Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (реакция Дюма)
Реакция Дюма — это взаимодействие солей карбоновых кислот с щелочами при сплавлении.
R–COONa + NaOH → R–H + Na2CO3
Декарбоксилирование — это отщепление (элиминирование) молекулы углекислого газа из карбоксильной группы (-COOH) или органической кислоты или карбоксилатной группы (-COOMe) соли органической кислоты.
При взаимодействии бутаноата натрия с гидроксидом натрия при сплавлении образуются пропан и карбонат натрия:
CH3–CH2 – CH2 –COONa + NaOH → CH3–CH2– CH3 + Na2CO3
Горение газов
Рассмотрим методику определения оптимального соотношения количества горючего и окислителя на примере: горючий газ – метан (CH4), окислитель – кислород (O2).
Реакция окисления (горения) метан/кислород:
CH4+2xO2→CO2+2xH2O (1)
Молярная масса одной молекулы: водорода (Н) – 1 г/моль, углерода (C) составляет 12 г/моль, кислород (O) – 16 г/моль. Тогда, молярная масса молекулы метана (CH4) составляет 16 г/моль, а молярная масса молекулы кислорода (O2) составляет 32 г/моль. Как следует из формулы (1), для полного окисления одной молекулы метана (CH4) требуется две молекулы кислорода (O2).
Введем понятие стехиометрического отношения [1] окислителя к горючему (по массе):
где m – масса газа; ν — количество вещества, моль [2]; M – молярная масса газа; индекс «ок» — окислитель; индекс «гг» – горючий газ.
Количество вещества определяется в молях и характеризует число структурных единиц (ими могут быть атомы или молекулы) определяемого вещества, отнесенного к числу структурных единиц (атомов) в 0,012 кг (12 гр) изотопа углерода C12. Из этого следует, что в 0,012 кг (12 гр) изотопа углерода C12 содержится один моль количества вещества. Само число структурных единиц, содержащихся в одном моле вещества, называется числом Авогадро и равно NA = 6,023×1023 моль-1 = 6,023×1026 кмоль-1 [2].
В таком случае количество вещества определяется соотношением:
где N — число структурных единиц (молекул) веществ, участвующих в реакции окисления.
Как указывалось выше, в одном моле любого вещества содержится NA число структурных единиц, при этом у каждого вещества структурная единица обладает своей массой (масса атома, масса молекулы). Следовательно, массой обладает и один моль вещества, эта масса называется молярной массой. В таком случае, если вещество (в частности газ) имеет массу m, а число структурных единиц этого вещества таково, что количества вещества составляет ν, то:
Тогда, в частном случае, при сгорании метана в кислороде, можно записать:
индекс «O2» — кислород; индекс «CH4» – метан.
На практике измерять массу газа неудобно и используется измерение объемов газа. Для того, что бы определить потребный объем кислорода для полного сгорания 1 м3 метана, запишем уравнение состояния [2] для каждого из газов:
где p – давление газа; V – объем газа; R – универсальная газовая постоянная; T – температура газа.
Следует заметить, что в момент реакции давление и температура газов будут одинаковыми.
Решим соотношения (5а) и (5б) относительно объемов соответствующих газов и определим стехиометрическое отношение кислорода к метану (по объему):
Т.к. стехиометрическое соотношение кислорода к метану для полного сгорания определено в (4), то определим следующие значения для соотношения (6):
В таком случае отношение объема кислорода к объему метана равно 2, т.е. для сжигания 1 м3 метана потребуется 2 м3 кислорода.
Соотношение (6) можно записать более универсально:
Очень часто в газопламенном оборудовании в качестве окислителя используется воздух, а именно содержащийся в воздухе кислород. По данным, приведенным в [1], процентное содержание кислорода в воздухе (по массе) составляет 23,2%. Запишем соотношение:
где индекс «вз» — воздух; Если в соотношение (8) числитель (масса кислорода) и знаменатель (масса воздуха) помножить на массу горючего газа, который необходимо сжечь (окислить), то можно перейти к стехиометрическим соотношениям (по массе):
Для исследования процесса горения метана в воздухе необходимо в соотношение (9б) подставить значение
тогда получим
т.е. для полного сжигания 1 кг метана требуется 17,24 кг воздуха.
Для определения объема воздуха, необходимого для сжигания 1м3 метана, воспользуемся соотношением (7):
где МВЗ = 29 г/моль [1].
В общем виде соотношение (10а) примет вид:
Подставив значения в соотношение (10б), получим, что для сжигания 1 м3 метана потребуется 9,512 м3 воздуха.
Так же в качестве горючих газов часто используются пропан (C3H8) и бутан (C4H10).
Реакция окисления (горения) пропан/кислород и бутан/кислород:
C3H8 + 5xO2 → 3xCO2 + 4xH2O (11)
2xC4H10 + 13xO2 → 8xCO2+10xH2O (12)
Молярные массы: пропана – MC3H8 = 44 г/моль; бутана – MC4H10 = 58 г/моль. Используя выводы, сделанные для реакции окисления метана и кислорода, получаем, что требуемая масса кислорода (O2) для сжигания 1 кг пропана (C3H8) – 3,636 кг кислорода (O2), а для сжигания 1 кг бутана (C4H10) – 3,586 кг кислорода (O2).
Тогда можем записать:
Учитывая соотношение (9б), определяем, что
т.е. для сжигания 1 кг пропана необходимо 15,672 кг воздуха, а для сжигания 1 кг бутана – 15,457 кг воздуха.
Используя соотношение (7) или (10б), определяем объем кислорода (O2) и воздуха, которые соответственно необходимы для сжигания 1 м3 пропана и 1 м3 бутана, что показано в таблице 1.
Таблица 1. Расход окислителя на 1 кг (1 м3) горючего газа
| Пропан (C3H8) | Бутан (C4H10) | ||
| Кислород (O2) | 4 кг (2 м3) | 3,636 кг (5 м3) | 3,586 кг (6,5 м3) |
| Воздух | 17,24 кг (9,512 м3) | 15,672 кг (23,779 м3) | 15,457 кг (30,914 м3) |
Пропан (C3H8) и бутан (C4H10) чаще всего используются не по отдельности, а как смесь горючих газов. Поэтому требуемое количество окислителя для полного сгорания пропанобутановой смеси будет зависеть от процентного соотношения каждого из компонентов.
Пусть γ — доля (по массе) содержания пропана в смеси, а β — доля (по массе) содержания бутана в смеси. γ и β подчинены следующему соотношению:
γ + β=1 (13)
Т.к. пропан и бутан не вступают в химические реакции, то стехиометрическое отношение для каждого из газов не будет меняться, а стехиометрическое отношение для пропанобутановой смеси в зависимости от окислителя будет определяться соотношением:
индекс «C3H8 – C4H10» – пропанобутановая смесь. Значения стехиометрических соотношений в зависимости от процентного содержания пропана и бутана в смеси представлены в таблице 2.
Таблица 2. Стехиометрические отношения (по массе) для пропанобутановых смесей
| Окислитель | Пропанобутановая смесь | γ = 0,7; β = 0,3 | γ = 0,6; β = 0,4 | γ = 0,5; β = 0,5 |
| Кислород (O2) | 3,621 | 3,616 | 3,611 |
| Воздух | 15,607 | 15,586 | 15,565 |
Для того, чтобы определить отношение объема окислителя к объему пропанобутановой смеси, обеспечивающее полное сгорание, согласно соотношению (7) необходимо определить молярную массу пропанобутановой смеси — MC3H8-C4H10. Для этого воспользуемся законом Дальтона [1]:
Надо учитывать, что в законе Дальтона как температура каждого из газов и их смеси, так и объем, занимаемый как отдельным газом, так и их смесью, одинаковы.
Выразив давление для пропана, бутана, а так же их смеси через уравнение состояния, аналогично (5а) и (5б), можем перейти к следующему соотношению:
Учитывая, что
соотношение (16) можно переписать:
Значения молярных масс пропанобутановых смесей для наиболее используемых соотношений γ и β, приведены в таблице 3.
Таблица 3. Молярные массы пропанобутановых смесей
| Молярная масса | Пропанобутановая смесь | γ = 0,7; β = 0,3 | γ = 0,6; β = 0,4 | γ = 0,5; β = 0,5 |
| MC3H8-C4H10 | 47,435 | 48,702 | 50,039 |
Тогда в соответствии с соотношением (7) или (10б) можно рассчитать стехиометрические соотношения (по объему) для различных пропанобутановых смесей, что и приведено в таблице 4.
Таблица 4. Стехиометрические отношения (по объему) для пропанобутановых смесей
| Окислитель | Пропанобутановая смесь | γ = 0,7; β = 0,3 | γ = 0,6; β = 0,4 | γ = 0,5; β = 0,5 |
| Кислород (O2) | 5,368 | 5,503 | 5,647 |
| Воздух | 25,529 | 26,175 | 26,857 |
Следует заметить, что полученные значения расхода окислителя (как по массе, так и по объему) на единицу горючего газа, следует увеличить на 2-5%, т.к. в воздухе и техническом кислороде присутствуют другие компоненты, которые под действием высоких температур горения сами вступают в реакцию окисления и тем самым снижают долю окислителя, приходящуюся на горючий газ.
Так же согласно [1] и [2] закон Дальтона и уравнение состояния соблюдаются в диапазоне низких давлений. Тем не менее, большинство газопламенного оборудования используется при давлениях до 5 МПа, что позволяет применять как полученные соотношения, так и приведенные значения.
Газопламенное оборудование, спроектированное ООО «Машпроект» (сайт: машпроект.рф E-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript ), обеспечивает оптимальное сгорание горючих газов, как в кислороде, так и в воздухе. Поэтому наша продукция обладает высокой топливной эффективностью и, как следствие, низкими эксплуатационными затратами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глинка Н.Л. Общая химия – Л.: Химия, 1979. – 720 с.
2. Савельев И.В. Общий курс физики. Т. 1 – М.: Наука, 1977 – 416 с.
Рациональное сжигание газа и защита воздушного бассейна
Защита воздушного бассейна от загрязнений – одна из важнейших проблем современности. Промышленность и транспорт приводят к загрязнению атмосферы газом, дымом, диоксидом углерода, парами хлора, пылью металлургических и других промышленных предприятий. Выхлопные газы автомобилей выделяют в атмосферу свинец и оксид углерода. Так, в одном литре этилированного бензина содержится 200–500 мг свинца.
Перевод в крупных городах автомобилей на сжиженный газ во многом способствует очищению воздушного бассейна.
Другой источник загрязнения воздушного бассейна – все возрастающие темпы потребления различного топлива. С ростом его потребления увеличивается количество выбрасываемых в атмосферу токсичных и канцерогенных веществ. Известно, что при сжигании топлива образуются вредные для здоровья человека вещества: сажа, зола, оксид углерода, оксиды азота и др.
Токсичным веществом является оксид азота NO, один из наиболее опасных загрязнителей воздушного бассейна. Оксид азота образуется в пламени, в зоне высоких температур, путем соединения азота с кислородом. При температурах 1500–1800 °С наблюдается наибольшая концентрация NO. Выбрасываемые в атмосферу горячие газы охлаждаются, и оксид азота превращается в диоксид азота NO2. Они, попадая в организм человека, поглощаются кровью и оказывают вредное действие на органы дыхания. В нашей стране установлены предельно допустимые нормы концентрации оксидов азота в атмосфере населенных пунктов (0,085 мг/м3). Продукты сгорания должны удаляться через дымовые трубы.
При сжигании твердого и жидкого топлива могут образоваться канцерогенные вещества, которые способствуют возникновению раковых заболеваний. Особенно опасна тонкая пыль, адсорбирующая химические вещества воздуха и переносящая их в легкие человека.
Сажа, образующаяся в процессе горения и несущая мельчайшие частицы угля, может быть носителем ароматических веществ, вызывающих различные тяжелые заболевания. В связи с этим перед человечеством стоит важнейшая проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна.
Одно из наиболее эффективных средств борьбы – замена твердого и жидкого топлива природным газом. С каждым годом тысячи промышленных и коммунальных предприятий переводят на газовое топливо.
С целью сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду и улучшения очистки отходящих газов от вредных примесей повсеместно совершенствуют технологические процессы и транспортные средства, увеличивают выпуск высокоэффективных газопылеулавливающих аппаратов, водоочистного оборудования, а также приборов и автоматических станций контроля состояния окружающей среды.
Охрана окружающей среды должна стать одной из важнейших задач любого предприятия. Отечественная и зарубежная практика охраны окружающей среды показывает, что основным направлением этой деятельности является не только контроль, но и предотвращение нанесения вреда и загрязнения природы в процессе производственной деятельности.
В должностную инструкцию ответственного за газовое хозяйство предприятия (или другого ответственного лица) должны включаться материалы по природоохранительной деятельности, в том числе:
- мониторинг и регулирование выбросов продуктов сгорания газа;
- соблюдение установленных нормативов воздействия на окружающую среду, лимитов использования газа, нормативов качества окружающей среды в зоне влияния предприятия;
- повышение эффективности использования газового топлива;
- предупреждение экологических аварий и аварийных ситуаций;
- экологическая информация и профессиональное обучение персонала.
Эти и другие мероприятия должны отражаться в отчете предприятия об охране атмосферного воздуха (форма № 2-ти воздух).
Повышение эффективности использования газового топлива
Эффективность использования газового топлива во многом зависит от его состава. Так, для высокотемпературных процессов целесообразно использовать газ с малым содержанием балласта и высокой жаропроизводительностью. В этом случае обеспечивается повышение производительности газовых установок и благодаря уменьшению продолжительности процесса сгорания газа и снижению потерь топлива в окружающую среду снижается удельный расход топлива на единицу выпускаемой продукции.
Во многих технологических процессах, связанных с процессами сушки воздухом, применяется промежуточный теплоноситель – водяной пар. Получение водяного пара требует дополнительных источников теплоты, а между тем для сушки с успехом можно применять продукты сгорания газа: тогда отпадает необходимость специальных котельных установок и калориферов для нагрева воздуха паром.
Известно, что при сжигании одного кубического метра газа выделяется два кубических метра водяного пара, уходящего с продуктами сгорания. Если теплоту конденсации этих водяных паров использовать для нагрева питательной воды, можно повысить КПД котельных установок.
Другой резерв повышения эффективности использования топлива – сжигание газа в горелочных устройствах при больших тепловых напряжениях, что позволяет получать большее количество энергии в малом объеме.
Многие технологические процессы протекают при высокой температуре уходящих газов. Эффективность использования газа в этом случае повышается, если использовать теплоту уходящих газов для производства пара, нагрева воды или воздуха. Каждая калория, вносимая в печь с подогретым воздухом, экономит более одной калории теплоты сжигаемого газа.
Наиболее прогрессивен метод ступенчатого использования теплоты продуктов сгорания, основанный на сочетании работы низкотемпературных, среднетемпературных и высокотемпературных установок.
Теплоту уходящих газов, отводимых от котлов и печей, можно использовать для отопления сушильных установок, а теплоту конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания газа, отводимых из котлов или сушилок, – для нагрева воды в контактных экономайзерах. Таким образом, продукты сгорания, отводимые из высокотемпературных установок, используют в низкотемпературных процессах для отопления этих установок; КПД ступенчатых установок может быть доведен до 95 %.
Продукты сгорания газа можно с успехом использовать в качестве источника диоксида углерода и инертных газов. Большой интерес представляет применение диоксида углерода для ускорения развития растений и повышения урожая. Известно, что органическая масса растений образуется путем фотосинтеза из СО2 и Н2О.
В атмосфере воздуха содержится по объему около 0,03 % СО2 и 21 % О2. Повышение концентрации диоксида углерода в теплицах с доведением его содержания в воздухе теплиц до 0,3 % позволяет увеличить на 20 % урожай огурцов и других овощей, на 50 % – число цветов и ускорять их развитие, примерно на 100 % повысить зеленую массу табака, чая, герани и других культур.
Обогащение воздуха теплиц диоксидом углерода имеет важное значение, так как с ростом количества теплиц и применением гидропоники, при которой отсутствует выделение СО2 из почвы, потребность в диоксиде углерода значительно возрастает.
Чистые продукты сгорания природного газа можно использовать для хранения в течение длительного срока фруктов и других пищевых продуктов.
Продукты полного сгорания газа можно применять также в качестве инертных газов для изоляции огнеопасных материалов от контакта с воздухом, продувки взрывоопасной аппаратуры, газовых коммуникаций.
