KİMYASAL TEPKİMELER VE -...
Transcript of KİMYASAL TEPKİMELER VE -...
Bölüm 2
KİMYASAL TEPKİMELER VE
DOĞALGAZIN YANMASI
Ceyhun Yılmaz
Afyon Kocatepe Üniversitesi
Teknoloji Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü
ME418 – Doğalgaz Sistemleri Bahar, 2018
2
AMAÇLAR
• Yakıt ve yanma kavramını öğretmek
• Denkleştirilmiş kimyasal tepkime eşitliklerini belirlemek için
tepkimeli sistemlere kütlenin korunumu yasasını uygulamak.
• Yakıt hava oranı, kuramsal hava yüzdesi ve çiğlenme
sıcaklığı gibi yanma analizinde kullanılan parametreleri
tanımlamak.
• Hem kararlı akış ile hacmi kontrol edilen hem de kütlesi
sabit olan sistemler için enerji denkliklerini tepkimeli
sistemlere uygulamak.
• Tepkime entalpisini, yanma entalpisini ve yakıtların ısı
değerlerini hesaplamak.
• Tepkimeleri karışımların adyabatik alevlenme sıcaklıklarını
belirlemek.
3
Most liquid hydrocarbon fuels
are obtained from crude oil by
distillation.
YAKIT: Isı enerjisi verecek şekilde yanabilen herhangi bir maddeye yakıt
denir. En iyi bilinen yakıtlar esas olarak hidrojen ve karbondan meydana gelir.
Bunlara hidrokarbon yakıtlar denir ve CnHm genel formülü ile gösterilirler.
Her fazda hidrokarbon yakıt bulunur. Örnek olarak kömür, gaz yağı ve doğal
gaz verilebilir. Kömürün ana bileşeni karbondur. Kömür değişen miktarlarda
oksijen ,hidrojen, azot, kükürt, nem ve kül de içerir.
YAKITLAR VE YANMA
4
Combustion is a chemical reaction during
which a fuel is oxidized and a large
quantity of energy is released.
Each kmol of O2 in air
is accompanied by 3.76
kmol of N2.
Mol veya hacimsel kuru hava %20.9 oksijen, %78.1 azot,% 0.9 argon ve az miktarda
karbon dioksit, helyum, neon ve hidrojenden meydana gelir.
Yanma işlemi incelenirken, havadaki argon azot olarak işlem görür ve az miktarda
bulunan diğer gazlar göz ardı edilir. O zaman, kuru hava, yaklaşık molce %2 oksijen
ve %79 azotdan ibarettir. Bu nedenle, yanma odasına giren her mol oksijen
0.79/0.21= 3.76 mol azot bulunur.
5
In a steady-flow combustion process, the components that
enter the reaction chamber are called reactants and the
components that exit are called products.
Yakıtın oksijen ile temas etmesinin yanma
işleminin başlaması için yeterli olmadığından da
söz edilmelidir. Yanmanın başlaması için yakıt
tutuşma sıcaklığının üstüne getirilmelidir. Bazı
maddelerin atmosferde bulunan havadaki
minimum tutuşma sıcaklıkları yaklaşık olarak
benzin 260°C, karbon 400°C, hidrojen 580°C,
karbon monoksit 610°C ve metanın 630°C
şeklindedir.
Bundan başka, yanmanın başlaması için, yakıt
ve hava oranları yanma için uygun aralıkta
olmalıdır. Örneğin, doğal gaz %5 den küçük
yaklaşık %15 den büyük derişimlerde
yanmayacaktır. The mass (and number of atoms)
of each element is conserved
during a chemical reaction.
Her bir elementin
(ve atom
sayısının) kütlesi
kimyasal
tepkimesırasında
sabit kalır.
6
Hava – yakıt oranı (HY) yanma
işleminde birim kütle yakıt başına
kullanılan hava miktarını anlatır.
Air-fuel ratio (AF): Yanma
işlemlerinin analizinde, yakıt ve
hava miktarlarını sayısal olarak
ifade etmek için sık sık kullanılan
büyüklük hava-yakıt oranı (HY)
dır.
Genellikle kütleye göre ifade edilir
ve yanma işlemlerinde havanın
kütlesinin yakıtın kütlesine oranı
olarak tanımlanır (Yani, hava yakıt
oranı havanın mol sayısının
yakıtın mol sayısına oranı
şeklinde mol sayısına göre de
ifade edilebilir. Burada önceki
tanım kullanılacaktır. Hava-yakıt
oranının tersi yakıt-hava
oranıdır.
m kütle
N mol sayısı
M mol kütlesi
7
KURAMSAL VE GERÇEK
YANMA İŞLEMLERİ Complete combustion: If all the carbon in the fuel burns to CO2, all the
hydrogen burns to H2O, and all the sulfur (if any) burns to SO2.
Incomplete combustion: If the combustion products contain any unburned
fuel or components such as C, H2, CO, or OH.
Reasons for incomplete combustion: 1 Insufficient oxygen, 2 insufficient
mixing in the combustion chamber during the limited time that the fuel and the
oxygen are in contact, and 3 dissociation (at high temperatures).
Yanma işlemi yakıtın yanabilen tüm
bileşenleri tamamen yandığında
tamamlanır.
8
The complete combustion process with no free oxygen
in the products is called theoretical combustion.
50% fazla hava = 150% teorik hava
200% fazla hava = 300% teorik hava
90% teorik hava = 10% eksik hava
Stokiyometrik veya kuramsal hava: Bir yakıtın tam yanması için gereken
minimum hava miktarına stokiyometrik veya kuramsal hava denir.
Stokiyometrik veya kuramsal yanma: Bir yakıtın kuramsal hava ile tamamen
yanması sırasında meydana gelen ideal yanma işlemine yakıtın stokiyometrik
veya kuramsal yanması denir.
Fazla hava: Gerçek yanma işlemlerinde, tam yanmayı sağlamak ve yanma
odasının sıcaklığını kontrol etmek için stokiyometrik miktardan daha fazla hava
kullanmak genel bir uygulamadır. Stokiyometrik miktardan fazla hava miktarına
fazla hava denir
Eksik hava: Stokiyometrik miktardan daha az havaya eksik hava denir
Eşdeğerlik oranı: Yanma işlemlerinde kullanılan hava miktarı gerçek yakıt-hava
oranının kuramsal yakıt hava oranına oranı demek olan eşdeğerlik oranı ile ifade
edilir.
9
Determining the mole fraction of the CO2
in combustion gases by using the
Orsat gas analyzer.
Yanma işleminin tam olduğu
varsayıldığında ve kullanılan yakıt ve
havanın miktarlarının tam olarak
bilindiğinde ürün bileşiminin önceden
bilinmesi nispeten kolaydır.
Bu durumda yapılması gereken tek
şey, hiçbir ölçüme gerek kalmadan,
yanma eşitliğinde yer alan her bir
elemente kütle denkliğini
uygulamaktır.
Bununla beraber, gerçek yanma
işlemlerinde yapılacak iş o kadar
basit değildir. Çünkü, gerçek yanma
işlemleri fazla hava olsa bile çok zor
tamamlanır.
Bu yüzden, yalnız kütle denkliğine
dayanarak ürün bileşimini belirlemek
imkansızdır. O zaman, sahip olunan
tek seçenek, üründe bulunan her bir
bileşenin miktarını doğrudan
ölçmektir.
Yanma gazlarının bileşimini analiz
etmek için genel olarak kullanılan
cihaz Orsat gaz analizörüdür.
10
Bu cihazda, yanma gazlarının bir örneği toplanır oda sıcaklığına ve basıncına
soğutulur ve o basınç ve sıcaklıktaki hacmi ölçülür. Sonra, örnek CO2’i absorplayan
bir kimyasal ile temas ettirilir. Kalan gazlar oda sıcaklık ve basıncına geri döner ve onların
kapladıkları yeni hacim ölçülür. Hacimdeki azalmanın ilk hacme oranı CO2’in hacim
kesridir ve eğer gazların ideal davrandığı varsayılırsa bu CO2’in mol kesrine eşittir.
Diğer gazların mol kesirleri aynı işlem tekrarlanarak belirlenir. Orsat analizinde, gaz
örneği su üzerinde toplanır ve her zaman doygun halde tutulur. Bu yüzden, suyun
buhar basıncı tüm deney boyunca sabit kalır. Bu nedenle, deney odasında su buharının
varlığı yok sayılır ve veriler kuru hayaya göre verilir. Bununla beraber, yanma sırasında
oluşan H2O miktarı yanma eşitliği denkleştirilerek kolayca belirlenir.
11
OLUŞUM ENTALPİSİ VE YANMA
ENTALPİSİ Bir kimyasal tepkime sırasında,molekül içinde atomları bağlayan bazı kimyasal
bağlar kırılır ve yenileri oluşur. Bu bağlar ile ilgili kimyasal enerji genellikle
ürünler ve girdiler için bir maddenin mikroskobik enerji biçimleri duyulur, gizli,
kimyasal, ve nükleer enerjiden oluşur ve farklıdır. Bu yüzden, kimyasal tepkime
meydana gelen bir işlemde enerji, denkliklerinde mutlaka hesaba katılması
gereken kimyasal enerji değişiklikleri olacaktır. Her bir girdi atomunun
bozulmadan kaldığı (nükleer enerji değişimi yok) varsayıldığında ve kinetik ve
potansiyel enerjilerdeki her hangi bir değişimin göz ardı edildiğinde kimyasal
tepkime sırasında bir sistemin enerjisindeki değişme hal değişiminden ve
kimyasal bileşimdeki bir değişmeden ileri gelir.
12
Tepkime entalpisi,hR : Tepkime entalpisi, tüm tepkime için, belli bir haldeki
ürünlerin entalpileri ile aynı haldeki girdilerin entalpileri arasındaki fark olarak
tanımlanır.
Yanma entalpisi hC: Yanma işleminde, tepkime entalpisi genellikle yanma
entalpisi,hY, olarak adlandırılır. Bu 1 kmol (veya 1 kg) yakıt belli bir basınç
ve sıcaklıkta tamamen yandığı zaman ortaya çıkan ısı miktarını temsil eder.
Oluşum entalpisi hf: Bu özellik belli bir haldeki bir maddenin kendi kimyasal
bileşiminden ileri gelen entalpi olarak görülen oluşum entalpisi, hodir.
Başlangıç noktası oluşturmak
üzere, tüm kararlı elementlerin
(O2, N2, H2, ve C gibi) 25°C ve
1 atm deki standart referans
haldeki oluşum entalpileri sıfır
kabul edilir. Yani, tüm kararlı
elementler için h°ol = 0 dır. (Bu
0.01°C deki doygun sıvı suyun
iç enerjisinin sıfır olarak
alınmasından farklı değildir).
13
Yanma entalpisi, bir yakıtın
belli bir haldeki kararlı akım
işlemi sırasında yanarken
ortaya çıkan enerji miktarını
gösterir.
14
Enthalpy of formation:
The enthalpy of a
substance at a specified
state due to its chemical
composition.
15
Burada m, birim kütledeki yakıt başına ürünlerdeki suyun kütlesi, ve hfg belli bir
sıcaklıkta suyun buharlaşma entalpisidir.
Isıl değer: Bir yakıt kararlı akım
işleminde tamamen yandığında ve
ürünler girdilerin haline döndüğünde
ortaya çıkan ısı miktarı olarak
tanımlanır.
(HHV) üst ısıl değer: Isı değeri
ürünlerde bulunan suyun fazına
bağlıdır. Ürünlerdeki su sıvı halde
olduğunda ısı değerine üst ısı
değeri denir.
(LHV) alt ısıl değer:ürünlerdeki su
buhar fazında ise alt ısı değeri
denir.
For the fuels with variable
composition (i.e., coal, natural gas,
fuel oil), the heating value may be
determined by burning them
directly in a bomb calorimeter.
16
TEPKİMELİ SİSTEMLERİN
BİRİNCİ YASA ANALİZİ
Sürekli Akış Sistemleri
Kimyasal olarak tepkimeye giren sistemlerde onların
kimyasal enerjilerinin değişmesi gerekir ve bu
nedenle, kimyasal enerjideki değişimleri açıkça ifade
edebilmek için, enerji denklik bağıntılarının yeniden
yazılması daha uygundur. Bu ilk önce kararlı akım
sistemleri için sonra da kapalı sistemler için yapılır.
The enthalpy of a chemical
component at a specified state
Burada parantez içindeki terim belli bir haldeki duyulan entalpi,h, ile 25°C ve 1
atm deki standart referans haldeki duyulan entalpi,ho, arasındaki fark olan
standart referans hale göre duyulan entalpiyi göstermektedir.
Bu tanım, oluşumlarında kullanılan referans hale bakılmaksızın tablolardan
alınan entalpi değerlerini kullanma imkanı tanır.
17
18
Sisteme verilen ısı ve
sistem tarafından yapılan iş
pozitif büyüklükler alarak,
yukarıdaki enerji denklik
bağıntısı aşağıda olduğu
gibi daha kısaolarak ifade
edilebilir.
Eğer belli bir tepkimenin
yanma entalpisi h°Y elde
edilebilirse, 1 mol yakıtiçin
kararlı akım eşitliği
Yanma odasında normal olarak ısı
çıkışı olur ama hiç ısı girişi olmaz.
O zaman, tipik kararlı akım yanma
işleminin enerji denkliği
19
Kapalı Sistemler
Kimyasal olarak tepkimeye giren durağan kapalı
sistemler için genel bir enerji denklik bağıntısı
Egiriş Eçıkış Esistem aşağıdaki gibi yazılabilir.
Bir kimyasal bileşenin
iç enerjisinin entalpiye
bağlı olarak ifadesi.
oluşum iç enerjisi uol° entalpi tanımı
oluşum entalpisi h°f yakıtın faz durumuna bağlı olduğu için yakıtın katı, sıvı
veya gaz olduğunun bilinmesi gerekir. Ayrıca, kendi entalpisini belirlemek
için, yanma odasına girdiğinde yakıtın halinin de bilinmesi gerekir.
20
ADYABATİK ALEV SICAKLIĞI
Hiç bir iş etkileşim ve kinetik ve potansiyel enerjide herhangi bir değişim
olmağında, yanma işleminde ortaya çıkan kimyasal enerji ya çevreye ısı
olarak verilir ya da yanma ürünlerinin sıcaklıklarının yükseltme için
içeride kullanılır. Isı kaybı azaldıkça sıcaklıktaki yükselme artar. Çevreye
hiç ısı kaybının olmadığı sınır halinde, (Q= 0), ürünlerin sıcaklıkları
tepkimenin adyabatik alev veya adyabatik yanma sıcaklığı denilen
maksimum değerine ulaşacaktır.
Kararlı akım yanma işleminde
adyabatik alev sıcaklığı Eşitlik
Q=0 ve W =0 konularak
bulunabilir.
Olduğu için
Bir yanma odasının sıcaklığı tam yanma
olduğunda ve çevreye hiç ısı kaybı
olmadığında maksimumdur. (Q=0).
21
Bir yakıtın adiyabatik alev sıcaklığı şunlara bağlıdır:
(1)Tepkimeye giren maddelerin durumu
(2)Reaksiyonun tamamlanma derecesi
(3)Kullanılan hava miktarı
Oluşum entalpisi h°f yakıtın faz durumuna bağlı olduğu için
yakıtın katı, sıvı veya gaz olduğunun bilinmesi gerekir. Ayrıca,
kendi entalpisini belirlemek için, yanma odasına girdiğinde
yakıtın halinin de bilinmesi gerekir. Entalpi hesaplamalarında,
yakıt ve havanın yanma odasına karışım halinde mi yoksa
ayrı ayrımı girdiğinin bilinmesi özellikle önemlidir. Yanma
ürünleri düşük sıcaklıklara soğutulduğunda, gaz ürünler
içindeki suyun bir kısmının yoğuşma olasılığının göz önüne
alınması gerekir.
Yanma odasında
meydana gelen
maksimum sıcaklık
kuramsal adiyabatik
sıcaklıktan daha
düşüktür.
22
ENTROPY CHANGE OF REACTING SYSTEMS
The entropy change
associated with a
chemical relation.
for a closed or steady-flow
reacting system
for an adiabatic process (Q = 0)
entropy balance for any
system (including reacting
systems) undergoing any
process
23
At a specified temperature, the absolute
entropy of an ideal gas at pressures other
than P0 = 1 atm can be determined by
subtracting Ru ln (P/P0) from the
tabulated value at 1 atm.
When evaluating the entropy of a
component of an ideal-gas mixture, we
should use the temperature and the partial
pressure of the component.
The absolute entropy values are listed in
Tables A–18 through A–25 for various ideal
gases at the specified temperature and at
a pressure of 1 atm. The absolute entropy
values for various fuels are listed in Table
A–26 at the standard reference state of
25°C and 1 atm.
P0 = 1 atm
Pi partial pressure
yi mole fraction
Pm total pressure of mixture.
Entropy of a
component
24
SECOND-LAW ANALYSIS OF REACTING SYSTEMS
The difference between the
exergy of the reactants and of
the products during a chemical
reaction is the reversible work
associated with that reaction.
The reversible work for a steady-flow combustion process that involves
heat transfer with only the surroundings at T0
Exergy destruction
When both the reactants and the
products are at T0
Gibbs
function
25
For the very special case of
Treact = Tprod = T0 = 25°C
We can conclude from the above
equation that the value (the negative
of the Gibbs function of formation at 25°C
and 1 atm) of a compound represents the
reversible work associated with the
formation of that compound from its
stable elements at 25°C and 1 atm in an
environment at 25°C and 1 atm.
26
Özet • Yanma
• Hava-yakıt oranı
• Stokiyometrik veya kuramsal yanma
• Yanma entalpisi
• Oluşum entalpisi
• Bir yakıtın ısıl değeri yakıt kararlı akım işleminde
tamamen yandığı ve ürünler girdilerin haline geri
döndüğünde ortaya çıkan ısı miktarı olarak
tanımlanır. Bir yakıtın ısıl değeri o yakıtın yanma
entalpisinin mutlak değerine eşittir.
• Adyabatik alev sıcaklığı