Chương 6 ứng dụng ngọn lửa

100 Chng NG DNG CA NGN LA Ngn la l ni m cú nhiu phn ng húa hc xy v thng phỏt nhit, vỡ th ngi ta cú th s dng ngn la tng hp mt s hp cht húa hc Nhng hp cht húa hc ny cú th l sn phm cui cựng ca s chỏy ca cỏc cht tham gia phn ng ban u hay cỏc sn phm trung gian ca cựng mt s chỏy Trong trng hp sau, ngi ta hay dng phn ng trc sn phm mong mun b chuyn hoỏ thnh cỏc hp cht khỏc lm iu ú, ngi ta thng dựng phng phỏp lm lnh t ngt Vic tng hp nhng cht húa hc cng cú th thc hin c t s chuyn hoỏ ca cỏc cht tham gia phn ng c a vo cỏc khớ ang chỏy ú ta tn dng c nng lng ó cú sn t quỏ trỡnh chỏy 6.1 S to thnh cỏc ht cacbon ngn la Mt thc t m cng bit rng cỏc ngn la t chỏy hirocacbon sinh tng i d dng than v khúi Than c hỡnh thnh i vi nhng ngn la rt giu nhiờn liu, ngha l hn hp khớ cú cha mt lng nhiờn liu cao hn nhiu so vi yờu cu i vi s chỏy hp thc vi oxi Mui than c hỡnh thnh thiu oxi cn thit cho s chỏy Nhng ngn la nh vy cú mu vng sỏng ú l s phỏt mt quang ph liờn tc nhng ht nh than cú mt cỏc khớ b chỏy Mt ngn la c to thnh t s t chỏy hirocacbon ó c trn u trc v nghốo hirocacbon hay ỳng thnh phn hp thc khụng cú s phỏt mu ny, m nú gn nh khụng mu v khụng nhỡn thy (vớ d cỏc ngn la ca hiro v oxi) hoc l cú mu xanh Mu xanh l ngun gc ca cỏc quỏ trỡnh phỏt quang húa hc m ta ó núi ti trờn V mt ng dng cụng nghip t chỏy cỏc lũ t, s cú mt ca tro than cú tỏc dng khụng tt, song s to thnh cỏc ht cacbon c ng dng sn xut mui cacbon cho cụng nghip cao su v cỏc ngnh cụng nghip khỏc Trong phn trc, chỳng ta ó thy rng mt ngn la bc x l cn thit cho mt lũ t, ngc li, kiu truyn nhit ny l khụng thun li mt xilanh ca ng c n Trong trng hp ny, s chỏy cú mc ớch thc hin mt cụng c hc v hon ton khụng cn thit cho s t núng xilanh Vy tro than l gỡ? v nú c hỡnh thnh nh th no? Di kớnh hin vi in t, tro than c ly t cỏc ngn la cú dng nhng ht nh, gn hỡnh cu cú ng kớnh vi trm Angstrom ( 200 ) Nhng ht than ny cú cha khong 105 ti 106 nguyờn t cacbon Qua phõn tớch húa hc cũn ch chỳng cú cha hiro (khong mt vi phn trm theo trng lng) v cú th cha cỏc nguyờn t khỏc vi nng rt thp Nhng c trng ny cng cho thy bn cht ca nhiờn liu Nh chỳng ta thy, s phõn tớch cỏc sn phm cui cựng ch cho ta nhng ch dn v c ch hỡnh thnh tro v cn phi nghiờn cu thc nghim c tin hnh trc tip vựng chỏy a cỏc phn ng húa hc ó tham gia vo quỏ trỡnh hỡnh thnh than Su tm bi: www.daihoc.com.vn 101 Trong tt c cỏc ngn la t chỏy hirocacbon, thc t ngi ta ó phỏt hin s cú mt ca axetilen, poliaxetilen (C2nH2n) cng nh cỏc gc ca axetilen v poliaxetilen Kt qu ca cỏc phn ng to thnh than cú th l nh sau: - Cng hp liờn tc axetilen hay poliaxetilen, tip theo - Cng hp cỏc nguyờn t hiro; cỏc gc axetilen (RA) hay gc poliaxetilen (RPA) b chuyn thnh cỏc poliaxetilen lng ngy cng ln hn trờn mt lng nht nh, cỏc poliaxetilen ny cú th b vũng hoỏ dn n nhng phõn t vũng cú mch nhỏnh vi lng phõn t ớt nht t 100 ữ 600 Nhng phn t ny cũn cú nhiu electron cha cp ụi (ú l cỏc i gc), bi vy chỳng rt hot ng v cú th cng hp thờm vi nhng poliaxetilen khỏc sinh cỏc ht than Quỏ trỡnh cú th c s hoỏ nh sau: H2 + C2H2 C2H C4H3 + C2H2 H2 C6H3 + C2H2 C2nH3 +H +H +H C6H2 + H2 C4H2 + H2 (gốc poliaxetilen) C2nH2 + H2 (poli) axetilen + RA khác RPA khác vòng hoá + poliaxetilen khác, ngng tụ Các hạt tro than Mt s tỏc gi cho rng nhng ion cú mt tuyn la úng mt vai trũ c bn quỏ trỡnh nhõn hoỏ (chuyn t pha khớ ti pha rn) ca than Ngi ta thy rng s cú mt ca cỏc ion kim loi kim th cú tỏc dng kỡm hóm s to thnh than, c bit l ion Ba2+ Cỏc kim loi ny sinh cỏc gc OH v lm tng tng i tc oxi hoỏ than so vi tc ca quỏ trỡnh nhõn hoỏ 6.2 Sn xut axit xianhiric bng s t chỏy Mt ng lớ thuyt y hn v tng hp bng ngn la ú l vic sn xut ng thi axetilen v axit xianhiric bng s t chỏy hn hp giu hirocacbon, amoniac v oxi C ch to thnh axit xianhiric cú th tri qua s hỡnh thnh u tiờn ca nitrosometan, tip theo l s phõn hu ca nú di tỏc dng ca nhit: NH2 CH3 + + NH3 OH + NO O2 + M NH2 + NO H2O + H2O CH3NO + Su tm bi: www.daihoc.com.vn M 102 CH3NO HCN + H2O Chỳ ý rng quỏ trỡnh trờn, mt nhng sn phm u tiờn quỏ trỡnh t chỏy amoniac l nit oxit 6.3 S to thnh nit oxit ngn la Cỏc nit oxit c to thnh quỏ trỡnh chỏy ó thu hỳt cỏc nh nghiờn cu nhng nm gn õy Bi vỡ cỏc nit oxit c sinh gõy nờn s ụ nhim khụng khớ v tớnh c ca chỳng, ng thi nú cũn gõy nờn s n mũn rt ln i vi cỏc kim loi Nit oxit cú mt khớ thi ca s t chỏy cụng nghip (nh ng c, cỏc lũ t núng, lũ sn xut nhit ) Mt phn cỏc nit oxit c sinh t phn ng gia oxi v nit phõn t, chỳng to thnh mt cht trỡ s chỏy, mt khỏc nit oxit c to thnh t s oxi hoỏ nhng nguyờn t nit cú cỏc phn t hu c (piridin, porphyrin, amin) thng cú mt cỏc nhiờn liu Trong trng hp nhiờn liu cú cha cỏc hp cht ca nit, ngi ta ó chng minh rng tc hỡnh thnh t cỏc phõn t cha nit ny nhanh hn rt nhiu tc hỡnh thnh t nit phõn t Vỡ nng lng liờn kt ca nguyờn t nit phõn t N2 l 226,8 kcal/mol, cao hn rt nhiu so vi cỏc liờn kt ca nit vi cỏc nguyờn t khỏc cỏc phõn t hu c nh CN, N=C hay NH Vớ d ngn la hirocacbon/khụng khớ, ngi ta thờm vo ú mt lng rt nh amoniac (vi nghỡn ppm) thỡ vic phõn tớch ch rng amoniac ó b chuyn hoỏ hon ton thnh NO, c nu nng NO cao hn giỏ tr nng ca nú cõn bng nhit ó cho Rừ rng rng, s d NO ny so vi nng cõn bng s bin mt t t phn ng phõn hy ca NO, nhng quỏ trỡnh phõn hu ny l rt chm, cú th khụng hon ton cỏc sn phm chỏy b loi ngoi khụng khớ t iu ny hon ton khỏc ngun to thnh nit oxit l nit phõn t Trong trng hp ny, s thay i nng NO l s cnh tranh ca c ch: - C ch to thnh: N2 + O ZZX N YZZ + NO; (E1 = 75 kcal/mol) (E2 = 0) - C ch phõn hu: N + O2 ZZX O YZZ + NO; (E3 = kcal/mol) (E4 = 39 kcal/mol) Tc bin i nng ca NO (XNO) c biu din bng tng i s ca phn ng c bn m cỏc phn ng v l tc to thnh (Vf) v cỏc phn ng v l cỏc phn ng phõn hu vi tc phõn hu (Vd) ca nit oxit: dX NO = k1X N2 X O + k X N X O2 + k X N X NO + k X O X NO     dt Vf Vd Nh trờn ó núi, tc phõn hu Vd l nh v thng cú th b qua s gn ỳng bc nht, c bit nng NO li nh ú l trng hp ca cỏc ngn la Chỳng ta nhn thy rng tc to thnh NO, Vf c quyt nh bi s hng u tiờn bi Su tm bi: www.daihoc.com.vn 103 vỡ nng lng hot hoỏ ca nú l rt cao so vi nng lng hot hoỏ ca phn ng Bi vy, chỳng ta cú giỏ tr gn ỳng ca tc hỡnh thnh nit oxit t N2 nh sau: dX NO Vf f1 Z2 XN2 XO e1/RT dt Khi nit oxit c hỡnh thnh hn hp tinh khit ca oxi v nit mt nhit cho phn ng cú tc o c thỡ oxi nguyờn t tham gia vo phn ng nh mt tỏc nhõn phn ng bc ch cú th n t phn ng phõn hu oxi phõn t: O2 + M ZZX YZZ O + O (+M) Vỡ nguyờn nhõn ny, õy ngi ta coi rng phn mol ca nguyờn t oxi, XO, l bng giỏ tr cõn bng (XO)e c xỏc nh t hng s cõn bng ca phn ng sau cựng ny: X O = K1/O X1/O22 õy K O = X O2 = (K O2 ) eH/RT X O2 (*) H l nhit hỡnh thnh oxi, bng 116 kcal/mol Khi thay th biu thc ca XO ny vo biu thc ca tc hỡnh thnh Vf ta cú: dX NO Vf f1 Z2 (K O2 )1/O K N2 X N2 X1/O22 e133000/RT dt (**) Phng trỡnh (*) m bo chc ỳng trng hp hn hp chỏy ch cú oxi v nit (hn hp tinh khit) v nú khụng cũn ỳng na cỏc sn phm chỏy i tuyn la, ớt nht trờn mt khong cỏch nht nh ng sau tuyn la Tht vy, cỏc nguyờn t oxi, gc c hỡnh thnh tuyn la (ch yu t bc c bn O2 + H OH + O) cú nng thụng thng rt cao so vi giỏ tr cõn bng v s kt hp li ca cỏc nguyờn t oxi (O + O + M O2 + M) s liờn tc dn phn mol ti giỏ tr cõn bng (XO)e ca nú S kt hp ny xy t t vỡ nú l mt s va chm tam phõn t (O + O + M) T ú rỳt rng biu thc (**) khụng cú giỏ tr cỏc sn phm chỏy vựng tng i gn vi tuyn la Trong tuyn ny, cn phi ý n giỏ tr thc ca XO XO cú th tớnh toỏn c t s phn ng ca tt c cỏc bc c bn lm mt i hay xut hin nguyờn t oxi Mt tớnh toỏn nh th rt phc khụng c trỡnh õy Tuy nhiờn, ta cú th d dng hiu rng s ph thuc ca XO theo nhit s b khng ch bi mt nng lng hot hoỏ tng cng khỏc (thụng thng l nh hn H/2 = 58 kcal/mol), t ú rỳt rng nng lng hot ng hoỏ tng cng ca tc hỡnh thnh nit oxit Vf s khỏc 113 kcal/mol (thụng thng l nh hn) Vic xỏc nh nng lng hot hoỏ tng cng ny cỏc sn phm chỏy ng sau tuyn la hirocacbon l vo khong t 100 ữ 110 kcal/mol i vi cỏc khong cỏch rt nh, sau ú tng lờn t t vi khong cỏch cui cựng t c giỏ tr 133 kcal/mol, tng ng vi iu kin X O = (X O )e Cui cựng, cn bit rng tuyn la v c bit tuyn la giu, s hỡnh thnh nit oxit t nit phõn t c thc hin rt cú th theo mt c ch m nú quyt nh mt tc hỡnh thnh cao hn vựng cỏc sn phm chỏy iu ny ũi hi tuyn la giu mt nng tng i ln cỏc gc hirocacbon (vớ d C2 v CH) cú kh nng lm t góy liờn kt ba NN d dng hn l qua phn ng gia N2 v O Vớ d ta cú phn ng kiu: Su tm bi: www.daihoc.com.vn 104 CH + N2 HCN + N Mt khỏc ó cú nhiu cụng trỡnh nghiờn cu c ch to thnh NO ngn la, xong cũn nhiu im cha rừ rng m nú cú mt vai trũ quan trng cuc u tranh chng ụ nhim mụi trng Tht vy, mt cõu hi c t l: ngn la cú CO v cỏc ht cacbon, vy lm th no cú c mt hiu ng kh NO c hỡnh thnh quỏ trỡnh chỏy 6.4 Sn xut nng lng ng dng quan trng nht ca s chỏy sn xut nng lng l chuyn hoỏ nng lng húa hc thnh cụng c hc, nng lng y hay nhit nng Trong tt c nhng ng dng ny, nng lng nhit cú th l mt mc ớch hay cng cú th l bc trung gian chuyn sang mt dng nng lng khỏc (cụng c hc, sc y, to thnh cỏc ion húa hc lnh vc thu t ng lc hc magnetohydrodynamic) Bi vy, tt c cỏc ng dng ny c bit thỳ v i vi cỏc nhit ng hc ca s chỏy, c bit l nhit t chỏy v nhit cui cựng ca cỏc sn phm chỏy Nu nhit t chỏy l mt yu t tớch cc thỡ nhit cui cựng ca cỏc sn phm chỏy li khụng cn thit: nhit cui cựng cao s t nhng nghiờm trng v sc bn nhit ca vt liu v s ion hoỏ ca cỏc sn phm chỏy Cỏc hin tng truyn nhit (bng i lu hay bng bc x hng ngoi) cng úng mt vai trũ quan trng Trong vic ỏp dng t núng v x lớ nhit mt s vt liu thỡ s truyn nhit ny l iu mong mun; nhng ngc li, cỏc lnh vc ng dng nhm chuyn tip theo nng lng nhit thnh cụng c hc hay nng lng y thỡ s truyn nhit ny khụng cn thit 6.4.1 t chỏy cụng nghip v dõn dng i vi vic t chỏy c thc hin lũ t thỡ cỏc sau õy hay gp phi hng ngy: a) S nhúm la, iu ny thụng thng khụng khú khn b) n nh ngn la khuch tỏn Cú nhiu kh nng khỏc cú th gi n nh ngn la: ta cú th tn dng dng hỡnh hc ca cỏc thit b phun nhiờn liu (khớ hay lng) v dng ca lũ t cng nh cỏc lng tng i ca chuyn ng xuyờn tõm v chuyn ng dc ca cỏc nhiờn liu c a vo lũ c) To dỏng ngn la khuch tỏn ti u húa s truyn nhit v phớa thnh lũ, ý n phn nng lng b truyn i bng phỏt x v i lu Nhng v truyn nng lng bng bc x thỡ vic ti u thụng thng ũi hi phi khng ch sỏng ca ngn la v bi vy phi bit cỏc hin tng v s hỡnh thnh v oxi hoỏ cacbon ngn la Cỏc b) v c) b l thuc rt nhiu vo cỏc thụng s chy ri luụn luụn cú mt trng hp ny nh hng ca s khuch tỏn ri lờn s truyn nhit cú th d dng kho sỏt Cng tng t nh vy nh hng ca nú lờn s n nh ca ngn la v s hỡnh thnh ca hn hp cỏc cht tham gia phn ng Song, nu nh vic nghiờn cu s chuyn ng ca cỏc nhiờn liu lũ l rt tin b thỡ vic nghiờn cu dao ng thng kờ chy Su tm bi: www.daihoc.com.vn 105 ri ch mi bt u v ngi ta cng thy rng nh hng ca s chy ri lờn s to thnh v s chỏy ca cacbon cỏc ngn la khuch tỏn cng gn lin vi nh hng ca nú lờn s to thnh hn hp chỏy d) m bo mt s chỏy cng hon ton cng tt vi lng d khụng khớ ti thiu ú l nhng nguyờn nhõn kinh t nhng cng l yờu cu bt buc phi thc hin trỏnh gõy ụ nhim khụng khớ 6.4.2 Sn xut cụng c hc v y Trong cỏc ng dng c in ca loi ny thỡ s chỏy c thc hin hoc l giỏn on (trong cỏc ng c) hoc l liờn tc (trong cỏc tuabin khớ, tuabin nhiờn liu lng, cỏc ngnh giao thụng ng b, ng hng khụng, ng c phn lc thng, tờn la) a) Cỏc ng c Tựy theo bn cht giỏn on ca s chỏy, s chỏy xut hin mt cỏch tun hon v nhng thi im mong mun S chỏy ú cng hon ton cng tt Trong cỏc ng c xng, s bựng chỏy c c nh mt ni bi tia la in t bugi, nh vy hn hp chỏy chỏy nh s truyn la m iu quan trng nht l tc bựng chỏy Tc bựng chỏy xilanh ca ng c ph thuc vo nhiu tham s m cho ti ngi ta bit khụng nhiu v ny, vỡ vic s dng cỏc phng phỏp o c in cỏc thụng s ng c l c bit khú khn Cũn ng c iezen, hin tng c bn l hin tng t bc chỏy m trc ht l thụng s thi hn t bc chỏy Hin tng ny cũn nhiu phi nghiờn cu vỡ thc t hn hp nhiờn liu v khụng khớ l rt d th, nh vy bờn cnh thi hn húa hc ca s chỏy cũn tn ti thi hn vt lớ ý n hin tng húa hi ca nhiờn liu, s khuch tỏn ca cỏc phõn t nhiờn liu khụng gian xilanh Nh vy, gn nh chc chn rng s bựng chỏy kiu khuch tỏn riờng phn l s chng cht ca hin tng vt lớ - húa hc ca s t bc chỏy Trong c hai loi ng c trờn, cỏc hin tng truyn nhit l rt phc Vớ d, ng c xng, ú l s khỏc gia phn khớ b chỏy v thnh xilanh, gia khớ lm lnh vi thnh ngoi xilanh b) Cỏc ng c vi dũng liờn tc Trong cỏc tuabin khớ v nhiờn liu lng, cỏc c t l s bc chỏy, s n nh ca ngn la v trc tiờn l s truyn nhit ngoi thnh v cỏnh ca tuabin trỏnh nhng bt tin nhit cao ca ngn la, ngi ta bt buc phi lm lnh thnh ca bung t nhiờn liu bng cỏc mng khụng khớ lm lnh; i vi cỏc cỏnh ca mỏy nộn, ngi ta lm gim nhit ca cỏc sn phm chỏy bng cỏch tiờm vo ú mt lng nht nh khụng khớ trc chỳng n trờn cỏnh mỏy nộn gii quyt ny ngi ta phi s dng cỏc vt liu cc bn c) Cỏc ng c phn lc thng Trong cỏc ng dng ny, cỏc v n nh s chỏy, truyn nhit, sc bn vt liu l nhng khú khn cn phi gii quyt Su tm bi: www.daihoc.com.vn 106 6.4.3 Vn an ton s chỏy a) Chng chỏy Trong lnh vc an ton, ho hon l mt hin tng chỏy nhanh khụng mong mun xy ti mt ni c nh khụng gian Tựy theo tng trng hp, ú l s chỏy ca cỏc vt liu hay cỏc khớ chỏy thoỏt t l rũ r hay mt lp nhiờn liu lng Trong tt c cỏc trng hp, ú l nhng ngn la m tc truyn b khng ch bi cỏc hin tng bay hi, phõn hy nhit, s khuch tỏn ngn nga cỏc hin tng ny, thng ngi ta dựng cỏc vt liu bn khụng chỏy hay dựng cỏc cht kỡm hóm s chỏy nh cỏc mui halogen Vic u tranh tớch cc chng li hon cú th dựng nhiu k thut khỏc nhau: - Gim nhit ca vt ang chỏy - Thờm mt lng ln cht pha loóng (vớ d khớ CO2) vo hn hp chỏy - S dng bt phõn cỏch nhiờn liu khụng khớ b) Chng n Vic u tranh ngn nga chng li s n cú mt tm quan trng rt to ln bi vỡ ú l kh nng nht chng li s n Vic ngn nga cú th cú nhiu dng khỏc nh: - Phỏt hin nhng hn hp cú th chỏy - Phỏ b cỏc ngun cú th gõy chỏy cỏc vựng cú cỏc hn hp cú kh nng bc chỏy khụng th trỏnh c Cỏc ngun ú l cỏc tia la in, cỏc cht rn cú nhit cao hn nhit t bc chỏy ca hn hp chỏy - Phỏt hin s bựng chỏy Ngi ta cú th dựng cỏc thit b phỏt hin súng (mỏy nhy vi cỏc súng ỏp sut phỏt bi tia la ang tng tc) hay mỏy phỏt hin nhy vi cỏc tia t ngoi ca ngn la - Phỏt hin mt s bi cú th chỏy th huyn phự vi khụng khớ Trong thc t sn xut cú mt s bi nhiờn liu cú th hỡnh thnh cỏc huyn phự vi khụng khớ v t ti gii hn nng cú th chỏy c d dng cú nhng ngun nng lng kớch thớch Vic nghiờn cu c bn ca cỏc hin tng bc chỏy kiu ny mi ch bt u, nhng iu quan trng l phi loi c ngun gc ca s n ny Trong nhiu trng hp, ngi ta phỏt hin s bựng chỏy sm cú th dp tt c chỳng Trong mc ớch ny, cỏc mỏy phỏt hin hot ng mt khong cỏch m cỏc thit b dp la c t ỳng trờn ng i ca ngn la Tựy tng trng hp cú th l mt lp bt c tri tc thi ngn la hoc l mt khớ tr thoỏt t chai dp tt ỏm chỏy Trong mt s trng hp khỏc, ngi ta cú th dựng mỏy dp la cn tr s truyn chỏy v cỏc vựng cha chỏy Su tm bi: www.daihoc.com.vn