Việc định nghĩa các đơn vị và thảo luận về nhiệt trị và nhiệt trị thơ đã được trình bày ở chương 1. Ở đây chỉ trình bày phương pháp qua đó xác định được nhiệt trị. Những giá trị về nhiệt trị có thể được chia thành những phần dựa trên cơ sở những tính tốn từ các giá trị riêng biệt đã biết của các cấu tử và những phần thu được qua việc xác định trực tiếp trên các máy đo thích hợp.
Nhiệt trị theo tính tốn
Đối với than, nhiệt trị có thể được tính tốn trên cơ sở của các nguyên tố hay trên các cấu tử gần đúng. Đối với dầu, việc tính tốn được dựa trên cơ sở các nguyên tố thành phần và đối với khí trên cơ sở các giá trị của các cấu tử khí riêng biệt có thể cháy.
Trong việc tính tốn dựa trên cơ sở thành phần nguyên tố của than, người ta cho rằng các nguyên tố có cùng nhiệt trị như chúng có ở trạng thái tự do và oxi có mặt kết hợp với đương lượng hiđro thành nước. Tương tự, người ta cũng cho rằng nhiệt cũng không bị hấp
thụ hay toả ra để giải phóng các nguyên tử để chúng tham gia vào phản ứng cháy với oxi. Tuy các giả thiết trên là rất thô thiển, song trong thực tế các giá trị tính tốn được, trong đại đa số các trường hợp, là phù hợp với các kết quả đo.
Cơng thức của Dulong dùng để tính tốn nhiệt trị là: NT thô =
100 1
[8080 C + 34.400 (H − O
8 )] cal/g
Ở đây C, H và O là phần trăm theo trọng lượng của các nguyên tố tương ứng. Nếu người ta cho rằng oxi trong thành phần nhiên liệu kết hợp hoàn toàn với hiđro, thì lượng dư hiđro có thể kết hợp là: H - O/8. Cũng tương tự, hàm lượng nitơ của than là không bao giờ lớn hơn 1% và điều này có thể đưa vào trong cơng thức trên và ta thu được:
NT thô = 1 100 H (O N 1) 8080 C + 34.400 22206 8 ⎡ ⎛ − + − + ⎞⎤ ⎜ ⎟ ⎢ ⎝ ⎠⎥ ⎣ ⎦ cal/g
Grunull và Davies đã thu được những giá trị nhiệt trị của nhiều than khi dùng cơng thức dựa trên cơ sở lí thuyết Berther: nhiệt giải phóng ra từ một nhiên liệu tỉ lệ với thể tích của khơng khí cần thiết cho sự cháy, nghĩa là:
QS = k . VC
trong đó: QS là lượng nhiệt; VC là thể tích khơng khí; k là hằng số thực nghiệm. Và nhiệt trị thơ (NT) có thể tính theo cơng thức:
NT thô = (3,635 H + 259,9) C H (O S) 3 8 − − ⎛ + ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠cal/g
Đối với các nhiên liệu lỏng, dầu, trong đó khơng kể đến ảnh hưởng của tro thì cơng thức trên cũng cho phép tính tốn nhiệt trị khá chính xác. Việc tính tốn nhiệt trị có một số ứng dụng khi so sánh thành phần của các than tương tự và cho phép chọn với độ chính xác của phép phân tích, nhưng khơng bao giờ được phép lấy các giá trị tính tốn được thay thế cho các giá trị xác định bằng các phép đo thực nghiệm.
Phương pháp nhiệt lượng kế
Nguyên lí chung của tất cả các nhiệt lượng kế là chuyển tất cả nhiệt đốt cháy của một lượng đã biết nhiên liệu cho một lượng nước xác định, từ sự tăng nhiệt độ của nước người ta tính được nhiệt trị của nhiên liệu. Trong thí nghiệm khơng phải chỉ nước tăng nhiệt độ mà toàn bộ máy đo tiếp xúc với nó cũng tăng nhiệt độ. Do đó, cần phải biết nhiệt độ đã dùng cho sự đốt nóng này và được đo như là nước. Nước này được gọi là nước tương đương của máy và cần phải được xác định chính xác.
Để xác định trực tiếp nhiệt trị của nhiên liệu thì một số các điều kiện cơ bản cần phải thoả mãn để đo được chính xác:
- Sự cháy phải hoàn toàn nghĩa là khơng có khói, khơng tạo thành CO. - Khơng thấy các khí hiđrocacbon chưa cháy hết thốt ra.
- Khơng có cacbon chưa bị cháy và bất kì phép xác định các vết than cần được loại ra. Thậm chí nếu vết than này có ở trong chén nung thì cũng khơng tốt để xác định
lượng cacbon đó và làm hiệu chỉnh từ giá trị đã biết đối với cacbon. Vì lượng cacbon này có thể dẫn tới sự cháy khơng hồn tồn khơng dự định được.
- Nhiệt phải truyền hoàn toàn cho nước, đối với các lượng nhiệt mất đi trong khi xác định cần phải được hiệu chỉnh.
- Sự tăng nhiệt độ của nước phải được xác định chính xác, vì khối lượng nhiên liệu sử dụng là rất nhỏ so với lượng nước phải đốt nóng.
Các nhiệt lượng kế có thể được phân thành 3 loại:
1. Sự cháy được thực hiện bằng hỗn hợp của nhiên liệu với 1 tác nhân oxi hoá rắn như KNO3, KClO3 hoặc với Na2O2.
2. Sự cháy được thực hiện bằng oxi ở áp suất khí quyển.
3. Sự cháy được thực hiện bằng oxi ở áp suất cao (phương pháp nhiệt lượng kế bom Berthelot - Mahler).
Trong thực tế, người ta hay dùng loại 3. Hình 9 trình bày sơ đồ của một nhiệt lượng kế bom và các thiết bị xác định hồn chỉnh.
Hình 9.
Sơ đồ nhiệt lượng kế bom
Nhiệt trị được xác định trong thí nghiệm này là nhiệt trị thơ, được biểu thị theo độ calori dưới các điều kiện thể tích khơng đổi. 1 calori (cal) là lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ của 1 gam nước từ 14,5°C lên 15,5°C và bằng 4,1855 Jun.
Cách làm:
Khoảng 1 gam nhiên liệu được đưa vào chén nung và đem cân chính xác để biết lượng nhiên liệu. Đối với nhiên liệu rắn thì phải xác định đồng thời độ ẩm.
Một mẩu dây điện đốt nóng được kéo qua hai đầu bên trong máy (hình 9) và một miếng bơng được buộc vào dây đốt nóng, cịn đầu kia nhúng vào nhiên liệu. Cho 2 ml nước vào đáy bom và đậy nắp toàn bộ hệ thống. Bom được làm đầy bằng oxi đến áp suất 25 at.
Sau đó bình nhiệt lượng kế được nạp một lượng nước đã được cân trước đủ để phủ toàn bộ nắp đậy (hình 9) và cho chạy máy khuấy. Nước phải giữ ở nhiệt độ phòng để hiệu chỉnh “lạnh” sẽ càng nhỏ càng tốt.
Sau 5 phút đọc nhiệt độ (sai lệch 0,001°) và tiếp tục đọc trong 15 phút. Gõ nhẹ vào nhiệt lượng kế xem mức thuỷ ngân có gì thay đổi khơng. Nếu sau 5 phút, tốc độ lên xuống của nhiệt kế không thay đổi thì đóng mạch điện để đốt cháy nhiên liệu và tiếp tục đọc nhiệt độ trong 5 phút sau khi nhiệt độ cực đại đạt được và nhiệt độ giảm xuống với một tốc độ không đổi.
Sau đó bom được lấy ra khỏi nhiệt lượng kế, để yên trong 30 phút để cho các axit ổn định và áp suất được xả ra qua van. Khi mở nắp nhiệt lượng kế, chén nung phải được kiểm tra dấu hiệu có cacbon. Nếu có cacbon thì kết quả bị loại bỏ. Bom và chén nung được tráng bằng nước cất và được rửa nếu như muốn xác định hàm lượng lưu huỳnh.
Trong trường hợp nhiên liệu là than antraxit hay cốc, để tránh sự cháy khơng hồn toàn người ta thường đặt 1 lớp mỏng SiO2 tinh khiết hay Al2O3 dạng hạt nhỏ ở đáy chén nung. Nếu than có hàm lượng tro cao hay tro nóng chảy cũng áp dụng cách làm này.
Hiệu chỉnh
Những dữ kiện thu được cần phải được hiệu chỉnh đối với việc làm lạnh trong quá trình đo, đối với nhiệt đốt cháy của dây bông và đối với nhiệt hình thành axit H2SO4 và HNO3.
Việc hiệu chỉnh axit được thực hiện bằng phép chuẩn độ nước rửa bom bằng kiềm. 50 ml dung dịch Na2CO3 0,1N được thêm vào nước rửa, dung dịch được đun sơi cịn 10 ml, sau đó pha lỗng và lọc, rửa. Khi dung dịch thu được nguội lạnh, thì nước lọc được chuẩn độ bằng axit HCl 0,1N với chỉ thị là metyl da cam. Hiệu số giữa 2 lần chuẩn độ này cho ta độ axit tổng cộng (50 − T) và từ giá trị độ axit tổng trừ đi độ axit H2SO4 (được xác định bằng phương pháp kết tủa BaSO4) ta được độ axit HNO3 (dạng HNO3 0,1N).
Vì 1 ml H2SO4 0,1N tương đương với 0,0016 gam lưu huỳnh nên độ axit HNO3 trở nên:
(50 − T) = = n ml HNO3 0,1N Việc rút ra dưới dạng calo thực hiện theo cách sau:
- Hiệu chỉnh HNO3 n × 1,43
- Hiệu chỉnh H2SO4 S(%) × 22,5
Hiệu chỉnh lạnh
Nhiều hệ thống hiệu chỉnh đã được đưa ra, nhưng bình thường, người ta rút ra một phương pháp hiệu chỉnh thuận tiện đó là phương pháp tra bảng đã có sẵn.
Dưới đây là cơng thức hiệu chỉnh của Regnanlt - Pfaundler: S trong lượng than
Hiệu chỉnh lạnh = n.v + n 1 o n n (v' v) 1 t (t t ) nt (t' t) 2 − − ⎧ + − − ⎫ ⎨ ⎬ − ⎩∑ ⎭ = n.v + kT
với: n - số phút trong giai đoạn chủ yếu, thường thường là 5. v - tốc độ giảm nhiệt độ trong 1 phút trong giai đoạn sơ bộ. v’ - tốc độ trong giai đoạn sau.
t, t’ - nhiệt độ trung bình trong các giai đoạn sơ bộ và giai đoạn sau.
n 1 n
t
−
∑ - tổng số lần đọc trong giai đoạn chính.
o n
1
(t t )
2 − - trung bình cộng của thời gian bốc cháy to và thời gian đầu sau đó tốc độ biến đổi là khơng đổi.
(v' v) (t ' t)
−
− - là “hằng số lạnh” của nhiệt lượng kế, hằng số này < 0,0025.
Mặc dù công thức hiệu chỉnh khá phức tạp, song việc dùng thí nghiệm trắng với độ sai lệch chấp nhận được cho các cách đọc khác nhau làm cho việc dùng công thức này thuận tiện và nhanh.
Xác định nước tương đương
Trong biểu thức ở trên có chứa 1 yếu tố “hàm lượng nước tương đương” cần phải xác định chính xác. Có một số phương pháp xác định nước tương đương:
- Tính tốn: dựa trên trọng lượng và nhiệt dung riêng của các bộ phận của thiết bị. Phương pháp này cho kết quả gần đúng.
- Xác định trực tiếp bằng thực nghiệm: Việc xác định trực tiếp nhiệt dung riêng bằng cách đo sự tăng lên của nhiệt độ khi đưa vào một lượng nhiệt đã biết (bằng cách dùng điện trở) là chính xác nhất. Tuy nhiên, phương pháp này thu được các kết quả thoả đáng khi nhiên liệu cần phải xác định nhiệt trị được hiệu chỉnh bằng cách đốt cháy một lượng thích hợp một chất hữu cơ có nhiệt trị đã biết. Thơng thường, người ta lấy axit benzoic làm chuẩn để so sánh. Nhiệt trị của axit benzoic là 6324,15 cal/g (hay 26469,73 J/g).
- Đối với các nhiên liệu lỏng và khí, về nguyên tắc chung người ta cũng có thể xác định nhiệt trị của chúng theo các nguyên tắc như đã trình bày ở trên. Song với các loại nhiên liệu này cũng có các phương pháp riêng gọi là nhiệt lượng kế dùng cho nhiên liệu lỏng và nhiệt lượng kế cho dùng cho nhiên liệu khí.
Chương 5
Cơ sở vật lí và hóa học của sự cháy