ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ОТ СОСТАВА СМЕСИ ПРИ ПОСТОЯННЫХ ДАВЛЕНИИ И ТЕМПЕРАТУРЕ

Рассмотрим изотермическую реакцию в газовой смеси, представляя <ее состоящей из горючего А и окислителя В, объемные доли которых соответственно составляют Са и Св вне зависимости от состава этих двух частей.

Представляя такую реакцию бимолекулярной типа А + В и имея в виду, что Св=1—С а, согласно (5-18) скорость ее можно выразить следующим образом:

(5 21)

Заменив сомножитель р/ЯТ, представляющий собой согласно урав­нению (4-11) число молей в единице объема, значением последнего, определенным как частное р/х, получим:

^ = *^С,(1-СЛ), (5-22)

Где (а, — молекулярная масса смеси, кг/моль; р — плотность смеси, кг/м3.

В процессе реагирования газов величина (а, изменяется сравнитель­но мало. Скорость реакции_ зависит в основном от сомножителей С_А (1 — С_а) . При изменении С А от нуля до единицы произведение Са(1—С а) увеличивается от нуля до некоторого максимума и снова 64

Стремится к нулю, обусловливая аналогичное изме­нение скорости реакции (рис. 5-3, кривая 1). Ма­ксимум скорости такой условной бимолекулярной реакции достигается при одинаковых концентраци­ях СА = СВ=0,5, т. е. в смеси стехиометрического состава.

Рассмотрим теперь эту условную бимолекуляр­ную реакцию при наличии инертного компонента, представляя его в качестве примеси к окислителю. Это имеет место, в частности, при использовании в качестве окислителя воздуха, который наряду с кислородом содержит азот, являющийся инертной примесью. Обозначим долю окислителя в смеси его с инертным газом через е, тогда доля окислителя в реагирующей смеси будет:

ЕСв = е(1 —СА).

Поэтому выражение для скорости реакции примет вид:

(5-23)

Т. е. скорость реакции в 1/е раз меньше, чем при отсутствии инертной примеси (рис. 5-3, кривая 2).

И в этом случае максимальная скорость реакции соответствует содержанию горючего вещества Са=0,5, концентрация же окислителя будет равна е (1—Са)=0,58.

Концентрация горючих в стехиометрическом составе смеси, опреде­ленная из следующих двух уравнений:

Составляет:

(5-24)

При наличии инертной примеси е<1 и поэтому САстех <0,5. С умень­шением е, т. е. с увеличением содержания инертной примеси, СаСТ(?х уменьшается. Это также приводит к уменьшению скорости реагирова­ния в стехиометрической смеси, г. е. в смеси, которая требуется для полного выгорания горючих.

Таким образом, при постоянной температуре наличие инертной при­меси не изменяет относительного содержания горючих, при котором скорость рассмотренной бимолекулярной реакции достигнет максимума, но уменьшает концентрацию реагирующих веществ, а следовательно, и скорость реакции. Наибольшая скорость реагирования получается не в стехиометрической смеси, необходимой для полного выгорания, а в смеси, обогащенной горючим веществом, что также приводит к умень­шению скорости реакции.

Аналогично изменяется скорость при изменении состава смеси и для тримолекулярных реакций.

Скорость тримолекулярной реакции типа 2А+В=М в случае, когда в окислительной части доля кислорода составляет е, согласно (5-19)

5— 541 65

(5-25)

Скорость реакции достигает максимума при Са=2/3 вне зависимо­сти от количества инертных газов.

Стехиометрический состав можно определить из уравнений

Совместным решением получаем, что концентрация горючих в сте­хиометрической смеси *

Так как е<1, Слстех <'2/3, т. е. стехиометрическая концентрация горючего в смеси с инертной примесью меньше, чем концентрация, при которой скорость реакции максимальна. Следовательно, и в этом случае наибольшая скорость соответствует обогащенной смеси.

Таким образом, при наличии инертной примеси ско­рость реакции уменьшается в результате уменьше­ния концентрации реагирующих веществ и вслед­ствие того, что максимальная скорость горения от­вечает обогащенной, а не стехиометрической сме - с и, которую для обеспечения полного выгорания горючих необходима иметь в процессе горения жидких и газообразных топлив с самого на­чала, а твердых — после обеспечения устойчивого зажигания.

В результате рассмотрения влияния инертной примеси на скорость изотермической реакции можно сделать два важных вывода.

В камерных топках парогенераторов подогрев потока горючей сме­си, обеспечивающий ее воспламенение, осуществляется посредством ре­циркуляции горячих продуктов сгорания. Исходя из вышеизложенного, следует иметь в виду, что чрезмерная рециркуляция может ухудшить условия воспламенения в результате существенного понижения концен­трации окислителя — кислорода и горючих компонентов. Поэтому за­жигание горючей смеси целесообразно осуществлять посредством ре­циркуляции умеренного количества продуктов сгорания с возможно высокой температурой.

Из выражений (5-23) и (5-25) для скоростей реакции выше первого порядка следует, что если в смеси содержится небольшое количество одного из реагирующих веществ, то изменение концентраций других веществ в ходе реакции может быть относительно небольшим. Поэтому в этом случае реагирование можно рассматривать как процесс первого порядка относительно вещества, находящегося в недостатке.