Verbranding

Verbranding is 'n komplekse reeks eksotermiese chemiese reaksies tussen 'n brandstof en 'n oksideermiddel wat gepaard gaan met die afgee van of hitte of beide hitte en lig in die vorm van 'n gloed of vlamme.

Direkte verbranding deur atmosferiese suurstof is 'n reaksie wat aangehelp word deur radikale tussenverbindings. In 'n volledige verbrandingsreaksie reageer 'n verbinding met 'n oksiderende element, soos suurstof of fluoor en die produkte van elke element in die brandstof met die oksideermiddel. Byvoorbeeld:

 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
 CH2S + 6F2 → CF4 + 2HF + SF6

'n Eenvoudiger voorbeeld kan gesien word in die verbranding van waterstof en suurstof wat dikwels gebruik word in vuurpylmotore:

 2H2 + O2 → 2H2O + warmte
Die produk van verbranding is suiwer waterdamp.

In die oorgrote meerderheid gevalle waar verbranding plaasvind is lug die bron van suurstof (O2). In lug is elke kilogram suurstof teenwoordig gemeng met ongeveer 3.76 kg stikstof. Die gevolg daarvan is dat die produk van verbranding stikstof sal bevat soos geïllustreer kan word deur die chemiese vergelyking vir die verbranding van metaangas:

 CH4 + 2O2 + 7.52N2 → CO2 + 2H2O + 7.52N2 + warmte

As lug die bron van suurstof is, is stikstof by verre die grootste bestanddeel van die uitlaatgas.

Verbrandingsprosesse is in werklikheid nooit geheel en al volledig nie.  Tydens verbranding van koolstof of koolstofverbindings is beide onverbrande koolstof (roet) en koolstofverbindings soos koolstofmonoksied teenwoordig.  As lug die oksideermiddel is sal van die stikstof in die lug ook geoksideer word om stikstofoksiede (NOx) te vorm.

Hitte van verbranding 

Die hitte van verbranding of hittewaarde () is die energie wat vrygestel word wanneer die stof volledig verbrand met suurstof (O2) onder standaardkondisies. Dit word gemeet in die energie vrygestel per massa van die stof, bv kJ/kg, kJ/kMol (eenheid)mol, kkal/kg, ens.

Die chemiese reaksie is tipies die koolwaterstof wat reageer met suurstof om koolsuurgas (koolstofdioksied – CO2), waterdamp (H2O(g)) en hitte te vorm. Indien bv metaan verbrand word, is die reaksie dus:

Bruto en netto hittewaarde 

Hoër of bruto hittewaarde (HHW)

Dit is dieselfde as die termodinamiese hitte van verbranding. Die HHW sluit die energie in wat gebruik is om die water te verdamp. Dit word bepaal deur die gas te verbrand en af te koel tot by die begintemperatuur (gewoonlik 25 °C). Al hierdie hitte is die bruto hittewaarde. Omdat die afkoeling ook die kondensering van die waterdamp insluit dra die kondensering van die water by tot die bruto hittewaarde.

(kyk Bepaling van hittewaarde later in die artikel).

In 'n verbrandingsoond is die uitlaatgasse egter hoër as die kookpunt van water, dus verlaat die water die oond as waterdamp. Die latente hitte van die gas word dus in effek verloor na die atmosfeer. Daarom word daar onderskei tussen die bruto en netto hittewaarde.

Laer of netto hittewaarde (LHW)

Dit is die bruto hittewaarde minus die energie wat gebruik is om die water te verdamp. Dit neem dus nie die energie in die waterdamp in ag nie en is die effektiewe hoeveelheid energie wat beskikbaar is in 'n verbrandingsoond.

Omskakeling van laer hittewaarde (LHW) na hoër hittewaarde (HHW)

Om hierdie omskakeling te doen het 'n mens die samestelling van die gas nodig om te bepaal hoeveel water in die verbrandingsreaksie vorm.

As 'n duimreël kan aanvaar word dat LHW ~ 0.9 × HHW

Hierdie aanname gaan egter nie akkuraat wees vir waterstof (H2) nie.

Bepaling van hittewaarde 
Die hittewaarde van 'n stof word bepaal deur die gas te verbrand en die verskil in entalpie te bepaal voor en na verbranding. Dit word gewoonlik met 'n kalorimeter gedoen. Vir vastestowwe is dit 'n bomkalorimeter

Daar is basies twee verskillende maniere om dit te doen:

 Meet uitlaat temperatuur en bereken verhoging van entalpie
 Koel die uitlaatgas af met water en bereken die verhoging van entalpie

Om dit te beter te verduidelik, kom ons bepaal die hittewaarde van metaangas (CH4) deur die finale temperatuur te meet wanneer metaan met lug verbrand word:

Bepaal die verbrandingsreaksie

Dit is algemene kennis dat die verbrandingsreaksie van metaan met suurstof die volgende is:

 

(Onthou om die reaksie te balanseer.)

Gebruik hierdie gebalanseerde reaksie om te bepaal wat die minimum suurstof nodig is om al die metaan te reageer.

LW: Dit maak nie saak hoeveel lug gebruik word nie, solank dit genoeg is sodat die suurstof in oormaat is. Hoe meer die suurstof in oormaat is, hoe kouer gaan die finale temperatuur wees, omdat meer van die gegenereerde energie gebruik gaan moet word om die oormaat produkte te verhit.

Voeg reagense bymekaar

Dit is baie belangrik om presies te weet hoeveel metaan en hoeveel lug aan die begin is (onthou, die suurstof moet effens in oormaat wees). Een manier om dit te doen is om die kalorimeter te vul met lug (dit kan bloot geventileer word met lug). Die kalorimeter se volume moet bekend wees, dus weet mens hoeveel lug in die kalorimeter is deur van die ideale gaswet (PV=nRT) gebruik te maak (die kalorimeter kan die druk en temperatuur meet). Pomp nou metaangas in die kalorimeter tot 'n sekere druk. Die hoeveel metaan wat bygevoeg is kan weer bepaal word deur die ideale gaswet (deur van die druk en temperatuur gebruik te maak). Neem die begintemperatuur van die mengsel. Daar moet ook 'n oormaat

Veronderstel daar is aan die begin 1 kmol metaan en 10 kmol lug. Indien lug bestaan uit 21% suurstof, dan is daar 2.1 kmol suurstof in die mengsel. (Stoigiometries het 'n mens 2 mol suurstof nodig vir elke mol metaan.)

Ontsteek die mengsel

'n Kalorimeter het 'n elektriese ontstekingsmeganisme om die mengsel te ontsteek.
Nadat die mengsel ontsteek is, wag tot die reaksie volledig verloop (uitbrand) het en neem die temperatuur.

Die volgende tabel dui aan hoeveel mol jy van elke komponent het voor en ná die reaksie:
 

Bepaal die toename in entalpie

Omdat die toename in entalpie in 'n stelsel presies gelykstaande is aan die energie wat daarby gevoeg is deur warmte, is:

 

Neem die verwysingstemperatuur T0 as 25 °C.

T1 is die eindtemperatuur van die gasmengsel na verbranding plaasgevind het.

Die warmtekapasiteit van die verskillende komponente in kal/mol is:

Die warmtekapasiteit van die finale mengsel is:

 

Waar:

 xi = molfraksie van komponent i
 Cp,i = warmtekapasiteit van komponent i

Dws

 

Ek het die uitlaat temperatuur bepaal deur 'n Aspen simulasie en dit gekry as 1982 °C of 2256 °K
Soos reeds gesê is die begin temperatuur 25 °C of 298 °K

Dus is:

 

 

 

 

Volgens literatuur  is die hittewaarde van metaan:

 

Dit is effens anders as die waarde verkry uit literatuur en ook die waarde wat Aspen bereken.

Bereken hittewaarde uit Aspen 

'n Aspen simulasie is gebou om die verbranding van metaan met lug te simuleer. Let op die volgende:
 Die eienskapsmetode (Engels="property method") is RK-SOAVE
 PROD-W is die warm produkgas (let op die hoë temperatuur)
 Die warm produkgas word met die eerste hitteruiler (HX1) verkoel na 150 °C. Die verkoelingswatervloei is 5 t/h.
 Die tweede hitteruiler (HX2) verkoel die produkgas tot die oorspronklike temperatuur van 25 °C. Die verkoelingswatervloei is 5 t/h.

Die volgende tabel wys die resultate:

Die hittewaarde van metaan is die verskil in entalpie van die warm produkgas teen 1982 °C en die produkgas indien dit afgekoel is na die oorspronklike 25 °C:

Dus, ΔH_c = 11 × (-6782.162 – (-87438.94)) = 887225 kJ/kmol CH4

Of die hittewaarde kan ook bereken word van die energie wat in die water ingesit is.

Dus, ΔH_c = 277.5422 × (-289040 – (-286300)) + 277.5422 × (-290350 – (-289890)) = 888135 kJ/kmol CH4 (die verskil is bloot agv afronding)

Hierdie waardes vergelyk baie goed met die literatuurwaarde van 890943 kJ/kmol.

Om te wys dat dit nie 'n verskil maak hoeveel lug gebruik word nie, is hierdie herhaal met dubbel soveel lug. Die volgende tabel gee die resultate (let op die laer produktemperatuur):

Dus, ΔH_c = 21 × (-3555.754 – (-45283.76)) = -876288 kJ/kmol CH4

Of, ΔH_c = 277.5422 × (-289040 – (-286440)) + 277.5422 × (-290350 – (-289800)) = 874258 kJ/kmol CH4

Die verskil is weer a.g.v. afronding.

Bepaling van adiabatiese vlamtemperatuur 

Die adiabatiese vlam temperatuur is die temperatuur van die vlam of die temperatuur van die rookgas nadat 'n gas pas verbrand het.

In die volgende voorbeeld word gewys hoe die adiabatiese vlamtemperatuur (of die temperatuur van die rookgas) bepaal word uit eerste beginsels.

Die Excelbberekeninge van hierdie voorbeeld kan HIER gekry word.

Gestel jy het 'n brandgas teen 40 °C met die volgende samestelling:

H2 = 10%, CO = 7%, CH4 = 74%, C2H6 = 8%, N2 = 1%

Dit word verbrand met lug. Die lug se relatiewe humiditeit is 20%, temperatuur 25 °C en die druk is 100 kPa. Die samestelling van droë lug is:

O2 = 20.95, Ar = 0.5%, N2 = 78.55

Die rookgas moet 3% suurstof bevat om te verseker dat daar genoeg lug is om volledige verbranding te hê.

Die volgende tabel gee nog eienskappe van elke komponent:

Bepaal die volgende:

 Hoeveelheid vog in die lug
 Stoigiometriese hoeveelheid suurstof benodig
 Hoeveelheid lug benodig sodat rookgas 3 mol% O2 bevat.
 Adiabatiese vlamtemperatuur

1. Hoeveelheid vog in die lug 

Teen 25 °C is die versadigingsdruk van water 3.171 kPa (volgens stoomtabelle).

Volgens Dalton se wet is die maksimum waterdamp in lug by 100 kPa die volgende:

 

Indien die relatiewe humiditeit 20% is, dan is die hoeveelheid waterdamp in die lug = 20% × 3.171% = 0.6342%.

As die hoeveelheid suurstof in droë lug 20.95 mol% is, dan is die hoeveelheid suurstof in die vogtige lug = 20.95% × (1-0.006342) = 20.82%
Soortgelyk is die hoeveelheid stikstof in die vogtige lug = 78.55% × (1-0.006342) = 78.05%
En die hoeveelheid argon = 0.05% × (1-0.006342) = 0.0497%

2. Bepaal stoigiometriese hoeveelheid suurstof benodig 

Om die stoigiometriese (of teoretiese) hoeveelheid suurstof wat benodig word om 'n koolwaterstof te verbrand moet die verbrandingsreaksie van elke komponent gebalanseer word. Die volgende formule is 'n algemene formule wat daarvoor gebruik kan word:

 

Die balansering van elke reaksie word in die tabel hierbo gegee.

Die totale suurstof benodig per brandgas (1.845) word verkry deur die som van die produkte. Met ander woorde,

 

Waar x die molfraksie van die brandgas is en O die stoigiometriese hoeveelheid suurstof.

Die stoigiometriese hoeveelheid CO2 and H2O word soortgelyk verkry as 0.97 en 1.82 respektiewelik.

As die hoeveelheid stoigiometriese suurstof benodig vir 1 kmol brandgas 1.845 kmol is en die vogtige lug bevat 20.82% suurstof, dan is die hoeveelheid stoigiometriese vogtige lug benodig = 1.845/20.82% = 8.863 kmol.

Die stoigiometriese rookgas bestaan dus uit die volgende:

 H2O = 1.82 + 8.863 × 0.6342% = 1.876 kmol
 CO2 = 0.97 kmol
 Ar = 8.863 × 0.5% = 0.044 kmol
 N2 = 8.863 × 78.05% = 6.928 kmol
 Totaal = 9.818 kmol

3. Hoeveelheid lug benodig sodat rookgas 3 mol% O2 bevat 

 

Indien:

  = rookgas wanneer stiochiometriese hoeveelheid lug gebruik word
  = oormaat lug
  = % suurstof in lug
  = % suurstof in totale rookgas

 

 

 

 

 

 

 

Die volgende tabel gee die samestellings en eienskappe van die drie strome:

Die Cp-koëffisiënte is verkry deur 'n geweegde gemiddelde van die samestelling van elke gasstroom.

4. Adiabatiese vlamtemperatuur 

Om die adiabatiese vlamtemperatuur te bepaal moet 'n energiebalans gedoen word oor die brander.

 

Waar  die energie van die stroom is in eenhede van byvoorbeeld MJ/h.

Die entalpie kan bepaal word relatief tot 0 °C met die volgende formule:

 

 

 

Waar:
  = Adiabatiese vlamtemperatuur in Kelvin
  = Verwysingstemperatuur = 273.15 Kelvin
  = Vloei van die stroom. In hierdie geval kmol/h
 Onthou dat die Cp-koëffisiënte in kal/(mol.K) gegee word, daarom gaan die eenhede van die entalpie kal/mol (of kkal/kmol) wees. Om dit om te skakel na kJ/kmol moet met 4.1868 J/kal gemaal word.)

Om die hitte van verbranding te bepaal word die laer hittewaarde gebruik (752.4 MJ/kmol of 33.57 MJ/m3n).

Die adiabatiese vlamtemperatuur (T) moet nou geraai word totdat die energiebalans balanseer.

In hierdie geval balanseer die energiebalans indien T = 1831 °C en daarom is die adiabatiese vlamtemperatuur 1831 °C.

Die volgende tabel wys die resultateː

Die energiebalans is dus soos volgː

Kyk ook 
 Wobbe-indeks
 Adiabaties
 Selfontbrandingspunt
 Roet
 Uitlaatgas

Verwysings

Eksterne skakels 

Chemie