Баланс продуктов азотной реакции

Как известно, объемные доли азота и кислорода в воздухе составляют, соответственно, 0,79 и 0,21. Зная плотности азота , кислорода и воздуха (при нормальных условиях: 0ºС и 760 мм рт. ст.), найдем массовые доли азота и кислорода

;

.

Относительное число молекул азота (к молекулам кислорода) найдем из уравнения баланса массы

, откуда

.

Относительное число молекул кислорода (к сумме молекул азота и кислорода в воздухе) – по определению (совпадает с объемной долей).

Зная механизм распада азота, можем сделать расчет и составить баланс продуктов азотной реакции. При этом будем иметь в виду, что распаду подвергаются все без исключения молекулы азота, и весь водород переходит в воду.

В свою очередь, образование воды идет своим известным цепным механизмом /9/. Звенья цепочки реакций имеют меньший активационный барьер, чем прямая реакция (3), что снижает затраты энергии на возбуждение реакции. Особенностью цепной реакции является ее разветвление на реакцию, ведущую к образованию воды , и – реакцию, ведущую к образованию малоактивного радикала , прерывающего цепочку реакций, особенно на холодных границах зоны реакции. То есть, если азот является ускорителем реакции, то кислород, как видно, является замедлителем реакции и поэтому должен частично остаться в продуктах реакции.

Для расчета количества кислорода-замедлителя, оставшегося в продуктах азотной реакции, представим объем зоны реакции в виде куба с ребром, условно вмещающим 10 молекул воздуха. Тогда количество молекул в объеме куба будет, соответственно, , а на границах куба . С учетом соотношения молекул кислорода и азота в воздухе количество молекул кислорода на границах зоны реакции будет

.

Количество молекул оставшегося неиспользованным кислорода-замедлителя на границах зоны реакции с учетом равной вероятности ( ) разветвления реакции (на ее продолжение и прерывание) будет:

или молекулы О₂ на каждую молекулу О₂ в воздухе.

Уравнение баланса продуктов азотной реакции (на одну молекулу кислорода воздуха) в общем виде можем записать так:

(5).

Коэффициенты в (5) определим следующим образом.

Целое число молекул (на одну молекулу ):

.

Коэффициент (как остальное )

Теперь уравнение баланса азотной реакции при принятых условиях будет иметь вид:

(6).

Массовые доли продуктов реакции:

– водяной пар (вода) ;

– углерод (графит) ;

– кислород (замедлитель) ;

– водород (в составе воды) .

Коэффициенты и параметры могут меняться от условий проведения азотной реакции.

Теплота азотной реакции

Поскольку нам неизвестны дефекты массы продуктов азотной реакции, в первом приближении можем определить теплоту реакции по теплотворной способности водорода .

Доля водорода в азотной реакции по уравнению (6) составляет 0,101 кг на каждый килограмм воздуха. Отсюда – теплота азотной реакции (по теплотворной способности водорода) на 1 кг воздуха составит:

воздуха.

Теплота азотной реакции на 1 кг топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) из расчета ~30 кг воздуха на 1 кг топлива (с учетом коэффициента избытка воздуха) составит

топлива,

что в 9 раз больше, чем теплотворная способность топлива. Для обеспечения теплотворной способности 1 кг топлива достаточно 4-х кг воздуха, что в 7…8 раз меньше расхода воздуха в ДВС. Для реальных условий указанные цифры будут меньше, но все равно они экономически и экологически выгодны, так как энергия берется из воздуха.