Bölüm 2

KİMYASAL TEPKİMELER VE

DOĞALGAZIN YANMASI

Ceyhun Yılmaz

Afyon Kocatepe Üniversitesi

Teknoloji Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü

ME418 – Doğalgaz Sistemleri Bahar, 2018

2

AMAÇLAR

• Yakıt ve yanma kavramını öğretmek

• Denkleştirilmiş kimyasal tepkime eşitliklerini belirlemek için

tepkimeli sistemlere kütlenin korunumu yasasını uygulamak.

• Yakıt hava oranı, kuramsal hava yüzdesi ve çiğlenme

sıcaklığı gibi yanma analizinde kullanılan parametreleri

tanımlamak.

• Hem kararlı akış ile hacmi kontrol edilen hem de kütlesi

sabit olan sistemler için enerji denkliklerini tepkimeli

sistemlere uygulamak.

• Tepkime entalpisini, yanma entalpisini ve yakıtların ısı

değerlerini hesaplamak.

• Tepkimeleri karışımların adyabatik alevlenme sıcaklıklarını

belirlemek.

3

Most liquid hydrocarbon fuels

are obtained from crude oil by

distillation.

YAKIT: Isı enerjisi verecek şekilde yanabilen herhangi bir maddeye yakıt

denir. En iyi bilinen yakıtlar esas olarak hidrojen ve karbondan meydana gelir.

Bunlara hidrokarbon yakıtlar denir ve CnHm genel formülü ile gösterilirler.

Her fazda hidrokarbon yakıt bulunur. Örnek olarak kömür, gaz yağı ve doğal

gaz verilebilir. Kömürün ana bileşeni karbondur. Kömür değişen miktarlarda

oksijen ,hidrojen, azot, kükürt, nem ve kül de içerir.

YAKITLAR VE YANMA

4

Combustion is a chemical reaction during

which a fuel is oxidized and a large

quantity of energy is released.

Each kmol of O2 in air

is accompanied by 3.76

kmol of N2.

Mol veya hacimsel kuru hava %20.9 oksijen, %78.1 azot,% 0.9 argon ve az miktarda

karbon dioksit, helyum, neon ve hidrojenden meydana gelir.

Yanma işlemi incelenirken, havadaki argon azot olarak işlem görür ve az miktarda

bulunan diğer gazlar göz ardı edilir. O zaman, kuru hava, yaklaşık molce %2 oksijen

ve %79 azotdan ibarettir. Bu nedenle, yanma odasına giren her mol oksijen

0.79/0.21= 3.76 mol azot bulunur.

5

In a steady-flow combustion process, the components that

enter the reaction chamber are called reactants and the

components that exit are called products.

Yakıtın oksijen ile temas etmesinin yanma

işleminin başlaması için yeterli olmadığından da

söz edilmelidir. Yanmanın başlaması için yakıt

tutuşma sıcaklığının üstüne getirilmelidir. Bazı

maddelerin atmosferde bulunan havadaki

minimum tutuşma sıcaklıkları yaklaşık olarak

benzin 260°C, karbon 400°C, hidrojen 580°C,

karbon monoksit 610°C ve metanın 630°C

şeklindedir.

Bundan başka, yanmanın başlaması için, yakıt

ve hava oranları yanma için uygun aralıkta

olmalıdır. Örneğin, doğal gaz %5 den küçük

yaklaşık %15 den büyük derişimlerde

yanmayacaktır. The mass (and number of atoms)

of each element is conserved

during a chemical reaction.

Her bir elementin

(ve atom

sayısının) kütlesi

kimyasal

tepkimesırasında

sabit kalır.

6

Hava – yakıt oranı (HY) yanma

işleminde birim kütle yakıt başına

kullanılan hava miktarını anlatır.

Air-fuel ratio (AF): Yanma

işlemlerinin analizinde, yakıt ve

hava miktarlarını sayısal olarak

ifade etmek için sık sık kullanılan

büyüklük hava-yakıt oranı (HY)

dır.

Genellikle kütleye göre ifade edilir

ve yanma işlemlerinde havanın

kütlesinin yakıtın kütlesine oranı

olarak tanımlanır (Yani, hava yakıt

oranı havanın mol sayısının

yakıtın mol sayısına oranı

şeklinde mol sayısına göre de

ifade edilebilir. Burada önceki

tanım kullanılacaktır. Hava-yakıt

oranının tersi yakıt-hava

oranıdır.

m kütle

N mol sayısı

M mol kütlesi

7

KURAMSAL VE GERÇEK

YANMA İŞLEMLERİ Complete combustion: If all the carbon in the fuel burns to CO2, all the

hydrogen burns to H2O, and all the sulfur (if any) burns to SO2.

Incomplete combustion: If the combustion products contain any unburned

fuel or components such as C, H2, CO, or OH.

Reasons for incomplete combustion: 1 Insufficient oxygen, 2 insufficient

mixing in the combustion chamber during the limited time that the fuel and the

oxygen are in contact, and 3 dissociation (at high temperatures).

Yanma işlemi yakıtın yanabilen tüm

bileşenleri tamamen yandığında

tamamlanır.

8

The complete combustion process with no free oxygen

in the products is called theoretical combustion.

50% fazla hava = 150% teorik hava

200% fazla hava = 300% teorik hava

90% teorik hava = 10% eksik hava

Stokiyometrik veya kuramsal hava: Bir yakıtın tam yanması için gereken

minimum hava miktarına stokiyometrik veya kuramsal hava denir.

Stokiyometrik veya kuramsal yanma: Bir yakıtın kuramsal hava ile tamamen

yanması sırasında meydana gelen ideal yanma işlemine yakıtın stokiyometrik

veya kuramsal yanması denir.

Fazla hava: Gerçek yanma işlemlerinde, tam yanmayı sağlamak ve yanma

odasının sıcaklığını kontrol etmek için stokiyometrik miktardan daha fazla hava

kullanmak genel bir uygulamadır. Stokiyometrik miktardan fazla hava miktarına

fazla hava denir

Eksik hava: Stokiyometrik miktardan daha az havaya eksik hava denir

Eşdeğerlik oranı: Yanma işlemlerinde kullanılan hava miktarı gerçek yakıt-hava

oranının kuramsal yakıt hava oranına oranı demek olan eşdeğerlik oranı ile ifade

edilir.

9

Determining the mole fraction of the CO2

in combustion gases by using the

Orsat gas analyzer.

Yanma işleminin tam olduğu

varsayıldığında ve kullanılan yakıt ve

havanın miktarlarının tam olarak

bilindiğinde ürün bileşiminin önceden

bilinmesi nispeten kolaydır.

Bu durumda yapılması gereken tek

şey, hiçbir ölçüme gerek kalmadan,

yanma eşitliğinde yer alan her bir

elemente kütle denkliğini

uygulamaktır.

Bununla beraber, gerçek yanma

işlemlerinde yapılacak iş o kadar

basit değildir. Çünkü, gerçek yanma

işlemleri fazla hava olsa bile çok zor

tamamlanır.

Bu yüzden, yalnız kütle denkliğine

dayanarak ürün bileşimini belirlemek

imkansızdır. O zaman, sahip olunan

tek seçenek, üründe bulunan her bir

bileşenin miktarını doğrudan

ölçmektir.

Yanma gazlarının bileşimini analiz

etmek için genel olarak kullanılan

cihaz Orsat gaz analizörüdür.

10

Bu cihazda, yanma gazlarının bir örneği toplanır oda sıcaklığına ve basıncına

soğutulur ve o basınç ve sıcaklıktaki hacmi ölçülür. Sonra, örnek CO2’i absorplayan

bir kimyasal ile temas ettirilir. Kalan gazlar oda sıcaklık ve basıncına geri döner ve onların

kapladıkları yeni hacim ölçülür. Hacimdeki azalmanın ilk hacme oranı CO2’in hacim

kesridir ve eğer gazların ideal davrandığı varsayılırsa bu CO2’in mol kesrine eşittir.

Diğer gazların mol kesirleri aynı işlem tekrarlanarak belirlenir. Orsat analizinde, gaz

örneği su üzerinde toplanır ve her zaman doygun halde tutulur. Bu yüzden, suyun

buhar basıncı tüm deney boyunca sabit kalır. Bu nedenle, deney odasında su buharının

varlığı yok sayılır ve veriler kuru hayaya göre verilir. Bununla beraber, yanma sırasında

oluşan H2O miktarı yanma eşitliği denkleştirilerek kolayca belirlenir.

11

OLUŞUM ENTALPİSİ VE YANMA

ENTALPİSİ Bir kimyasal tepkime sırasında,molekül içinde atomları bağlayan bazı kimyasal

bağlar kırılır ve yenileri oluşur. Bu bağlar ile ilgili kimyasal enerji genellikle

ürünler ve girdiler için bir maddenin mikroskobik enerji biçimleri duyulur, gizli,

kimyasal, ve nükleer enerjiden oluşur ve farklıdır. Bu yüzden, kimyasal tepkime

meydana gelen bir işlemde enerji, denkliklerinde mutlaka hesaba katılması

gereken kimyasal enerji değişiklikleri olacaktır. Her bir girdi atomunun

bozulmadan kaldığı (nükleer enerji değişimi yok) varsayıldığında ve kinetik ve

potansiyel enerjilerdeki her hangi bir değişimin göz ardı edildiğinde kimyasal

tepkime sırasında bir sistemin enerjisindeki değişme hal değişiminden ve

kimyasal bileşimdeki bir değişmeden ileri gelir.

12

Tepkime entalpisi,hR : Tepkime entalpisi, tüm tepkime için, belli bir haldeki

ürünlerin entalpileri ile aynı haldeki girdilerin entalpileri arasındaki fark olarak

tanımlanır.

Yanma entalpisi hC: Yanma işleminde, tepkime entalpisi genellikle yanma

entalpisi,hY, olarak adlandırılır. Bu 1 kmol (veya 1 kg) yakıt belli bir basınç

ve sıcaklıkta tamamen yandığı zaman ortaya çıkan ısı miktarını temsil eder.

Oluşum entalpisi hf: Bu özellik belli bir haldeki bir maddenin kendi kimyasal

bileşiminden ileri gelen entalpi olarak görülen oluşum entalpisi, hodir.

Başlangıç noktası oluşturmak

üzere, tüm kararlı elementlerin

(O2, N2, H2, ve C gibi) 25°C ve

1 atm deki standart referans

haldeki oluşum entalpileri sıfır

kabul edilir. Yani, tüm kararlı

elementler için h°ol = 0 dır. (Bu

0.01°C deki doygun sıvı suyun

iç enerjisinin sıfır olarak

alınmasından farklı değildir).

13

Yanma entalpisi, bir yakıtın

belli bir haldeki kararlı akım

işlemi sırasında yanarken

ortaya çıkan enerji miktarını

gösterir.

14

Enthalpy of formation:

The enthalpy of a

substance at a specified

state due to its chemical

composition.

15

Burada m, birim kütledeki yakıt başına ürünlerdeki suyun kütlesi, ve hfg belli bir

sıcaklıkta suyun buharlaşma entalpisidir.

Isıl değer: Bir yakıt kararlı akım

işleminde tamamen yandığında ve

ürünler girdilerin haline döndüğünde

ortaya çıkan ısı miktarı olarak

tanımlanır.

(HHV) üst ısıl değer: Isı değeri

ürünlerde bulunan suyun fazına

bağlıdır. Ürünlerdeki su sıvı halde

olduğunda ısı değerine üst ısı

değeri denir.

(LHV) alt ısıl değer:ürünlerdeki su

buhar fazında ise alt ısı değeri

denir.

For the fuels with variable

composition (i.e., coal, natural gas,

fuel oil), the heating value may be

determined by burning them

directly in a bomb calorimeter.

16

TEPKİMELİ SİSTEMLERİN

BİRİNCİ YASA ANALİZİ

Sürekli Akış Sistemleri

Kimyasal olarak tepkimeye giren sistemlerde onların

kimyasal enerjilerinin değişmesi gerekir ve bu

nedenle, kimyasal enerjideki değişimleri açıkça ifade

edebilmek için, enerji denklik bağıntılarının yeniden

yazılması daha uygundur. Bu ilk önce kararlı akım

sistemleri için sonra da kapalı sistemler için yapılır.

The enthalpy of a chemical

component at a specified state

Burada parantez içindeki terim belli bir haldeki duyulan entalpi,h, ile 25°C ve 1

atm deki standart referans haldeki duyulan entalpi,ho, arasındaki fark olan

standart referans hale göre duyulan entalpiyi göstermektedir.

Bu tanım, oluşumlarında kullanılan referans hale bakılmaksızın tablolardan

alınan entalpi değerlerini kullanma imkanı tanır.

17

18

Sisteme verilen ısı ve

sistem tarafından yapılan iş

pozitif büyüklükler alarak,

yukarıdaki enerji denklik

bağıntısı aşağıda olduğu

gibi daha kısaolarak ifade

edilebilir.

Eğer belli bir tepkimenin

yanma entalpisi h°Y elde

edilebilirse, 1 mol yakıtiçin

kararlı akım eşitliği

Yanma odasında normal olarak ısı

çıkışı olur ama hiç ısı girişi olmaz.

O zaman, tipik kararlı akım yanma

işleminin enerji denkliği

19

Kapalı Sistemler

Kimyasal olarak tepkimeye giren durağan kapalı

sistemler için genel bir enerji denklik bağıntısı

Egiriş Eçıkış Esistem aşağıdaki gibi yazılabilir.

Bir kimyasal bileşenin

iç enerjisinin entalpiye

bağlı olarak ifadesi.

oluşum iç enerjisi uol° entalpi tanımı

oluşum entalpisi h°f yakıtın faz durumuna bağlı olduğu için yakıtın katı, sıvı

veya gaz olduğunun bilinmesi gerekir. Ayrıca, kendi entalpisini belirlemek

için, yanma odasına girdiğinde yakıtın halinin de bilinmesi gerekir.

20

ADYABATİK ALEV SICAKLIĞI

Hiç bir iş etkileşim ve kinetik ve potansiyel enerjide herhangi bir değişim

olmağında, yanma işleminde ortaya çıkan kimyasal enerji ya çevreye ısı

olarak verilir ya da yanma ürünlerinin sıcaklıklarının yükseltme için

içeride kullanılır. Isı kaybı azaldıkça sıcaklıktaki yükselme artar. Çevreye

hiç ısı kaybının olmadığı sınır halinde, (Q= 0), ürünlerin sıcaklıkları

tepkimenin adyabatik alev veya adyabatik yanma sıcaklığı denilen

maksimum değerine ulaşacaktır.

Kararlı akım yanma işleminde

adyabatik alev sıcaklığı Eşitlik

Q=0 ve W =0 konularak

bulunabilir.

Olduğu için

Bir yanma odasının sıcaklığı tam yanma

olduğunda ve çevreye hiç ısı kaybı

olmadığında maksimumdur. (Q=0).

21

Bir yakıtın adiyabatik alev sıcaklığı şunlara bağlıdır:

(1)Tepkimeye giren maddelerin durumu

(2)Reaksiyonun tamamlanma derecesi

(3)Kullanılan hava miktarı

Oluşum entalpisi h°f yakıtın faz durumuna bağlı olduğu için

yakıtın katı, sıvı veya gaz olduğunun bilinmesi gerekir. Ayrıca,

kendi entalpisini belirlemek için, yanma odasına girdiğinde

yakıtın halinin de bilinmesi gerekir. Entalpi hesaplamalarında,

yakıt ve havanın yanma odasına karışım halinde mi yoksa

ayrı ayrımı girdiğinin bilinmesi özellikle önemlidir. Yanma

ürünleri düşük sıcaklıklara soğutulduğunda, gaz ürünler

içindeki suyun bir kısmının yoğuşma olasılığının göz önüne

alınması gerekir.

Yanma odasında

meydana gelen

maksimum sıcaklık

kuramsal adiyabatik

sıcaklıktan daha

düşüktür.

22

ENTROPY CHANGE OF REACTING SYSTEMS

The entropy change

associated with a

chemical relation.

for a closed or steady-flow

reacting system

for an adiabatic process (Q = 0)

entropy balance for any

system (including reacting

systems) undergoing any

process

23

At a specified temperature, the absolute

entropy of an ideal gas at pressures other

than P0 = 1 atm can be determined by

subtracting Ru ln (P/P0) from the

tabulated value at 1 atm.

When evaluating the entropy of a

component of an ideal-gas mixture, we

should use the temperature and the partial

pressure of the component.

The absolute entropy values are listed in

Tables A–18 through A–25 for various ideal

gases at the specified temperature and at

a pressure of 1 atm. The absolute entropy

values for various fuels are listed in Table

A–26 at the standard reference state of

25°C and 1 atm.

P0 = 1 atm

Pi partial pressure

yi mole fraction

Pm total pressure of mixture.

Entropy of a

component

24

SECOND-LAW ANALYSIS OF REACTING SYSTEMS

The difference between the

exergy of the reactants and of

the products during a chemical

reaction is the reversible work

associated with that reaction.

The reversible work for a steady-flow combustion process that involves

heat transfer with only the surroundings at T0

Exergy destruction

When both the reactants and the

products are at T0

Gibbs

function

25

For the very special case of

Treact = Tprod = T0 = 25°C

We can conclude from the above

equation that the value (the negative

of the Gibbs function of formation at 25°C

and 1 atm) of a compound represents the

reversible work associated with the

formation of that compound from its

stable elements at 25°C and 1 atm in an

environment at 25°C and 1 atm.

26

Özet • Yanma

• Hava-yakıt oranı

• Stokiyometrik veya kuramsal yanma

• Yanma entalpisi

• Oluşum entalpisi

• Bir yakıtın ısıl değeri yakıt kararlı akım işleminde

tamamen yandığı ve ürünler girdilerin haline geri

döndüğünde ortaya çıkan ısı miktarı olarak

tanımlanır. Bir yakıtın ısıl değeri o yakıtın yanma

entalpisinin mutlak değerine eşittir.

• Adyabatik alev sıcaklığı