1

PARNI KOTLOVI -5 Pitanja – P4

1. Definicija goriva2. Sastav goriva3. Goriva masa4. Tehnička analiza

2

DINAMIKA SAGOREVANJA Uticaj fizičkih veličina na tok hemijskih

reakcija koje se odvijaju pri procesu sagorevanja

Uspešno se razvija i pretvorila se u samostalnu disciplinu.

Veoma složena problematika Naročito su teškoće pri utvrđivanju

primenljivih analitičkih rešenja, Nedovoljno se koristi u rešavanju praktičnih

zadataka vezanih za sagorevanje goriva, kao i tokom proračuna i projektovanja ložišnih uređaja.

3

DINAMIKA SAGOREVANJA Pri razradi novih ložišnih uređaja i ložišta još

uvek se oslanja na iskustvo, eksperimente i projektantsku intuiciju.

Razmatraće se osnovne zakonitosti iz oblasti kinetike sagorevanja, ograničavajući se na faktore koji su najznačajniji za proces sagorevanja i koji neposredno utiču na koncepciju ložišta i ložišnih uređaja.

4

HEMIJSKA RAVNOTEŽA REAKCIJA

HEMIJSKA RAVNOTEŽA I ZAKON DEJSTVUJUĆIH MASA

U odnosu na agregatno stanje učesnika u procesu sagorevanja razlikujemo heterogeno i homogeno sagorevanje

Heterogeno: gorivo i oksidator u različitom agregatnom stanju

Homogeno: gorivo i oksidator u istom agregatnom stanju

5

HEMIJSKA RAVNOTEŽA REAKCIJA Heterogeno: odvija se na površini

koja razdvaja faze, Homogeno: mešanjem gasnih faza u

smeši odvija se u celoj zapremini smeše

Pri odvijanju hemijske reakcije može se osloboditi ili apsorbovati toplota, odnosno hemijska reakcija može biti egzotermna ili endotermna

6

HEMIJSKA RAVNOTEŽA REAKCIJA Ogledima je utvrđeno da se hemijska

reakcija ne vrši potpuno i da teče samo do određene granice na kojoj se prividno zaustavlja.

U trenutku zaustavljanja se u sistemu zajedno sa produktima reakcije nalazi i izvesna količina početnih i prelaznih materija,

to se objašnjava istovremenim odvijanjem reakcije u dva suprotna smera.

7

Povratne reakcije Ako se sa A i B označe hemijski simboli

materija koje stupaju u reakciju, a sa M i N hemijski simboli produkata reakcije i ako su a, (, odgovarajući brojevi molova tih materija, onda se hemijska reakcija može predstaviti:

8

Povratne reakcije Tokom procesa se smanjuje količina

početnih materija (A i B) što će dovesti do usporenja reakcije u smeru sleva nadesno,

reakcija u suprotnom smeru će se ubrzati zbog povećanja količine produkata reakcije M i N.

Pri određenoj temperaturi će se brzine suprotno orijentisanih reakcija izjednačiti, količina materija se tokom vremena neće menjati tako da se čini da je reakcija zaustavljena.

9

Povratne reakcije U tom slučaju je nastupila hemijska

ravnoteža, pri kojoj se stvara onoliko produkata koliko ih se istovremeno razlaže.

Sa kinetičkog gledišta, uspostavljanje hemijske ravnoteže ne označava potpuno zaustavljanje reakcije, nego samo izjednačavanje brzina reakcije u oba smera.

10

Povratne reakcije Brzina hemijske reakcije i stanje

ravnoteže zavise od hemijske prirode i koncentracije reagujućih materija, kao i od fizičkih uslova u kojima se reakcija odvija : temperatura, pritisak, zapremina

11

Povratne reakcije Nastupanje hemijske ravnoteže reakcije pri

konstantnoj temperaturi i pritisku zavisi od koncentracije materija koje učestvuju u reakciji i ova zavisnost je definisana zakonom dejstvujućih masa

prema njemu je brzina reakcije u homogenoj sredini pri konstantnoj temperaturi srazmerna proizvodu koncentracija reagujućih materija.

Prema ovom zakonu, brzina reakcije u slučaju kad se ona odvija sleva nadesno u proizvoljnom trenutku vremena iznosi

12

Povratne reakcije Prema ovom zakonu, brzina reakcije u

slučaju kad se ona odvija sleva nadesno u proizvoljnom trenutku vremena iznosi:

BA11 CCkw

13

Povratne reakcije Pošto je reakcija hemijski povratna, onda će i

produkti M i N reagovati stvarajući početne materije A i B brzinom :

NM22 CCkw

14

Povratne reakcije U izrazima CA, CB, CM i CN [mol/m3]

predstavljaju koncentracije pojedenih materija koje učestvuju u reakciji, dok su k1 i k2 koeficijenti srazmere koji zavise od: temperature hemijske prirode reagujućih materija i koji se nazivaju konstantama hemijske

reakcije

15

Povratne reakcije Rezultujuća brzina koja

predstavlja razliku ove dve brzine se tokom reakcije smanjuje,

u trenutku izjednačenja brzina w1 i w2 jednaka je nuli,

to odgovara stanju ravnoteže.

Prema tome, u ravnotežnom stanju je

16

Konstanta ravnotežeSledi Odnos konstanti brzina

reakcije pri hemijskoj ravnoteži naziva se konstantom ravnoteže (Kc).

Pošto su konstante brzine reakcije pri određenoj temperaturi nepromenljive,neće se menjati ni konstanta ravnoteže i

Ona predstavlja karakterističnu veličinu za određenu reakciju

17

Ravnotežno stanje Ravnotežne stanje hemijske reakcije na zadatoj

temperaturi nastupa pri određenom odnosu materija koje učestvuju u reakciji, pa konstanta ravnoteže ne zavisi od početnih koncentracija ovih materija.

Na osnovu konstante ravnoteže može da se odredi sastav ravnotežne smeše pri određenoj temperaturi.

Parcijalni pritisak gasova u smeši je pri određenoj temperaturi srazmeran njihovim koncentracijama, pa se konstanta ravnoteže može predstaviti i preko parcijalnih pritiska

18

Uticaj temperature na hemijsku ravnotežu Prema konstanti ravnoteže može se odrediti

sastav ravnotežne smeše pri datoj temperaturi. Sa promenom temperature ravnoteža se

pomera u zavisnosti od znaka i veličine toplotnog efekta.

Zavisnost konstante ravnoteže od temperature pri V = const (izohorska reakcija) je

19

Uticaj temperature na hemijsku ravnotežu a pri p = const (izobarska reakcija)

20

Uticaj temperature na hemijsku ravnotežu Ako je Q > O onda se sa porastom temperature Kc i

Kp povećavaju. Povećavanje znači povećanje količine početnih

materija i odgovarajuće smanjenje produkata reakcije, stanje ravnoteže se pomera prema početnim

materijama, za potpuniji tok egzotermnih reakcija povoljnija nešto

niža temperatura. Ako je Q < O, onda se sa povišenjem temperature

konstanta reakcije smanjuje, pa se ravnoteža pomera ka produktima reakcije. Zbog toga endotermne reakcije zahtevaju višu temperaturu.

21

Energija aktivacije i Areniusov zakon Brzina homogene ili heterogene reakcije pri

konstantnom pritisku i nepromenjenoj količini materija zavisi od: temperature i koncentracije materija koje se nalaze u reakciji.

Sa porastom temperature naglo se povećava brzina hemijske reakcije koju karakteriše konstanta k.

Uticaj temperature na brzinu reakcije može da se odredi definisanjem zavisnosti konstante brzine reakcije od temperature.

22

Energija aktivacije i Areniusov zakon Pri proučavanju hemijskih reakcija je

primećeno da lnk linearno zavisi od recipročne vrednosti apsolutne temperature.

Ovu zavisnost je uočio Arenius koji je predložio da se zavisnost konstante brzine hemijske reakcije od temperature predstavi u logaritamskom obliku

23

Energija aktivacije i Areniusov zakon Diferencijalnom

eksponencijalnom

24

Energija aktivacije i Areniusov zakon E [kJ/mol]— energija aktivacije, ko - empirijski koeficijent koji, u

statističkom smislu, predstavlja najveći mogući broj aktivnih sudara molekula koji se nalaze u reakciji, po jedinici vremena i zapremine

R = 8,321 [kJ/mol K] - univerzalna gasna konstanta,

T [K] - apsolutna temperatura reakcije.

25

Energija aktivacije Veliko ubrzanje hemijske reakcije pri porastu

temperature ne može da se objasni povećanjem broja sudara molekula, pošto je u poređenju sa brzinom reakcije ono neznatno.

Veliki temperaturski koeficijent reakcije se može objasniti time da sposobnost reagovanja nemaju svi molekuli nego samo oni koji su bogati energijom, takozvani aktivni molekuli.

Ovi molekuli se stvaraju endotermnom reakcijom od običnih. Proces pri kome se energija molekula menja bez hemijske transformacije naziva se aktivacijom, a toplota koja se troši za stvaranje aktivnih molekula energijom aktivacije

26

Energija aktivacije U početnom stanju (tačka A)

molekuli troše određenu količinu energije (E1) u toku vremena ta da bi se sistem doveo do početka reakcije (tačka B).

Pri odvijanju reakcije koja se posle vremena r završava (tačka C) oslobađa se energija E2.

Egzotermna reakcija: energetsko stanje na kraju reakcije niže nego na početku, tako da se oslobađa određena količina toplote koja je jednaka razlici oslobođene energije i dovedene energije

27

Uticaj pritiska na brzinu hemijske reakcije Istovremeno sa direktnom reakcijom

uvek se vrši povratna reakcija i sistem teži ka stanju ravnoteže.

Često je brzina povratne reakcije tako mala, da se može zanemariti i smatrati da se reakcija odvija samo u jednu stranu.

28

Uticaj pritiska na brzinu hemijske reakcije Jednostrane ili nepovratne reakcije mogu da

se, u zavisnosti od broja molekula koji stupaju u rakciju, podele na: monomolekulare reakcije u kojima reaguje jedna

vrsta molekula stvarajući jedan ili nekoliko molekula

bimolekularne reakcije u kojima uzajamno reaguju dva jednorodna ili različita molekula, dajući jedan ili više novih molekula .

Na isti način se mogu definisati tri- i više molekularne reakcije.

29

Uticaj pritiska na brzinu hemijske reakcije

30

Oblasti sagorevanja Da bi mogao da se ostvari proces

sagorevanja potrebno je da se, pre svega, ostvari fizički kontakt između sagorljive i oksidišuće materije, to jest, da se stvori smeša.

Osim toga, potrebno je određeno vreme za sprovođenje sagorevanja koje, kao što je rečeno, zavisi od koncentracije materija koje učestvuju u procesu, prisustva inertnih gasova, temperature, pritiska i drugih faktora.

31

Oblasti sagorevanja Ukupno vreme potrebno za

sagorevanje sastojaće se, dakle, od vremena stvaranja smeše (f) i vremena ostvarivanja hemijske reakcije

(h)s = f + h

32

Oblasti sagorevanja Ako je vreme potrebno za ostvarivanje smeše

zanemarljivo malo u odnosu na vreme proticanja reakcije sagorevanja

(f << h), onda faktori značajni za ostvarenje smeše uopšte ne

utiču na trajanje procesa sagorevanja i njega ograničavaju samo veličine značajne za vreme trajanja hemijske reakcije sagorevanja.

Ukoliko je trajanje procesa sagorevanja ograničeno samo brzinom hemijske reakcije, onda se sagorevanje odvija u kinetičkoj (hemijskoj) oblasti.

33

Oblasti sagorevanja Ukoliko je vreme trajanja hemijske reakcije

zanemarljivo u odnosu na vreme potrebno za ostvarivanje smeše

(h << f), onda brzinu procesa sagorevanja

ograničavaju samo faktori značajni za stvaranje smeše, pa se sagorevanje odvija u difuznoj (fizičkoj) oblasti.

Postoji mogućnost da ova dva vremena budu približno jednaka (f =h). U tom slučaju se sagorevanje odvija u prelaznoj oblasti koja se ne može precizno definisati.

34

Oblasti sagorevanja Kako je temperatura

procesa sagorevanja jedan od najuticajnih faktora na brzinu sagorevanja, oblasti sagorevanja se mogu predstaviti u funkciji od te temperature

pri visokim temperaturama, sagorevanje se odvija u difuznoj oblasti i zavisi od brzine stvaranja smeše, odnosno od fizičkih faktora koji utiču na proces sagorevanja.

1-w hem.r, 2-w stvsm veca 3-w stvsm manje

35

Oblasti sagorevanja U ložištima parnih kotlova

sagorevanje se odvija najčešće u difuznoj oblasti,

pa stepen dobrote sagorevanja u znatnoj meri zavisiti od fizičkih faktora, kao što su: količina kretanja sagorljive smeše, karakter strujanja smeše, Stepen vrtloženja smeše i tako dalje.

36