Горіння метану

Метан являє собою газоподібне хімічну сполуку з хімічною формулою CH4. Це найпростіший представник алканів. Інші назви цієї групи органічних сполук: граничні, насичені чи парафінові вуглеводні. Вони характеризуються наявністю простого зв`язку між атомами вуглецю в молекулі, а всі інші валентності кожного вуглецевого атома насичені атомами водню. Для алканів найбільш важливою реакцією є горіння. Вони горять з утворенням газоподібної двоокису вуглецю і пари води. В результаті виділяється величезна кількість хімічної енергії, яка перетворюється в теплову або електричну. Метан є горючою речовиною і основним компонентом природного газу, що і робить його привабливим паливом. В основі широкого використання природного викопного лежить реакція горіння метану. Оскільки він в нормальних умовах є газом, то його важко транспортувати на далекі відстані від джерела, тому часто його попередньо зріджують.

Процес горіння полягає в реакції між метаном і киснем, тобто в окислюванні найпростішого алкана. В результаті утворюється двоокис вуглецю, вода і багато енергії. Горіння метану може бути описано рівнянням: CH4 [газ] + 2O2 [газ] - CO2 [газ] + 2H2O [пар] + 891 кДж. Тобто одна молекула метану при взаємодії з двома молекулами кисню утворює молекулу двоокису вуглецю і дві молекули води. При цьому виділяється теплова енергія, рівна 891 кДж. Природний газ є найчистішим для спалювання викопних, так як вугілля, нафта та інші види палива більш складні за складом. Тому при згорянні вони виділяють в повітря різні шкідливі хімічні речовини. Оскільки природний газ в основному складається з метану (приблизно на 95%), то при його спалюванні практично не утворюються побічні продукти або їх виходить набагато менше, ніж у випадку з іншими видами викопного палива.

Теплотворна здатність метану (55,7 кДж / г) вище, ніж його гомологів, наприклад, етану (51,9 кДж / г), пропану (50,35 кДж / г), бутану (49,50 кДж / г) або інших видів палива (деревина, вугілля, гас). Горіння метану дає більше енергії. Для забезпечення протягом року роботи лампочки розжарювання потужністю 100 Вт необхідно спалити 260 кг деревини, або 120 кг вугілля, або 73,3 кг гасу, або всього 58 кг метану, що відповідає 78,8 мsup3- природного газу.

Найпростіший алкан є важливим ресурсом для отримання електроенергії. Відбувається це за рахунок спалювання його в якості палива котла, який виробляє пар, який приводить в рух парову турбіну. Також горіння метану використовується для отримання гарячих димових газів, енергія яких забезпечує роботу газової турбіни (Спалювання здійснюється до турбіни або в самій турбіні). У багатьох містах метан подається по трубах в будинку для внутрішнього опалення і приготування їжі. У порівнянні з іншими видами вуглеводневого палива спалювання природного газу характеризується меншим виділенням вуглекислого газу і великою кількістю отриманого тепла.

Горіння метану використовується для досягнення високих температур у печах різних хімічних виробництв, наприклад, великотоннажних етиленових установок. Природний газ в суміші з повітрям подається в пальники печей піролізу. У процесі згоряння утворюються димові гази з високою температурою (700-900 ° С). Вони нагрівають труби (знаходяться всередині печі), в які подається суміш сировини з водяною парою (Для зниження утворення коксу в трубах печей). Під дією високих температур відбувається безліч хімічних реакцій, в результаті яких отримують цільові компоненти (етилен і пропілен) і побічні продукти (смола піролізна важка, воднева і метанова фракції, етан, пропан, вуглеводні С4, С5, піроконденсат- кожен з них має своє застосування , наприклад, піроконденсата використовують для отримання бензолу або компонентів автомобільного бензину).

Горіння метану є складним фізико-хімічним явищем на основі екзотермічної окисно-відновної реакції, що характеризується високою швидкістю течії і виділенням величезної кількості тепла, а також теплообмінними і масообмінних процесів. Тому розрахункове визначення температури горіння суміші являє собою складну задачу, тому що крім складу горючої суміші сильно впливають її тиск і початкова температура. З їх збільшенням спостерігається зростання температури горіння, а теплообмінні та масообмінних процесів сприяють її зниження. Температура горіння метану при проектуванні процесів і апаратів хімічних виробництв визначається розрахунковим методом, а на діючих установках (наприклад, в печах піролізу) її вимірюють за допомогою термопар.