IChO 1968 · Theory problem 3
Combustion of blast-furnace gas
The gas escaping from a blast furnace has the following composition:
| 12.0 volume % of \(\ce{CO2}\) | 28.0 volume % of \(\ce{CO}\) |
| 3.0 volume % of \(\ce{H2}\) | 0.6 volume % of \(\ce{CH4}\) |
| 0.2 volume % of \(\ce{C2H4}\) | 56.2 volume % of \(\ce{N2}\) |
Problems:
3.1 Calculate the theoretical consumption of air (in \(\mathrm{m^3}\)) which is necessary for a total combustion of \(200\ \mathrm{m^3}\) of the above gas if both the gas and air are measured at the same temperature. (Oxygen content in the air is about 20 % by volume).
3.2 Determine the composition of combustion products if the gas is burned in a 20 % excess of air.
Official English text of the problem.
Answers
- 3.1: The theoretical air requirement is \(\boxed{173\ \mathrm{m^3}}\).
- 3.2: With 20% excess air, the product compositions are approximately:
| Product: name, formula, SMILES | Wet basis (volume %) | Dry basis (volume %) |
|---|---|---|
Carbon dioxide, \(\ce{CO2}\), O=C=O |
21.8 | 22.3 |
Water, \(\ce{H2O}\), O |
2.4 | Removed |
Oxygen, \(\ce{O2}\), O=O |
1.8 | 1.9 |
Nitrogen, \(\ce{N2}\), N#N |
74.0 | 75.8 |
The wet composition assumes all water remains as vapour; the dry composition excludes water.
Solution
3.1
At the same temperature and pressure, ideal-gas volumes are proportional to amounts in moles. Thus, balanced equations also give the reacting gas-volume ratios.
The combustible constituents are carbon monoxide (\(\ce{CO}\), [C-]#[O+]), hydrogen (\(\ce{H2}\), [H][H]), methane (\(\ce{CH4}\), C), and ethene (\(\ce{C2H4}\), C=C). Their complete combustion reactions are:
\[ \ce{2CO + O2 -> 2CO2} \]
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]
\[ \ce{C2H4 + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O} \]
The carbon dioxide already present requires no oxygen, and nitrogen is treated as inert.
For \(200\ \mathrm{m^3}\) of blast-furnace gas:
| Combustible gas | Initial volume (\(\mathrm{m^3}\)) | Oxygen required per unit gas volume | Required oxygen (\(\mathrm{m^3}\)) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{CO}\) | \(200(0.280)=56.0\) | \(1/2\) | 28.0 |
| \(\ce{H2}\) | \(200(0.030)=6.0\) | \(1/2\) | 3.0 |
| \(\ce{CH4}\) | \(200(0.006)=1.2\) | 2 | 2.4 |
| \(\ce{C2H4}\) | \(200(0.002)=0.4\) | 3 | 1.2 |
Hence,
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{required}} =28.0+3.0+2.4+1.2 =34.6\ \mathrm{m^3}. \]
Since air contains 20% oxygen by volume,
\[ \boxed{ V_{\mathrm{air,theoretical}} =\frac{34.6}{0.20} =173\ \mathrm{m^3} }. \]
3.2
A 20% excess means supplying 1.20 times the theoretical air requirement:
\[ V_{\mathrm{air,supplied}} =1.20(173)=207.6\ \mathrm{m^3}. \]
Taking the remaining 80% of air as nitrogen, this supplies
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{supplied}} =0.20(207.6)=41.52\ \mathrm{m^3}, \]
\[ V_{\ce{N2},\mathrm{air}} =0.80(207.6)=166.08\ \mathrm{m^3}. \]
All following product volumes are expressed at the same reference temperature and pressure, with water treated as vapour.
Carbon dioxide consists of the original carbon dioxide plus that formed from carbon monoxide, methane, and ethene:
\[ \begin{aligned} V_{\ce{CO2}} &=200(0.120)+56.0+1.2+2(0.4)\\ &=\boxed{82.0\ \mathrm{m^3}}. \end{aligned} \]
Water is formed from hydrogen, methane, and ethene:
\[ V_{\ce{H2O}} =6.0+2(1.2)+2(0.4) =\boxed{9.2\ \mathrm{m^3}}. \]
The unconsumed oxygen is
\[ V_{\ce{O2}} =41.52-34.6 =\boxed{6.92\ \mathrm{m^3}}. \]
Nitrogen comes from both the fuel gas and the supplied air:
\[ V_{\ce{N2}} =200(0.562)+166.08 =\boxed{278.48\ \mathrm{m^3}}. \]
Thus, the total wet product volume is
\[ V_{\mathrm{wet}} =82.0+9.2+6.92+278.48 =376.6\ \mathrm{m^3}. \]
Each wet volume percentage is calculated from
\[ \text{Volume percentage of species }i =\frac{V_i}{376.6\ \mathrm{m^3}}\times100\%. \]
For example,
\[ \text{Wet }\ce{CO2}\text{ percentage} =\frac{82.0}{376.6}\times100\% \approx21.8\%. \]
For the dry composition, exclude the water:
\[ V_{\mathrm{dry}} =376.6-9.2 =367.4\ \mathrm{m^3}. \]
Dividing the volumes of carbon dioxide, oxygen, and nitrogen by \(367.4\ \mathrm{m^3}\) gives the dry percentages reported above.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1968 · Theorieaufgabe 3
Verbrennung von Gichtgas
Das aus einem Hochofen austretende Gas hat folgende Zusammensetzung:
| 12.0 Volumen-% \(\ce{CO2}\) | 28.0 Volumen-% \(\ce{CO}\) |
| 3.0 Volumen-% \(\ce{H2}\) | 0.6 Volumen-% \(\ce{CH4}\) |
| 0.2 Volumen-% \(\ce{C2H4}\) | 56.2 Volumen-% \(\ce{N2}\) |
Aufgaben:
3.1 Berechnen Sie den theoretischen Luftbedarf (in \(\mathrm{m^3}\)), der für die vollständige Verbrennung von \(200\ \mathrm{m^3}\) des oben genannten Gases erforderlich ist, wenn sowohl das Gas als auch die Luft bei derselben Temperatur gemessen werden. (Der Sauerstoffgehalt der Luft beträgt etwa 20 Volumen-%).
3.2 Bestimmen Sie die Zusammensetzung der Verbrennungsprodukte, wenn das Gas mit einem Luftüberschuss von 20 % verbrannt wird.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 3.1: Der theoretische Luftbedarf beträgt \(\boxed{173\ \mathrm{m^3}}\).
- 3.2: Bei einem Luftüberschuss von 20 % ergeben sich näherungsweise folgende Zusammensetzungen der Verbrennungsprodukte:
| Produkt: Name, Formel, SMILES | Feuchtbasis (Volumen-%) | Trockenbasis (Volumen-%) |
|---|---|---|
Kohlenstoffdioxid, \(\ce{CO2}\), O=C=O |
21.8 | 22.3 |
Wasser, \(\ce{H2O}\), O |
2.4 | Entfernt |
Sauerstoff, \(\ce{O2}\), O=O |
1.8 | 1.9 |
Stickstoff, \(\ce{N2}\), N#N |
74.0 | 75.8 |
Die Zusammensetzung auf Feuchtbasis setzt voraus, dass das gesamte Wasser als Dampf vorliegt; die Zusammensetzung auf Trockenbasis schließt Wasser aus.
Lösung
3.1
Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck sind die Volumina idealer Gase proportional zu ihren Stoffmengen. Daher geben ausgeglichene Reaktionsgleichungen auch die Volumenverhältnisse der reagierenden Gase an.
Die brennbaren Bestandteile sind Kohlenstoffmonoxid (\(\ce{CO}\), [C-]#[O+]), Wasserstoff (\(\ce{H2}\), [H][H]), Methan (\(\ce{CH4}\), C) und Ethen (\(\ce{C2H4}\), C=C). Die Reaktionen ihrer vollständigen Verbrennung lauten:
\[ \ce{2CO + O2 -> 2CO2} \]
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]
\[ \ce{C2H4 + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O} \]
Das bereits vorhandene Kohlenstoffdioxid benötigt keinen Sauerstoff, und Stickstoff wird als inert betrachtet.
Für \(200\ \mathrm{m^3}\) Gichtgas:
| Brennbares Gas | Anfangsvolumen (\(\mathrm{m^3}\)) | Sauerstoffbedarf je Volumeneinheit Gas | Benötigter Sauerstoff (\(\mathrm{m^3}\)) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{CO}\) | \(200(0.280)=56.0\) | \(1/2\) | 28.0 |
| \(\ce{H2}\) | \(200(0.030)=6.0\) | \(1/2\) | 3.0 |
| \(\ce{CH4}\) | \(200(0.006)=1.2\) | 2 | 2.4 |
| \(\ce{C2H4}\) | \(200(0.002)=0.4\) | 3 | 1.2 |
Damit gilt:
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{required}} =28.0+3.0+2.4+1.2 =34.6\ \mathrm{m^3}. \]
Da Luft 20 Volumen-% Sauerstoff enthält, gilt:
\[ \boxed{ V_{\mathrm{air,theoretical}} =\frac{34.6}{0.20} =173\ \mathrm{m^3} }. \]
3.2
Ein Überschuss von 20 % bedeutet, dass das 1.20-Fache des theoretischen Luftbedarfs zugeführt wird:
\[ V_{\mathrm{air,supplied}} =1.20(173)=207.6\ \mathrm{m^3}. \]
Unter der Annahme, dass die übrigen 80 % der Luft aus Stickstoff bestehen, werden damit folgende Volumina zugeführt:
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{supplied}} =0.20(207.6)=41.52\ \mathrm{m^3}, \]
\[ V_{\ce{N2},\mathrm{air}} =0.80(207.6)=166.08\ \mathrm{m^3}. \]
Alle folgenden Produktvolumina beziehen sich auf dieselbe Referenztemperatur und denselben Referenzdruck, wobei Wasser als Dampf betrachtet wird.
Das Kohlenstoffdioxid setzt sich aus dem ursprünglich vorhandenen Kohlenstoffdioxid und dem aus Kohlenstoffmonoxid, Methan und Ethen gebildeten Kohlenstoffdioxid zusammen:
\[ \begin{aligned} V_{\ce{CO2}} &=200(0.120)+56.0+1.2+2(0.4)\\ &=\boxed{82.0\ \mathrm{m^3}}. \end{aligned} \]
Wasser entsteht aus Wasserstoff, Methan und Ethen:
\[ V_{\ce{H2O}} =6.0+2(1.2)+2(0.4) =\boxed{9.2\ \mathrm{m^3}}. \]
Das Volumen des nicht verbrauchten Sauerstoffs beträgt:
\[ V_{\ce{O2}} =41.52-34.6 =\boxed{6.92\ \mathrm{m^3}}. \]
Stickstoff stammt sowohl aus dem Brenngas als auch aus der zugeführten Luft:
\[ V_{\ce{N2}} =200(0.562)+166.08 =\boxed{278.48\ \mathrm{m^3}}. \]
Somit beträgt das gesamte Produktvolumen auf Feuchtbasis:
\[ V_{\mathrm{wet}} =82.0+9.2+6.92+278.48 =376.6\ \mathrm{m^3}. \]
Der jeweilige Volumenanteil auf Feuchtbasis wird in Prozent wie folgt berechnet:
\[ \text{Volumenanteil der Spezies }i =\frac{V_i}{376.6\ \mathrm{m^3}}\times100\%. \]
Zum Beispiel:
\[ \text{Volumenanteil von }\ce{CO2}\text{ auf Feuchtbasis} =\frac{82.0}{376.6}\times100\% \approx21.8\%. \]
Für die Zusammensetzung auf Trockenbasis wird das Wasser ausgeschlossen:
\[ V_{\mathrm{dry}} =376.6-9.2 =367.4\ \mathrm{m^3}. \]
Durch Division der Volumina von Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Stickstoff durch \(367.4\ \mathrm{m^3}\) ergeben sich die oben angegebenen Prozentwerte auf Trockenbasis.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1968 · Teori sorusu 3
Yüksek fırın gazının yanması
Bir yüksek fırından çıkan gazın bileşimi aşağıdaki gibidir:
| Hacimce % 12.0 \(\ce{CO2}\) | Hacimce % 28.0 \(\ce{CO}\) |
| Hacimce % 3.0 \(\ce{H2}\) | Hacimce % 0.6 \(\ce{CH4}\) |
| Hacimce % 0.2 \(\ce{C2H4}\) | Hacimce % 56.2 \(\ce{N2}\) |
Sorular:
3.1 Yukarıdaki gazın \(200\ \mathrm{m^3}\) hacmindeki miktarının tam yanması için gerekli teorik hava tüketimini (\(\mathrm{m^3}\) cinsinden), gaz ve havanın aynı sıcaklıkta ölçüldüğü durumda hesaplayınız. (Havanın oksijen içeriği hacimce yaklaşık % 20'dir).
3.2 Gaz % 20 fazla hava ile yakıldığında yanma ürünlerinin bileşimini belirleyiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 3.1: Teorik hava gereksinimi \(\boxed{173\ \mathrm{m^3}}\) olur.
- 3.2: %20 fazla hava kullanıldığında ürün bileşimleri yaklaşık olarak şöyledir:
| Ürün: adı, formülü, SMILES | Yaş bazda (hacimce %) | Kuru bazda (hacimce %) |
|---|---|---|
Karbon dioksit, \(\ce{CO2}\), O=C=O |
21.8 | 22.3 |
Su, \(\ce{H2O}\), O |
2.4 | Uzaklaştırılmış |
Oksijen, \(\ce{O2}\), O=O |
1.8 | 1.9 |
Azot, \(\ce{N2}\), N#N |
74.0 | 75.8 |
Yaş bazdaki bileşim, suyun tamamının buhar hâlinde kaldığı varsayımına dayanır; kuru bazdaki bileşim suyu içermez.
Çözüm
3.1
Aynı sıcaklık ve basınçta ideal gazların hacimleri, mol cinsinden madde miktarlarıyla orantılıdır. Bu nedenle, denkleştirilmiş tepkime denklemleri tepkimeye giren gazların hacim oranlarını da verir.
Yanıcı bileşenler karbon monoksit (\(\ce{CO}\), [C-]#[O+]), hidrojen (\(\ce{H2}\), [H][H]), metan (\(\ce{CH4}\), C) ve etendir (\(\ce{C2H4}\), C=C). Bunların tam yanma tepkimeleri şöyledir:
\[ \ce{2CO + O2 -> 2CO2} \]
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]
\[ \ce{C2H4 + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O} \]
Gazda başlangıçta bulunan karbon dioksit oksijen gerektirmez ve azot inert kabul edilir.
\(200\ \mathrm{m^3}\) yüksek fırın gazı için:
| Yanıcı gaz | Başlangıç hacmi (\(\mathrm{m^3}\)) | Birim gaz hacmi başına gereken oksijen | Gereken oksijen (\(\mathrm{m^3}\)) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{CO}\) | \(200(0.280)=56.0\) | \(1/2\) | 28.0 |
| \(\ce{H2}\) | \(200(0.030)=6.0\) | \(1/2\) | 3.0 |
| \(\ce{CH4}\) | \(200(0.006)=1.2\) | 2 | 2.4 |
| \(\ce{C2H4}\) | \(200(0.002)=0.4\) | 3 | 1.2 |
Dolayısıyla,
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{required}} =28.0+3.0+2.4+1.2 =34.6\ \mathrm{m^3}. \]
Hava hacimce %20 oksijen içerdiğinden,
\[ \boxed{ V_{\mathrm{air,theoretical}} =\frac{34.6}{0.20} =173\ \mathrm{m^3} }. \]
3.2
%20 fazla hava, teorik hava gereksiniminin 1.20 katının verilmesi anlamına gelir:
\[ V_{\mathrm{air,supplied}} =1.20(173)=207.6\ \mathrm{m^3}. \]
Havanın kalan %80'ini azot kabul edersek, bu hava ile sağlanan miktarlar şöyledir:
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{supplied}} =0.20(207.6)=41.52\ \mathrm{m^3}, \]
\[ V_{\ce{N2},\mathrm{air}} =0.80(207.6)=166.08\ \mathrm{m^3}. \]
Aşağıdaki tüm ürün hacimleri, su buhar hâlinde kabul edilerek aynı referans sıcaklık ve basıncında ifade edilmiştir.
Karbon dioksit, başlangıçta bulunan karbon dioksit ile karbon monoksit, metan ve etenden oluşan karbon dioksitin toplamından oluşur:
\[ \begin{aligned} V_{\ce{CO2}} &=200(0.120)+56.0+1.2+2(0.4)\\ &=\boxed{82.0\ \mathrm{m^3}}. \end{aligned} \]
Su, hidrojen, metan ve etenden oluşur:
\[ V_{\ce{H2O}} =6.0+2(1.2)+2(0.4) =\boxed{9.2\ \mathrm{m^3}}. \]
Tüketilmeden kalan oksijen miktarı şöyledir:
\[ V_{\ce{O2}} =41.52-34.6 =\boxed{6.92\ \mathrm{m^3}}. \]
Azot hem yakıt gazından hem de verilen havadan gelir:
\[ V_{\ce{N2}} =200(0.562)+166.08 =\boxed{278.48\ \mathrm{m^3}}. \]
Böylece, yaş bazda toplam ürün hacmi şöyledir:
\[ V_{\mathrm{wet}} =82.0+9.2+6.92+278.48 =376.6\ \mathrm{m^3}. \]
Yaş bazdaki her bir hacim yüzdesi aşağıdaki bağıntıdan hesaplanır:
\[ \text{Hacim yüzdesi, tür }i =\frac{V_i}{376.6\ \mathrm{m^3}}\times100\%. \]
Örneğin,
\[ \text{Yaş bazda }\ce{CO2}\text{ yüzdesi} =\frac{82.0}{376.6}\times100\% \approx21.8\%. \]
Kuru bazdaki bileşim için suyu hariç tutarız:
\[ V_{\mathrm{dry}} =376.6-9.2 =367.4\ \mathrm{m^3}. \]
Karbon dioksit, oksijen ve azot hacimlerinin \(367.4\ \mathrm{m^3}\) değerine bölünmesiyle yukarıda belirtilen kuru bazdaki yüzdeler elde edilir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1968 · Problema teórico 3
Combustión del gas de alto horno
El gas que sale de un alto horno tiene la siguiente composición:
| 12.0 % en volumen de \(\ce{CO2}\) | 28.0 % en volumen de \(\ce{CO}\) |
| 3.0 % en volumen de \(\ce{H2}\) | 0.6 % en volumen de \(\ce{CH4}\) |
| 0.2 % en volumen de \(\ce{C2H4}\) | 56.2 % en volumen de \(\ce{N2}\) |
Problemas:
3.1 Calcule el consumo teórico de aire (en \(\mathrm{m^3}\)) necesario para la combustión completa de \(200\ \mathrm{m^3}\) del gas anterior si tanto el gas como el aire se miden a la misma temperatura. (El contenido de oxígeno en el aire es aproximadamente del 20 % en volumen).
3.2 Determine la composición de los productos de combustión si el gas se quema con un exceso de aire del 20 %.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 3.1: El volumen teórico de aire necesario es \(\boxed{173\ \mathrm{m^3}}\).
- 3.2: Con un exceso de aire del 20%, las composiciones de los productos son aproximadamente:
| Producto: nombre, fórmula, SMILES | Base húmeda (% en volumen) | Base seca (% en volumen) |
|---|---|---|
Dióxido de carbono, \(\ce{CO2}\), O=C=O |
21.8 | 22.3 |
Agua, \(\ce{H2O}\), O |
2.4 | Eliminada |
Oxígeno, \(\ce{O2}\), O=O |
1.8 | 1.9 |
Nitrógeno, \(\ce{N2}\), N#N |
74.0 | 75.8 |
La composición en base húmeda supone que toda el agua permanece en forma de vapor; la composición en base seca excluye el agua.
Solución
3.1
A la misma temperatura y presión, los volúmenes de los gases ideales son proporcionales a las cantidades de sustancia en moles. Por tanto, las ecuaciones ajustadas también proporcionan las relaciones entre los volúmenes de los gases que reaccionan.
Los componentes combustibles son el monóxido de carbono (\(\ce{CO}\), [C-]#[O+]), el hidrógeno (\(\ce{H2}\), [H][H]), el metano (\(\ce{CH4}\), C) y el eteno (\(\ce{C2H4}\), C=C). Sus reacciones de combustión completa son:
\[ \ce{2CO + O2 -> 2CO2} \]
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]
\[ \ce{C2H4 + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O} \]
El dióxido de carbono ya presente no requiere oxígeno, y el nitrógeno se considera inerte.
Para \(200\ \mathrm{m^3}\) de gas de alto horno:
| Gas combustible | Volumen inicial (\(\mathrm{m^3}\)) | Oxígeno necesario por unidad de volumen de gas | Oxígeno necesario (\(\mathrm{m^3}\)) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{CO}\) | \(200(0.280)=56.0\) | \(1/2\) | 28.0 |
| \(\ce{H2}\) | \(200(0.030)=6.0\) | \(1/2\) | 3.0 |
| \(\ce{CH4}\) | \(200(0.006)=1.2\) | 2 | 2.4 |
| \(\ce{C2H4}\) | \(200(0.002)=0.4\) | 3 | 1.2 |
Por tanto,
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{required}} =28.0+3.0+2.4+1.2 =34.6\ \mathrm{m^3}. \]
Como el aire contiene un 20% de oxígeno en volumen,
\[ \boxed{ V_{\mathrm{air,theoretical}} =\frac{34.6}{0.20} =173\ \mathrm{m^3} }. \]
3.2
Un exceso del 20% significa suministrar 1.20 veces el volumen teórico de aire necesario:
\[ V_{\mathrm{air,supplied}} =1.20(173)=207.6\ \mathrm{m^3}. \]
Si se considera que el 80% restante del aire es nitrógeno, este aporte de aire suministra
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{supplied}} =0.20(207.6)=41.52\ \mathrm{m^3}, \]
\[ V_{\ce{N2},\mathrm{air}} =0.80(207.6)=166.08\ \mathrm{m^3}. \]
Todos los volúmenes de los productos que figuran a continuación se expresan a la misma temperatura y presión de referencia, considerando el agua en forma de vapor.
El dióxido de carbono está constituido por el dióxido de carbono inicial más el formado a partir del monóxido de carbono, el metano y el eteno:
\[ \begin{aligned} V_{\ce{CO2}} &=200(0.120)+56.0+1.2+2(0.4)\\ &=\boxed{82.0\ \mathrm{m^3}}. \end{aligned} \]
El agua se forma a partir del hidrógeno, el metano y el eteno:
\[ V_{\ce{H2O}} =6.0+2(1.2)+2(0.4) =\boxed{9.2\ \mathrm{m^3}}. \]
El oxígeno no consumido es
\[ V_{\ce{O2}} =41.52-34.6 =\boxed{6.92\ \mathrm{m^3}}. \]
El nitrógeno procede tanto del gas combustible como del aire suministrado:
\[ V_{\ce{N2}} =200(0.562)+166.08 =\boxed{278.48\ \mathrm{m^3}}. \]
Así, el volumen total de los productos en base húmeda es
\[ V_{\mathrm{wet}} =82.0+9.2+6.92+278.48 =376.6\ \mathrm{m^3}. \]
Cada porcentaje en volumen en base húmeda se calcula mediante
\[ \text{Porcentaje en volumen de la especie }i =\frac{V_i}{376.6\ \mathrm{m^3}}\times100\%. \]
Por ejemplo,
\[ \text{Porcentaje de }\ce{CO2}\text{ en base húmeda} =\frac{82.0}{376.6}\times100\% \approx21.8\%. \]
Para la composición en base seca, se excluye el agua:
\[ V_{\mathrm{dry}} =376.6-9.2 =367.4\ \mathrm{m^3}. \]
Al dividir los volúmenes de dióxido de carbono, oxígeno y nitrógeno entre \(367.4\ \mathrm{m^3}\), se obtienen los porcentajes en base seca indicados anteriormente.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1968 · 理论题 3
高炉煤气的燃烧
从高炉逸出的煤气具有如下组成:
| \(\ce{CO2}\) 的体积分数为 12.0 % | \(\ce{CO}\) 的体积分数为 28.0 % |
| \(\ce{H2}\) 的体积分数为 3.0 % | \(\ce{CH4}\) 的体积分数为 0.6 % |
| \(\ce{C2H4}\) 的体积分数为 0.2 % | \(\ce{N2}\) 的体积分数为 56.2 % |
问题:
3.1 计算使 \(200\ \mathrm{m^3}\) 上述煤气完全燃烧所需的理论空气用量(以 \(\mathrm{m^3}\) 为单位),煤气和空气的体积均在相同温度下测量。(空气中氧气的体积分数约为 20 %)。
3.2 若燃烧时空气用量比理论用量过量 20 %,求燃烧产物的组成。
题目译自官方英文原文。
答案
- 3.1: 理论空气用量为 \(\boxed{173\ \mathrm{m^3}}\)。
- 3.2: 空气过量 20% 时,产物组成约为:
| 产物:名称、化学式、SMILES | 湿基(体积 %) | 干基(体积 %) |
|---|---|---|
二氧化碳,\(\ce{CO2}\),O=C=O |
21.8 | 22.3 |
水,\(\ce{H2O}\),O |
2.4 | 已除去 |
氧气,\(\ce{O2}\),O=O |
1.8 | 1.9 |
氮气,\(\ce{N2}\),N#N |
74.0 | 75.8 |
湿基组成假定所有水均以蒸气形式存在;干基组成不包括水。
解答
3.1
在相同温度和压力下,理想气体的体积与其物质的量成正比。因此,配平后的反应方程式也给出了参与反应的气体体积比。
可燃组分为一氧化碳(\(\ce{CO}\),[C-]#[O+])、氢气(\(\ce{H2}\),[H][H])、甲烷(\(\ce{CH4}\),C)和乙烯(\(\ce{C2H4}\),C=C)。它们完全燃烧的反应如下:
\[ \ce{2CO + O2 -> 2CO2} \]
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]
\[ \ce{C2H4 + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O} \]
原有的二氧化碳不消耗氧气,氮气则视为惰性气体。
对于 \(200\ \mathrm{m^3}\) 高炉煤气:
| 可燃气体 | 初始体积(\(\mathrm{m^3}\)) | 单位体积气体所需的氧气体积 | 所需氧气体积(\(\mathrm{m^3}\)) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{CO}\) | \(200(0.280)=56.0\) | \(1/2\) | 28.0 |
| \(\ce{H2}\) | \(200(0.030)=6.0\) | \(1/2\) | 3.0 |
| \(\ce{CH4}\) | \(200(0.006)=1.2\) | 2 | 2.4 |
| \(\ce{C2H4}\) | \(200(0.002)=0.4\) | 3 | 1.2 |
因此,
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{required}} =28.0+3.0+2.4+1.2 =34.6\ \mathrm{m^3}. \]
由于空气中氧气的体积分数为 20%,
\[ \boxed{ V_{\mathrm{air,theoretical}} =\frac{34.6}{0.20} =173\ \mathrm{m^3} }. \]
3.2
过量 20% 意味着供给的空气量为理论空气用量的 1.20 倍:
\[ V_{\mathrm{air,supplied}} =1.20(173)=207.6\ \mathrm{m^3}. \]
将空气中其余的 80% 视为氮气,则供给的氧气和氮气体积为
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{supplied}} =0.20(207.6)=41.52\ \mathrm{m^3}, \]
\[ V_{\ce{N2},\mathrm{air}} =0.80(207.6)=166.08\ \mathrm{m^3}. \]
以下所有产物的体积均按相同的参考温度和压力表示,并将水视为蒸气。
二氧化碳包括原有的二氧化碳,以及一氧化碳、甲烷和乙烯燃烧生成的二氧化碳:
\[ \begin{aligned} V_{\ce{CO2}} &=200(0.120)+56.0+1.2+2(0.4)\\ &=\boxed{82.0\ \mathrm{m^3}}. \end{aligned} \]
水由氢气、甲烷和乙烯燃烧生成:
\[ V_{\ce{H2O}} =6.0+2(1.2)+2(0.4) =\boxed{9.2\ \mathrm{m^3}}. \]
未消耗的氧气体积为
\[ V_{\ce{O2}} =41.52-34.6 =\boxed{6.92\ \mathrm{m^3}}. \]
氮气来自燃料气和供给的空气:
\[ V_{\ce{N2}} =200(0.562)+166.08 =\boxed{278.48\ \mathrm{m^3}}. \]
因此,湿基产物的总体积为
\[ V_{\mathrm{wet}} =82.0+9.2+6.92+278.48 =376.6\ \mathrm{m^3}. \]
各组分的湿基体积百分数按下式计算:
\[ \text{体积百分数,对应组分为 }i =\frac{V_i}{376.6\ \mathrm{m^3}}\times100\%. \]
例如,
\[ \text{湿基 }\ce{CO2}\text{ 百分数} =\frac{82.0}{376.6}\times100\% \approx21.8\%. \]
计算干基组成时,除去水:
\[ V_{\mathrm{dry}} =376.6-9.2 =367.4\ \mathrm{m^3}. \]
将二氧化碳、氧气和氮气的体积分别除以 \(367.4\ \mathrm{m^3}\),即可得到上面列出的干基百分数。
解答已与官方解答核对。
IChO 1968 · Теоретическая задача 3
Сжигание доменного газа
Газ, выходящий из доменной печи, имеет следующий состав:
| 12.0 объёмных % \(\ce{CO2}\) | 28.0 объёмных % \(\ce{CO}\) |
| 3.0 объёмных % \(\ce{H2}\) | 0.6 объёмных % \(\ce{CH4}\) |
| 0.2 объёмных % \(\ce{C2H4}\) | 56.2 объёмных % \(\ce{N2}\) |
Задания:
3.1 Рассчитайте теоретический расход воздуха (в \(\mathrm{m^3}\)), необходимый для полного сгорания \(200\ \mathrm{m^3}\) указанного газа, если объёмы газа и воздуха измерены при одинаковой температуре. (Содержание кислорода в воздухе составляет около 20 % по объёму).
3.2 Определите состав продуктов сгорания, если газ сжигают при 20 %-ном избытке воздуха.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 3.1: Теоретический расход воздуха составляет \(\boxed{173\ \mathrm{m^3}}\).
- 3.2: При 20%-ном избытке воздуха состав продуктов сгорания приблизительно следующий:
| Продукт: название, формула, SMILES | Влажный газ (объёмные %) | Сухой газ (объёмные %) |
|---|---|---|
Диоксид углерода, \(\ce{CO2}\), O=C=O |
21.8 | 22.3 |
Вода, \(\ce{H2O}\), O |
2.4 | Удалена |
Кислород, \(\ce{O2}\), O=O |
1.8 | 1.9 |
Азот, \(\ce{N2}\), N#N |
74.0 | 75.8 |
При расчёте состава влажного газа предполагается, что вся вода остаётся в виде пара; состав сухого газа рассчитан без учёта воды.
Решение
3.1
При одинаковых температуре и давлении объёмы идеальных газов пропорциональны количествам вещества в молях. Поэтому уравнения реакций с расставленными коэффициентами также задают соотношения объёмов реагирующих газов.
Горючими компонентами являются монооксид углерода (\(\ce{CO}\), [C-]#[O+]), водород (\(\ce{H2}\), [H][H]), метан (\(\ce{CH4}\), C) и этен (\(\ce{C2H4}\), C=C). Реакции их полного сгорания:
\[ \ce{2CO + O2 -> 2CO2} \]
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]
\[ \ce{C2H4 + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O} \]
Уже присутствующий диоксид углерода не расходует кислород, а азот считается инертным.
Для \(200\ \mathrm{m^3}\) доменного газа:
| Горючий газ | Исходный объём (\(\mathrm{m^3}\)) | Объём кислорода, необходимый на единицу объёма газа | Необходимый объём кислорода (\(\mathrm{m^3}\)) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{CO}\) | \(200(0.280)=56.0\) | \(1/2\) | 28.0 |
| \(\ce{H2}\) | \(200(0.030)=6.0\) | \(1/2\) | 3.0 |
| \(\ce{CH4}\) | \(200(0.006)=1.2\) | 2 | 2.4 |
| \(\ce{C2H4}\) | \(200(0.002)=0.4\) | 3 | 1.2 |
Следовательно,
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{required}} =28.0+3.0+2.4+1.2 =34.6\ \mathrm{m^3}. \]
Поскольку воздух содержит 20% кислорода по объёму,
\[ \boxed{ V_{\mathrm{air,theoretical}} =\frac{34.6}{0.20} =173\ \mathrm{m^3} }. \]
3.2
Избыток 20% означает подачу воздуха в количестве, в 1.20 раза превышающем теоретически необходимое:
\[ V_{\mathrm{air,supplied}} =1.20(173)=207.6\ \mathrm{m^3}. \]
Если считать, что оставшиеся 80% воздуха составляют азот, с воздухом поступает
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{supplied}} =0.20(207.6)=41.52\ \mathrm{m^3}, \]
\[ V_{\ce{N2},\mathrm{air}} =0.80(207.6)=166.08\ \mathrm{m^3}. \]
Все приведённые далее объёмы продуктов сгорания выражены при одинаковых температуре и давлении, принятых для расчёта; вода считается паром.
Диоксид углерода в продуктах сгорания включает исходный диоксид углерода и диоксид углерода, образовавшийся из монооксида углерода, метана и этена:
\[ \begin{aligned} V_{\ce{CO2}} &=200(0.120)+56.0+1.2+2(0.4)\\ &=\boxed{82.0\ \mathrm{m^3}}. \end{aligned} \]
Вода образуется из водорода, метана и этена:
\[ V_{\ce{H2O}} =6.0+2(1.2)+2(0.4) =\boxed{9.2\ \mathrm{m^3}}. \]
Объём неизрасходованного кислорода равен
\[ V_{\ce{O2}} =41.52-34.6 =\boxed{6.92\ \mathrm{m^3}}. \]
Азот поступает как с горючим газом, так и с подаваемым воздухом:
\[ V_{\ce{N2}} =200(0.562)+166.08 =\boxed{278.48\ \mathrm{m^3}}. \]
Таким образом, общий объём влажных продуктов сгорания составляет
\[ V_{\mathrm{wet}} =82.0+9.2+6.92+278.48 =376.6\ \mathrm{m^3}. \]
Объёмное содержание каждого компонента во влажном газе в процентах рассчитывается по формуле
\[ \text{Объёмное содержание компонента }i =\frac{V_i}{376.6\ \mathrm{m^3}}\times100\%. \]
Например,
\[ \text{Содержание }\ce{CO2}\text{ во влажном газе в процентах} =\frac{82.0}{376.6}\times100\% \approx21.8\%. \]
Для расчёта состава сухого газа исключаем воду:
\[ V_{\mathrm{dry}} =376.6-9.2 =367.4\ \mathrm{m^3}. \]
Деление объёмов диоксида углерода, кислорода и азота на \(367.4\ \mathrm{m^3}\) даёт приведённые выше процентные содержания в сухом газе.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1968 · مسألة نظرية 3
احتراق غاز الفرن العالي
للغاز الخارج من فرن عالٍ التركيب الآتي:
| 12.0 % حجماً من \(\ce{CO2}\) | 28.0 % حجماً من \(\ce{CO}\) |
| 3.0 % حجماً من \(\ce{H2}\) | 0.6 % حجماً من \(\ce{CH4}\) |
| 0.2 % حجماً من \(\ce{C2H4}\) | 56.2 % حجماً من \(\ce{N2}\) |
المطلوب:
3.1 احسب الاستهلاك النظري للهواء (بوحدة \(\mathrm{m^3}\)) اللازم للاحتراق التام لـ \(200\ \mathrm{m^3}\) من الغاز المذكور أعلاه، إذا قيس كلٌّ من الغاز والهواء عند درجة الحرارة نفسها. (تبلغ نسبة الأكسجين في الهواء نحو 20 % حجماً).
3.2 حدِّد تركيب نواتج الاحتراق إذا أُحرق الغاز بزيادة قدرها 20 % من الهواء.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 3.1: حجم الهواء اللازم نظرياً هو \(\boxed{173\ \mathrm{m^3}}\).
- 3.2: عند استخدام زيادة قدرها 20% من الهواء، تكون تراكيب النواتج تقريباً كما يأتي:
| الناتج: الاسم، الصيغة، SMILES | على أساس رطب (% حجماً) | على أساس جاف (% حجماً) |
|---|---|---|
ثاني أكسيد الكربون، \(\ce{CO2}\)، O=C=O |
21.8 | 22.3 |
الماء، \(\ce{H2O}\)، O |
2.4 | مُزال |
الأكسجين، \(\ce{O2}\)، O=O |
1.8 | 1.9 |
النيتروجين، \(\ce{N2}\)، N#N |
74.0 | 75.8 |
يفترض التركيب على أساس رطب بقاء الماء كله في صورة بخار؛ أما التركيب على أساس جاف فيستبعد الماء.
الحل
3.1
عند درجة الحرارة والضغط نفسيهما، تتناسب أحجام الغازات المثالية طردياً مع كمياتها بالمول. ولذلك تعطي المعادلات الموزونة أيضاً نسب أحجام الغازات المتفاعلة.
المكوّنات القابلة للاحتراق هي أول أكسيد الكربون (\(\ce{CO}\)، [C-]#[O+])، والهيدروجين (\(\ce{H2}\)، [H][H])، والميثان (\(\ce{CH4}\)، C)، والإيثين (\(\ce{C2H4}\)، C=C). وتفاعلات احتراقها التام هي:
\[ \ce{2CO + O2 -> 2CO2} \]
\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O} \]
\[ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} \]
\[ \ce{C2H4 + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O} \]
لا يحتاج ثاني أكسيد الكربون الموجود أصلاً إلى أكسجين، ويُعامَل النيتروجين على أنه خامل.
لكمية قدرها \(200\ \mathrm{m^3}\) من غاز الفرن العالي:
| الغاز القابل للاحتراق | الحجم الابتدائي (\(\mathrm{m^3}\)) | الأكسجين اللازم لكل وحدة حجم من الغاز | الأكسجين اللازم (\(\mathrm{m^3}\)) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{CO}\) | \(200(0.280)=56.0\) | \(1/2\) | 28.0 |
| \(\ce{H2}\) | \(200(0.030)=6.0\) | \(1/2\) | 3.0 |
| \(\ce{CH4}\) | \(200(0.006)=1.2\) | 2 | 2.4 |
| \(\ce{C2H4}\) | \(200(0.002)=0.4\) | 3 | 1.2 |
ومن ثم،
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{required}} =28.0+3.0+2.4+1.2 =34.6\ \mathrm{m^3}. \]
بما أن الهواء يحتوي على 20% من الأكسجين حجماً،
\[ \boxed{ V_{\mathrm{air,theoretical}} =\frac{34.6}{0.20} =173\ \mathrm{m^3} }. \]
3.2
تعني الزيادة البالغة 20% تزويد التفاعل بحجم من الهواء يساوي 1.20 ضعف الحجم اللازم نظرياً:
\[ V_{\mathrm{air,supplied}} =1.20(173)=207.6\ \mathrm{m^3}. \]
باعتبار أن نسبة 80% المتبقية من الهواء هي نيتروجين، فإن هذا الهواء يزوّد التفاعل بما يأتي:
\[ V_{\ce{O2},\mathrm{supplied}} =0.20(207.6)=41.52\ \mathrm{m^3}, \]
\[ V_{\ce{N2},\mathrm{air}} =0.80(207.6)=166.08\ \mathrm{m^3}. \]
يُعبَّر عن جميع أحجام النواتج الآتية عند درجة الحرارة والضغط المرجعيين نفسيهما، مع اعتبار الماء بخاراً.
يتألف ثاني أكسيد الكربون من ثاني أكسيد الكربون الموجود أصلاً، مضافاً إليه ما يتكوّن من أول أكسيد الكربون والميثان والإيثين:
\[ \begin{aligned} V_{\ce{CO2}} &=200(0.120)+56.0+1.2+2(0.4)\\ &=\boxed{82.0\ \mathrm{m^3}}. \end{aligned} \]
يتكوّن الماء من الهيدروجين والميثان والإيثين:
\[ V_{\ce{H2O}} =6.0+2(1.2)+2(0.4) =\boxed{9.2\ \mathrm{m^3}}. \]
حجم الأكسجين غير المستهلك هو
\[ V_{\ce{O2}} =41.52-34.6 =\boxed{6.92\ \mathrm{m^3}}. \]
يأتي النيتروجين من كلٍّ من غاز الوقود والهواء المزوَّد:
\[ V_{\ce{N2}} =200(0.562)+166.08 =\boxed{278.48\ \mathrm{m^3}}. \]
وبذلك يكون الحجم الكلي للنواتج الرطبة
\[ V_{\mathrm{wet}} =82.0+9.2+6.92+278.48 =376.6\ \mathrm{m^3}. \]
تُحسب النسبة المئوية الحجمية لكل مكوّن على أساس رطب من العلاقة
\[ \text{النسبة المئوية الحجمية للنوع الكيميائي }i =\frac{V_i}{376.6\ \mathrm{m^3}}\times100\%. \]
على سبيل المثال،
\[ \text{النسبة المئوية لـ }\ce{CO2}\text{ على أساس رطب} =\frac{82.0}{376.6}\times100\% \approx21.8\%. \]
لحساب التركيب على أساس جاف، يُستبعد الماء:
\[ V_{\mathrm{dry}} =376.6-9.2 =367.4\ \mathrm{m^3}. \]
تعطي قسمة أحجام ثاني أكسيد الكربون والأكسجين والنيتروجين على \(367.4\ \mathrm{m^3}\) النسب المئوية على أساس جاف الواردة أعلاه.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.