Transcript 2-4 ادامه
سوخت و احتراق فهرست مطالب اهميت وكاربردسوخت واحتراق انواع سوختها وطبقه بندي آنها سوختهاي جامد سوختهاي مايع سوختهاي گازي اصول اوليه ترموشیمی و احتراق ترموديناميك احتراق تحليل ترمودینامیکی (آنتالپی تشکیل ،انرژی داخلی احتراق ،ارزش حرارتی و )...و تحلیل شیمیایی احتراق (تعادل شیمیایی ،تابع گیبس ،واکنش های همزمان و )... مقدمه ای بر انتقال جرم سینتیک شیمیایی مكانيزم شعله کاربرد های احتراق (مشعل ها و کوره ها) منابع An Introduction to Combustion: Concepts and Applications, Stephen R. Turns Combustion, IRVIN GLASSMAN Combustion, J. Warnatz · U. Maas · R.W. Dibble موسسه انتشارات علمی، احمد کرمانپور، سید خطیب االسالم صدر نژاد،سوخت و انرژی دانشگاه شریف ارزیابی میان ترم 6 :نمره پایان ترم 7 :نمره تکالیف 1.5 :نمره حضور و ارزشیابی کالس ی 1 :نمره پروژه 4.5 :نمره فصل اول مقدمه منابع توليد انرژي در جهان سوختها :منابع توليد حرارت ،كار ،احيا اكسيدها و سولفيدها ،كربن دهي به فلزات و آلياژها ،پيشرفت تكنولوژي هستند؛ اما معايبي نيز دارند: تغيير در تركيب هوا به دليل مصرف اكسيژن هوا به مخاطره افتادن زندگي موجودات و سالمت انسان توليد گازهاي آالينده ورود گازهاي گلخانهاي به اتمسفر و گرم كردن زمين زغال سنگ ،نفت خام و گاز طبيعي از مهمترين نوع سوختها مي باشند كه هر سه عمدتا از كربن و هيدروژن ساخته شده اند .و اضافه بر اينها عناصري مانند :نيتروژن ،گوگرد ،اكسيژن ،فسفر ،تركيبات كلسيم و آلومينيم نيز در اين مواد وجود دارد. معموال مقداري خاكستر (تشكيل شده از اكسيد فلزات و سيليكات) نيز بعد از سوختن بر جاي مي ماند (بخصوص از زغال سنگ و كمي هم از نفت خام) هر چه ميزان خاكستر بر جاي مانده بيشتر :كيفيت سوخت پايينتر است. حالت پايدار كربن در شرايط متعارف گرافيت است ،پس اغلب سوخت هاي فسيلي (زغال سنگ ،نفت خام و گاز طبيعي) در طبيعا ناپايدارند. اطالعات انرژي نشان مي دهد: در شرايط متعارف تنها هيدروكربنهاي پايدار متان و اتان هستند. زغال سنگ ،نفت خام و اغلب تركيبات آلي هيدروكربني و تمام موجودات جاندار و خود ما در شرايط متعارف ناپايدار هستيم و تمايل به تجزيه به مولكولهاي ساده تشكيل دهنده داريم. عامل باز دارنده اين تجزيه سرعت كم واكنش ها و تغذيه پيوسته موجودات جاندار با مواد آلي تازه مي باشد. در دماهاي بالتر از 500درجه سلسيوس ،حتي متان نيز ناپايدار است و به گرافيت (شكل پايدار كربن) و هيدروژن تجزيه مي شود. شكل هاي ديگر انرژي در جهان به دليل معايبي كه سوخت هاي فسيلي دارند انواع ديگر انرژي نيز در حال توسعه است. انرژي خورشيدي انرژي هاي مكانيكي :انرژي آب ،جذر و مد ،امواج درياها ،باد و ... انرژيهاي حرارتي زمين :زمين گرمايي ،انرژي حرارتي اقيانوسها ،گرماي چشمههاي آب گرم و اتشفشانها انرژي هاي الكترومغناطيس زمين فصل دوم تعريف سوخت و دسته بندي آن 1-2تعريف سوخت هر ماده اي كه در اثر يك تحول شيميايي توليد گرما كند را سوخت ( )fuelگويند. سوختها معموال منشا آلي دارند و اجزا اصلي تشكيل دهنده آنها كربن و هيدروژن است. اجزا ديگر عمده سوختها اكسيژن ،فسفر ،گوگرد ،خاكستر و ...است. -دسته دوم ارزش سوخت را پايين مي آورد. چوب اولين سوخت مورد استفاده انسان زغال سنگ به عنوان سوختي ديگر از ابتداي قرن چهارم قبل از ميالد نفت به عنوان سوخت توسط فارسيان زمان اسكندر گاز طبيعي به عنوان سوخت توسط چيني ها و ژاپني هاي قبل از تاريخ 2-2دسته بندي سوخت ها -1از لحاظ چگونگي توليد سوخت هاي طبيعي ( :)natural fuelsسوختهايي كه در طبيعت موجود هستند و كاري بر روي آنها انجام نشده است .مانند :چوب ،گاز طبيعي و نفت خام سوخت هاي مصنوعي ( :)synthetic fuelsسوختهايي كه با عملياتي بر روي سوختهاي طبيعي حاصل ميشوند. مانند :زغال چوب ،كك ،نفت سفيد ،بنزين سوخت هاي مصنوعي معموال در نتيجه عمليات شيميايي ،فيزيکي و يا گرمايي برسوخت هاي طبيعي به دست مي آيند. -2از نظر منشا پيدايش سوختهاي فسيلي ( :)fossile fuelsسوخت هايي كه از بقاياي جانداران كه ميليونها سال پيش زندگي مي كرده اند حاصل شده اند .مانند :زغال سنگ ،نفت خام و گاز سوختهاي غير فسيلي ( :)non-fossile fuelsسوخت هاي غير از دسته اول مانند چوب ،الكل و سوخت هاي هسته اي ...ادامه -3از ديدگاه نحوه توليد گرما مواد هيدروکربني مانند سوخت هاي فسيلي ،ترکيبات آلي ،مواد زايد خانگي و محصوالت جنبي پااليش نفت كه دراثر سوختن کربن و هيدروژن اين نوع سوخت ها ،گرما توليد مي شود. سوخت هاي هسته اي مانند اورانيم 235و توريم 233كه در نتيجه شکافتن هسته اتم دراين نوع سوخت ها ،انرژي گرمايي زيادي به وجود مي آيد. -4سوختهاي ويژه سوخت هاي شيميايي ويژه اي نيز وجود دارند که در فرايند هاي معمولي به کار نمي روند؛ بلکه براي مصارف خاص، مورد استفاده واقع مي شوند .براي مثال نيترات آمونيم ،فلورين ،باروت و سوخت موشک که در صنايع نظامي و تسليحات جنگي به کار مي روند. ...ادامه -5از ديدگاه حالت فيزيکي جامد :مانند زغال سنگ ،چوب ،كك ،سوخت موشك ،سوخت هسته اي مايع :نفت خام ،بنزين ،نفت سفيد ،گاز مايع گاز :گاز طبيعي 3-2ترکيب شيميايي سوخت ها سوخت ها متشکل از: اجزاي سوختني مانند :کربن جامد ،هيدرو کربن ها ،مونو اکسيد کربن ،هيدروژن و گوگرد اجزاي غير قابل احتراق (در شرايط عادي) مانند :نيتروژن ،اکسيژن ،رطوبت ،خاکستر و دي اکسيد کربن تذكر :وجود گوگرد در سوخت نامطلوب است زيرا اوال درمحيط زيست آلودگي ايجاد مي کند و ثانيا قسمت هاي فلزي مورد استفاده در وسيله احتراق مانند ديگ بخار را خراب مي کند. 4-2اهميت و كاربرد دانش مهندس ي سوخت و احتراق نياز شديد بشر به انرژي ذخيره شده ارزان و قابل تبديل به کار براي انجام فعل و انفعاالت شيميايي و توليد فلزات سوخت ها هم منشاء گرما و کار و هم ماده خام براي صنايع شيميايي هستند. از سوختها مي توان براي توليد انواع روغن ها ،واکس ها ،بنزن ،عطر ،پالستيک و مواد دير گداز استفاده کرد. زغال سنگ در توليد برق و صنايع فوالد نقش مهمي ايفا مي کند. اما امروزه به علت مشکالتي که مصرف زغال سنگ به همراه دارد و نيز آلودگي محيط زيست ،کمتر مصرف مي شود ولي وجود منابع وسيع زغال سنگ باعث مطرح شدن دوباره آن در آينده خواهد شد. به سبب سادگي مصرف ،سوخت ها ي مايع امروزه اهميت زيادي يافته اند. نفت به عنوان ماده صنعت پتروشيمي ،بنزين براي موتورهاي احتراق داخلي ،گازوييل براي موتورهاي ديزل و نفت سياه براي مصارف گرمايي و استفاده در کوره ها ... 4-2ادامه گاز طبيعي به عنوان سوختي تميز و قابل دسترس ،به سرعت جا ي ساير انواع سوخت را مي گيرد .اين سوخت فسيلي ماده اوليه براي صنايع پتروشيمي بوده و به جاي زغال سنگ و نفت قابل استفاده است. چوب ديگر به عنوان سوخت مصرف نمي شود؛ بلکه براي استفاده در صنايع شيميايي به عنوان ماده ارزشمندي شناخته شده است. زغال نارس (ليف) يکي ديگراز سوخت هاي جامد است که عالوه بر مصارف گرمايي ،به عنوان مصالح ساختماني نيز مصرف دارد. صمغ ،گاز ،مواد ايزوالسيون ،بنزين ،سوخت ديزل ،استون ،واکس و کود کشاورزي نمونه هاي ديگري از مواد مشتق شده از سوخت هاي فسيلي هستند. باقي مانده هاي شيل (سنگ نفت زا) براي مصالح ساختماني ،صمغ ،الياف ،ايزوالسيون پشت بام ،رنگ هاي بادوام، پالستيک و کودهاي ازته نيز مصرف دارند . ... 4-2ادامه کاربردهاي اصلي سوخت هاي فسيلي در صنايع متالوژي .1ساخت فلزات و آلياژها -1-1احياء -1-2توليد گرما گرم و ذوب کردن فلزات علميات حرارتي مانند آب دادن ،باز پخت و بازگشت قطعات ساخته شده فلزي گرم کردن شمش هاي فلزي براي آهنگري يا نورد.2توليد الکتريسيته براي استفاده در کوره هاي قوس الکتريکي و مقاومتيتوليد فلزات از طريق الکتروليز تصفيه الکتروليتي فلزات .3توليد بخار براي استفاده در توربين هاي بخار .4انجام واکنش هاي گرماگير نظير پختن آهک طبق واکنش زير ) CaCO 3 ( s ) CaO ( s ) CO 2 ( g ... 4-2ادامه امروزه زغال سنگ را مي توان در صنايع مختلف استفاده كرد .كاربرد هاي زغال سنگ: •صنايع فوالد سازي •توليد بخار در نيروگاههاي برق •تبديل به گاز براي استفاده در شبكه ي گاز شهري •تبديل به سوخت مايع يا ماده ي اوليه صنايع شيميايي آلي •توليد قطران و مواد مشابه براي تهيه ي كود شيميايي •توليد كربن خالص جهت تهيه ي گرافيت و املاس مصنوعي •توليد زغال سنگ فعال به عنوان جذب كننده ... 4-2ادامه فرآورده هاي اصلي نفت(به ترتيب افزايش جرم ملكولي) گازهاي سبك شامل :هيدروژن و هيدروكربن هاي سبك ،به عنوان سوختهاي صنعتي و ماده ي اوليه ي پترو شيمي به كار مي روند. گازهاي مايع شده شامل :پروپان و بوتان و يا مخلوط تجاري اين دو كه به عنوان سوخت خانگي يا صنعتي به كار مي روند. بنزين :به عنوان سوخت موتورهاي اتومبيل به كار مي رود. بنزين هاي مخصوص :به عنوان حالل رنگ ها و حالل صنعتي در استخراج روغن ها و عطرها به كار مي روند. سوخت جت:درموتورهاي واكنش ي توربين هاي گازي و موشك ها مصرف مي شود. نفت سفيد :در انواع چراغ ها براي ايجاد روشنايي و يا گرما به كار مي رود. گازوئيل يا نفت گاز :به عنوان سوخت موتورهاي ديزلي مصرف مي شود. نفت سوخت سبك :به عنوان سوخت تأسيسات حرارتي خانگي يا تأسيسات صنعتي كم قدرت به كار مي رود. روغن هاي سبك :به عنوان پايه در تركيب روغن موتور و روان كننده در مكانيك ظريف(ساعت سازي،چرخ خياطي و )...به كار مي روند. روغن هاي سنگين :به عنوان پايه با لزجت باال در تركيب روغن هاي موتور وارد مي شود. روغن هاي سيلندر :در ماشين هاي بخار وصنايع سنگين به مصرف مي رسند. پارافين ها و مومها :در عايق كاري الكتريكي و حفاظت مواد غذايي كاربرد دارند. نفت سوختهاي سنگين :به عنوان سوخت تأسيسات حرارتي پر قدرت و سوخت ديزل هاي بزرگ به كار مي روند. آسفالت و قير :مصارف آن در جاده سا زي،نفوذ ناپذير كردن ساختمانها و غيره است. كك :به عنوان سوخت صنعتي به كار مي رود.