煤气燃烧反应的火焰温度

煤气燃烧反应的火焰温度

第25卷第3期

2003年5月泰山学院学报JOURNALOFTAISHANUNIVERSITYVol.25　NO.3

May1　

2003

煤气燃烧反应的火焰温度

高志崇

(泰山学院化学系,山东泰安　271021)

[摘　要]　计算了水煤气和焦炉气燃烧反应的火焰温度,进一步明确氢气和烃燃烧反应的机理.氢燃烧反

应的机理为:(1)O2+hv→2O ,(2)H2+O →H2O+hv;烃燃烧反应的机理为:(1)O2+hv→2O ,(2)CpH2q→pC+qH2,(3)H2+O →H2O+hv,(4)C+O →CO+hv,(5)2CO+O2→2CO2.

[关键词]　燃烧反应;温度;焓;波长

[中图分类号]　O643.21　　[文献标识码]　A　　　[文章编号]　1672-2590(2003)03-0071-04+

氢气和烃均属于可燃性物质,[1,2]的机理.煤气含有H2、CO和CH4机理有关..

1　波长之间的关系

.热是以无序形式传递的能量,功是以有序形式传递的能量.功有体积功W和非体积功W′两种.光是有序的能量,显然光是一种非体积功,也就是说燃烧过程中体系以光的形式对

[1,2]环境作非体积功,非体积功的大小也就是光子的能量(规定体系对环境作功为正值).

λ=0.1196nΠλ,式假设某燃烧反应发出nmol光子,那么体系作的非体积功W′为W′=nEm=nNhcΠ

中Em为每摩尔光子的能量(J mol-1),N为阿伏加德罗常数(6.022×1023mol-1),h为普朗克常数

(1)

(2)

(3)

(4)-348-1(6.626×10J s),c为光速(2.998×10m s),λ为波长(m).根据热力学第一定律ΔU=U2-U1=Q-W-W′燃烧反应通常是在恒压条件下进行的,因而W=P(V2-V1)由于燃烧反应可近似地看成绝热反应,因而Q=0(3)式代入(1)式得(U2+PV2)-(U1+PV1)=W′将(2)、,根据焓的定义H=U+PV.因而ΔH=H2-H2=-W′λ=-0.1196nΠ

由(4)式可以看出,燃烧反应的焓变即为体系对环境作的非体积功的负值.作者利用(4)式计算的氢

[2]气、一氧化碳及乙炔在氧气中燃烧反应的火焰温度与实际温度非常接近.本文将利用该公式计算水煤

气和焦炉气燃烧反应的火焰温度,进一步明确氢气和烃燃烧反应的机理.

2　氢气和烃燃烧反应机理

2.1　氢气燃烧反应机理

作者根据氢气燃烧反应的火焰温度,提出了氢气燃烧反应的机理.该机理为

　[收稿日期]2003—03—10

　[作者简介]高志崇(1966-),女,山东招远人,泰山学院化学系副教授.[1]:

煤气燃烧反应的火焰温度

(1)Δ2O ;(2)ΔH2+O →H2O+hv;总反应为　2H2+O2→2H2O+hv.由总反应可以看出,O2+hv→

每摩尔氢气燃烧发出0.5mol光子.

2.2　烃燃烧反应机理

[2]根据乙炔和丙烷燃烧反应的火焰温度,作者提出了烃燃烧反应的机理,该机理为:

(1)Δ2O ;(2)ΔCpH2q→pC+qH2;(3)ΔH2+O →H2O+hv;(4)ΔC+O →CO+hv;(5)O2+hv→

Δ2CO+O2→2CO2.由该机理可以看出,每摩尔甲烷燃烧发出1.5mol光子.

3　水煤气燃烧反应的火焰温度

水煤气是煤气的一种,是煤与水蒸气反应形成的,主要反应为C+H2O CO+H2.水煤气是合成氨的原料气,也可以用作燃料.工业生产水煤气的方法有多种,其中间歇式气化法应用最为广泛.下面以间歇式气化法生产的水煤气计算水煤气燃烧反应的火焰温度.

3.1　水煤气燃烧反应的反应焓ΔH与温度T之间的关系

以煤为原料通过间歇式气化法生产的水煤气的典型组成为31.97%CO、7.81%CO2、41.40%H2、17.77%N2、0.75%CH4和0.3%O2[3].现以100mol水煤气为基准,以21%O2、79%N2予以计算.100mol水煤气完全燃烧需要180.405mol空气(37.885molO2、142.520molN2),反应式为:

31.97CO+781CO2+41.40H2+17.77N2+0.75CH43O222→40.53CO2+42.90H2O(g)+160.29N2+21.825hv.31.97CO+41.40H2+0.75CH4+38.222O(g)+21.825hv.

由反应式可知,100825mol光子.为方便计算起见,现将某些物质的热附表　298.15K、101.325kPa下某些物质的热力学性质

物　质

O2

N2

H2O(g)

CO

CO2

CH4

H2Cp J mol-1 K-1m=a+bTΠab×103ΔfHo)ΠkJ mol-1m(298K00-241.827-101.525-393.514-74.8480———27.8730.00———4.2710.71———44.14———9.04————————————假设本文计算的所有气体均为理想气体,水煤气燃烧反应的火焰温度为TK,由于焓为状态函数,因而可设计途径如下

:　　　注:①本表数据来源于廖雨郊主编的《物理化学》.②为避免解三次方程,取Cp m=a+bT予以计算.

煤气燃烧反应的火焰温度

由途径可知:

ΔrHo)=32.72ΔfHoΔfHoΔfHoΔfHoO2)+42.90O)-0.75m(298Km(Cm(H2O,g)-31.97m(Cm(CH4)=

[32.72×(393.514)+42.90×(-241.827)-31.97×(-101.325)-0.75×

-1-1(-74.848)]kJ mol=-19948.266kJ mol.

ΔH1=∫[40.53C(CO)+42.90C(HO,g)+160.29C(N)]dT=

{∫[40.53×(28.66+35.702×10T)+42.90×(30.00+10.71×10T)+160.29×

(27.87+4.27×mol=[mol=10T)]dT}J ∫(6915.872+2.591T)dT]J 298p mT2p m2p m2T-3-3298-3-1T-1

298

3-1(1.295T2+6915.827T-22124.237×10)J mol.

3-1ΔH=ΔrHo)+ΔH1=(1.295T2+6915.827T-22124.237×10)J mol.m(298K

3.2　水煤气燃烧反应的火焰温度

水煤气在空气中燃烧反应火焰为蓝色,蓝色波长范围为450～500nm

计算.根据公式(4)得:

23

[5][4],现以波长λ=500nm予以1.295T+6915.872T-22124.237×10=-=1822K.9煤气的最高火焰温度为1773℃,2.76%,这进

4　,它是干馏烟煤的产物.这种煤气燃烧反应的火焰温度如何?下面予以分析.

4.1　焦炉气燃烧反应的反应焓ΔH与温度T之间的关系

[6]焦炉气的组成为60%H2、25%CH4、5%CO、2%CO2、4%N2和5%其他气体.现将其他气体并于N2

中,以100mol焦炉气为基准予以计算.100mol焦炉气完全燃烧需要392.86mol空气(82.5molO2,310.36molN2),燃烧反应的反应式为:

60H2+25CH4+5CO+2CO2+8N2+82.5O2+310.36N2→110H2O(g)+32CO2+318.36N2+67.5hv.实际发生的反应为

60H2+25CH4+5CO+82.5O2→110H2O(g)+30CO2+67.5hv.

由于焓为状态函数,可设计如下途径

:

煤气燃烧反应的火焰温度

由途径可知:

ΔrHo)=30ΔfHoΔfHoΔfHoΔfHoO2)+110O)=m(298Km(Cm(H2O,g)-25m(CH4)-5m(C

[30×(-393.514)+110×(-241.827)-25×(-74.848)-5×

-1-1(-110.525)]kJ mol=-35982.565kJ mol.

ΔH1=∫[30C(CO)+110C(HO,g)+318.36C(N)]dT=

{∫[30×(28.66+35.702×10T)+110×(30.00+10.71×10T)+318.36×

(27.87+4.27×mol=[mol=10T)]dT}J ∫(13089.813+3.680T)dT]J 298p mT2p m2p m2T-3-3298-3-1T-1

298

3-1(1.840T2+13089.813T-4064.164×10)J mol.

3-1ΔH=ΔrHo)+ΔH1=(1.840T2+13089.813T-40046.729×10)J mol.m(298K

4.2　焦炉气燃烧反应的火焰温度

焦炉气在空气中燃烧反应火焰为蓝色,现以波长λ=500nm予以计算.根据公式(4)得:

2391.840T+13089.813T-40046.729×10=-0.1196×67.5×10Π5001507K.

)5　小结

.,计算得到的水49K,误差仅有2.76%;而焦炉气的计算温度较低,为1507K..氢气燃烧反应的机理为:(1)O2+hv→2O ;(2)H2+O →H2O+hv;烃燃烧反的机理为:(1)O2+hv→2O ,(2)CpH2q→pC+qH2,(3)H2+O →H2O+hv,(4)C+O →CO+hv,(5)2CO+O2→2CO2.

[参考文献]

[1]高志崇.燃烧反应火焰温度的探讨[J].聊城师院学报(自然版),2001,14(1):57-60.

[2]高志崇.烃燃烧反应的机理[J].辽宁大学学报,2002,29(3):266-271.

[3]陈五平.无机化工工艺学(一)合成氨(第二版)[M].北京:化学工业出版社,1995.119.

[4]金世勋.物理化学[M].北京:高等教育出版社,1989.325.

[5]谷亨杰.有机化学实验(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1994.32.

[6]周颂高,刘芝生.化学(第四册)[M].上海:上海科学技术出版社,1983.74.]

Flametemperatureofgascombustionreaction

GAOZhi2chong

(DepartmentofChemistry,TaishanUniversity,Tai’an271021,China)

Abstract:Thispaper,bycalculatingflametemperaturesproducedbywatergasandovengascombustionreac2tionsrevealsthemechanismsofhydrogenandhydrocarbonscombustionreactions.Themechanismofhydrogencom2bustionreactionincludes:(1)O2+hv→2O ,(2)H2+O →H2O+hv;whilethatofhydrocarbonscombustionreac2tionsconsistsof:(1)O2+hv→2O ,(2)CpH2q→pC+qH2,(3)H2+O →H2O+hv,(4)C+O →CO+hv,(5)2CO+O2→2CO2.

Keywords:combustionreaction;temperature;enthalpy;wavelength

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1fqi.html