煤气燃烧反应的火焰温度

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)O 2+hv 2O ,(2)H 2+O H 2O+hv;烃燃烧反应的机理为:(1)O 2+hv 2O ,(2)C p H 2q p C+

q H 2,(3)H 2+O H 2O+hv,(4)C+O CO+hv,(5)2CO+O 2 2CO 2.

[关键词] 燃烧反应;温度;焓;波长

[中图分类号] O643.2+1 [文献标识码] A [文章编号] 1672-2590(2003)03-0071-04

[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.

氢气和烃均属于可燃性物质,作者曾根据氢气和烃燃烧反应的火焰温度提出了氢气和烃燃烧反应

的机理[1,2].煤气含有H 2、CO 和C H 4等多种可燃性气体,其燃烧反应的火焰温度与氢气和烃燃烧反应的机理有关.本文将通过煤气燃烧反应火焰温度的计算进一步明确氢气和烃燃烧反应的机理.

1 燃烧反应的反应焓 H 与光子数量、波长之间的关系

能量有功和热两种方式.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)[1,2].

假设某燃烧反应发出n mol 光子,那么体系作的非体积功W ∀为W ∀=nE m =nNhc =0.1196n ,式中E m 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(6.626#10-34J s),c 为光速(2.998#108m s -1), 为波长(m).根据热力学第一定律

U =U 2-U 1=Q -W -W ∀(1)

燃烧反应通常是在恒压条件下进行的,因而W =P (V 2-V 1)(2)

由于燃烧反应可近似地看成绝热反应,因而Q =0(3)

将(2)、(3)式代入(1)式得(U 2+PV 2)-(U 1+PV 1)=W ∀,根据焓的定义H =U +PV .因而

H =H 2-H 2=-W ∀=-0.1196n

(4)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[2].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[1]:

第25卷第3期

2003年5月泰山学院学报JOURNAL OF TAISHAN UNIVERSI TY Vol.25 NO.3

May 2003

(1) O 2+hv 2O ;(2) H 2+O H 2O+hv;总反应为 2H 2+O 2 2H 2O+hv.由总反应可以看出,每摩尔氢气燃烧发出0.5mol 光子.

2.2 烃燃烧反应机理

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[2]:

(1) O 2+hv 2O ;(2) C p H 2q p C+q H 2;(3) H 2+O H 2O+hv;(4) C+O CO+hv;(5) 2CO+O 2 2C O 2.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+H 2O C O+H 2.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 H 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%C O 、7.81%CO 2、41.40%H 2、17.77%N 2、0.75%CH 4和0.3%O 2[3].现以100mol 水煤气为基准,以21%O 2、79%N 2予以计算.100mol 水煤气完全燃烧需要180.405mol 空气(37.885molO 2、142.520molN 2),反应式为:

31.97CO+781C O 2+41.40H 2+17.77N 2+0.75C H 4+0.3O 2+37.885O 2+142.520N 2 40.53C O 2+42.90H 2O(g)+160.29N 2+21.825hv.实际发生的反应为:

31.97CO+41.40H 2+0.75C H 4+38.185O 2 32.72CO 2+42.90H 2O(g)+21.825hv.

由反应式可知,100mol 水煤气完全燃烧发出21.825mol 光子.为方便计算起见,现将某些物质的热力学性质列于附表内.

附表 298.15K 、101.325kPa 下某些物质的热力学性质

物 质

C p m =a +bT J mol -1 K -1a b #103 f H o m (298K) kJ mol -1O 2

!!!!!!0N 2

27.87 4.270H 2O(g)

30.0010.71-241.827CO

!!!!!!-101.525CO 2

44.149.04-393.514CH 4

!!!!!!-74.848H 2!!!!!!0

注:∃本表数据来源于廖雨郊主编的%物理化学&.∋为避免解三次方程,取C p m =a +b T 予以计算.

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T K,由于焓为状态函数,因而可设计途径如下

:

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