0,79* энтальпия_n2)
    )
    
    # товары
    gas.TPX = температура, to_si(давление), 'C2h3:1.0'
    enthalpy_c2h3 = газ.энтальпия_моль
    gas.TPX = Нет, Нет, 'O2:1.0'
    энтальпия_о2 = газ.энтальпия_моль
    газ.TPX = Нет, Нет, 'N2:1.0'
    энтальпия_n2 = газ.энтальпия_моль
    
    gas.TPX = Нет, Нет, 'CO2:1.0'
    enthalpy_co2 = газ.энтальпия_моль
    
    gas.TPX = Нет, Нет, 'h3O:1.0'
    энтальпия_h3o = газ.энтальпия_моль
    
    энтальпия_продукты = (
        коэфф[1] * энтальпия_co2 + коэфф[2] * энтальпия_h3o +
        коэфф[3] * энтальпия_n2 + коэфф[4] * энтальпия_o2 +
        коэфф[5] * энтальпия_c2h3
        )
    
    возвращаемые энтальпийные_реагенты - энтальпийные_продукты
 
 соль = root_scalar(
    получить_температура_полная,
    х0=2000, х1=3000,
    args=(температура_начальная, давление, коэфф, газ)
    )
print(f'Температура (полное сгорание): {sol. root: .1f} K')
моли_продукты = (
    коэффициенты[1] + коэффициенты[2] +коэффициенты[3] +коэффициенты[4] +коэффициенты[5]
    )
мольные_фракции = коэффициенты[1:] / мольные_продукты
print('Молярные доли в продуктах:')
print(f'CO2: {моль_фракций[0]: .3f}')
print(f'h3O: {моль_фракций[1]: .3f}')
print(f'N2: {моль_фракций[2]: .3f}')
print(f'O2: {моль_фракций[3]: .3f}')
print(f'C2h3: {моль_фракций[4]: .3f}')
 
 Температура (полное сгорание): 2720,2 К
Мольные доли в продуктах:
СО2: 0,147
Н3О: 0,074
N2: 0,761
О2: 0,018
С2х3: 0,000
 
 # Рассчитать конечную температуру для теоретического диапазона воздуха
теоретическое_airs_complete = np.linspace (0,75, 2,0, 51)
Temperatures_complete = np.zeros (len (theoretical_airs_complete))
для idx, theory_air в enumerate(theoretical_airs_complete):
    # получить коэффициенты вида
    соль = корень (get_coeffs,
               [1, 1, 1, 1, 1, 0],
               args=(theoretical_air, coeffs_stoich_air)
                )
    коэфф = р.х
    
    # получить температуру
    соль = root_scalar(
        получить_температура_полная,
        х0=2000, х1=3000,
        args=(температура_начальная, давление, коэфф, газ)
        )
    
    Temperatures_complete[idx] = sol. root
 

Равновесные продукты

Теперь нам нужно рассмотреть все возможные газы, которые могут присутствовать в продуктах, когда смесь достигнет химического равновесия.

Чтобы найти количество каждого газа и температуру, нам нужно использовать метод неопределенных множителей Лагранжа.

 # виды, которые могут присутствовать в продуктах в состоянии равновесия
список_видов = [
    «C2h3», «O2», «N2», «h3O», «CO2»,
    «Ch5», «C2h5», «CO», «h3», «NO», «NO2»,
    ]
# Получить все объекты Species, определенные в механизме GRI 3.0
видов = {S.name: S вместо S в ct.Species.list_from_file('gri30.yaml')}
# Создайте объект IdealGas со всеми задействованными видами
газ = кт. Решение (
    термо='ИдеалГаз',
    виды = [виды [S] для S в списке видов]
    )
# Элементарный состав компонентов
elemental_comp = np.array([
    [2, 0, 0, 2, 0, 4, 4, 0, 2, 0, 0], # водород
    [0, 2, 0, 1, 2, 0, 0, 1, 0, 1, 2], # кислород
    [0, 0, 2, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1], # азот
    [2, 0, 0, 0, 1, 1, 2, 1, 0, 0, 0], # углерод
    ])
теоретический_воздух = 1,1
moles_initial = np. zeros (len (species_list))
моли_инициал [0] = 1,0
моль_начальный[1] = коэффициент_стоич_воздуха * теоретический_воздух * 0,21
моль_начальный[2] = коэффициент_стоич_воздуха * теоретический_воздух * 0,79
 по умолчанию lagrange_system(x, Temperature_initial, давление, компоненты, газ,
                    elemental_comp, кроты_initial
                    ):
    '''Система уравнений для координаты реакции и равновесного состава.
    '''
    num_components = длина (компоненты)
    
    моли = x[0 : число_компонентов]
    множители = x[число_компонентов: -1]
    температура = х[-1]
    
    mole_fractions = моли / np.sum (моли)
    
    # получить стандартную свободную энергию Гиббса и энтальпию каждого компонента
    гиббс = np.zeros (длина (компоненты))
    enhalpies_final = np.zeros (длина (компоненты))
    enhalpies_initial = np.zeros (len (компоненты))
    для idx, comp in enumerate(components):
        газ.TPX = (
            температура, ct.one_atm,
            f'{комп.}:1.0'
            )
        gibbs[idx] = газ. gibbs_mol
        конечная_энтальпия[idx] = газ.энтальпия_моль
        
        газ.TPX = (
            to_si(температура_начальная), ct.one_atm,
            f'{комп.}:1.0'
            )
        enhalpies_initial[idx] = gas.enthalpy_mol
    
    # Расчет химических потенциалов при текущем давлении и температуре
    gas_constant = ct.gas_constant
    химические_потенциалы = (
        gibbs + gas_constant * температура * np.log(
            мольные_фракции * to_si(давление) / ct.one_atm
            )
        )
    
    # молярное количество каждого элемента
    # базовые единицы СИ в молях, а не в кмоль, после преобразования
    initial_moles_elements = np.dot (elemental_comp, moles_initial)
    moles_elements = np.dot(elemental_comp, кроты)
    
    enthalpy_initial = np.dot (moles_initial, enthalpies_initial)
    enthalpy_final = np.dot (моль, энтальпия_final)
    
    # Мы можем воспользоваться поэлементными операциями с этими массивами,
    # и кратко оценить все уравнения
    element_equations = кроты_элементы - начальные_кроты_элементы
    multiplier_equations = (
        химические_потенциалы +
        np. dot (множители, elemental_comp)
        )
    
    # Возвращаем набор объединенных уравнений
    #
    # Уравнения для множителей и энтальпии масштабируются
    # чтобы соответствовать порядку величины молей
    вернуть np.concatenate((
        element_equations, multiplier_equations/1e8,
        [(энтальпия_конечная - энтальпия_начальная) / 1e8]
        ))
 
 # начальные догадки
x0 = [0,5] * len(species_list) + [1e8, 1e8, 1e8, 1e8, 2500]
соль = корень (
    lagrange_system, x0, метод = 'lm',
    args=(температура_начальная, давление, список видов, газ,
          elemental_comp, кроты_initial
          ),
    параметры = {'maxiter': 5000},
    )
    
Temperature_final = Q_(sol.x[-1], 'K')
print(f'Температура (равновесие): {temperature_final: .2f}')
моли = sol.x[0 : len(species_list)]
мольные_фракции = моли / сумма (моли)
print('Молярные доли в продуктах:')
для sp, val в zip(species_list, mole_fractions):
    печать (f'{sp}: {val: .3f}')
 
 /tmp/ipykernel_4436/570880187. py:35: RuntimeWarning: в журнале обнаружено недопустимое значение
  gibbs + gas_constant * температура * np.log(
 
 Температура (равновесная): 2507,34 кельвина
Мольные доли в продуктах:
С2х3: 0,000
О2: 0,029
N2: 0,746
Н3О: 0,070
СО2: 0,118
Ч5: 0,000
С2х5: 0,000
СО: 0,027
ч3: 0,003
НЕТ: 0,008
NO2: 0,000
 

Сравнивая с результатами, полученными при полном сгорании, мы видим, что температура ниже, и мы имеем заметное количество CO в продуктах, а также некоторое количество H\(_2\) и NO.

Температура ниже температуры полного сгорания в основном из-за наличия в продуктах СО; Окисление CO в CO\(_2\) ответственно за большую часть выделения тепла при сгорании.

 # расчет диапазона теоретического воздуха
теоретическое_воздух = np.linspace (0,75, 2,0, 21)
температуры = np.zeros(len(theoretical_airs))
для idx, theory_air в enumerate(theoretical_airs):
    moles_initial = np.zeros (len (species_list))
    моли_инициал [0] = 1,0
    моль_начальный[1] = коэффициент_стоич_воздуха * теоретический_воздух * 0,21
    моль_начальный[2] = коэффициент_стоич_воздуха * теоретический_воздух * 0,79x0 = [0,5] * len(species_list) + [1e8, 1e8, 1e8, 1e8, 2500]
    соль = корень (
        lagrange_system, x0, метод = 'lm',
        args=(температура_начальная, давление, список видов, газ,
              elemental_comp, кроты_initial
              ),
        параметры = {'maxiter': 5000},
        )
    
    температуры[idx] = раствор. x[-1]
 
 /tmp/ipykernel_4436/570880187.py:35: RuntimeWarning: в журнале обнаружено недопустимое значение
  gibbs + gas_constant * температура * np.log(
 

Мы также можем использовать решатель равновесия Кантеры, чтобы найти конечную температуру; это должно дать очень похожие значения, найденные с помощью метода Лагранжа.

 theory_airs_ct = np.linspace(0,75, 2,0, 11)
Temperatures_cantera = np.zeros(len(theoretical_airs_ct))
для idx, theory_air в enumerate(theoretical_airs_ct):
 moles_initial = np.zeros (len (species_list))
 моль_начальный[1] = коэффициент_стоич_воздуха * теоретический_воздух * 0,21
 моль_начальный[2] = коэффициент_стоич_воздуха * теоретический_воздух * 0,79 
 газ.TPX = (
 to_si (начальная температура), to_si (давление),
 'С2h3: 1.0,'
 f'O2: {коэффициент_стоич_воздуха * теоретический_воздух * 0,21: .3f}, '
 f'N2: {коэффициент_стоич_воздуха * теоретический_воздух * 0,79: .3f}'
 )
 gas.equilibrate('HP')
 Temperatures_cantera[idx] = газ.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *