Nhiên liệu dầu khí
NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007.
Tr 100 – 106.


Từ khoá: Ứng dụng của ngọn lửa.

Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho
mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in
ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và
tác giả.


Mục lục

Chương 6 ỨNG DỤNG CỦA NGỌN LỬA ................................................................2
6.1 Sự tạo thành các hạt cacbon trong ngọn lửa......................................................2
6.2 Sản xuất axit xianhiđric bằng sự đốt cháy.........................................................3
6.3 Sự tạo thành nitơ oxit trong ngọn lửa ...............................................................4
6.4 Sản xuất năng lượng.........................................................................................6
6.4.1 Đốt cháy công nghiệp và dân dụng ...........................................................6
6.4.2 Sản xuất công cơ học và đẩy.....................................................................7
6.4.3 Vấn đề an toàn sự cháy.............................................................................8
Chương 6. Ứng dụng của ngọn lửa


Hoa Hữu Thu

2

Chương 6
ỨNG DỤNG CỦA NGỌN LỬA
Ngọn lửa là nơi mà có nhiều phản ứng hóa học xảy ra và thường phát nhiệt, vì thế
người ta có thể sử dụng ngọn lửa để tổng hợp một số hợp chất hóa học. Những hợp chất
hóa học này có thể là sản phẩm cuối cùng của sự cháy của các chất tham gia phản ứng
ban đầu hay các sản phẩm trung gian của cùng một sự cháy. Trong trường hợp sau, người
ta hay d
ừng phản ứng trước khi sản phẩm mong muốn bị chuyển hoá thành các hợp chất
khác. Để làm điều đó, người ta thường dùng phương pháp làm lạnh đột ngột.
Việc tổng hợp những chất hóa học cũng có thể thực hiện được từ sự chuyển hoá
của các chất tham gia phản ứng được đưa vào trong các khí đang cháy ở đó ta tận dụng
được năng lượng
đã có sẵn từ quá trình cháy.
6.1 Sự tạo thành các hạt cacbon trong ngọn lửa
Một thực tế mà ai cũng biết rằng các ngọn lửa đốt cháy hiđrocacbon sinh ra tương
đối dễ dàng than và khói. Than được hình thành đối với những ngọn lửa rất giàu nhiên
liệu, nghĩa là khi hỗn hợp khí có chứa một lượng nhiên liệu cao hơn nhiều so với yêu cầu
đối với sự cháy hợp thức với oxi. Muội than được hình thành do thiếu oxi cần thiết cho
sự cháy. Những ngọn lửa như vậy có màu vàng sáng.
Đó là sự phát ra một quang phổ liên
tục do những hạt nhỏ than có mặt trong các khí bị cháy. Một ngọn lửa được tạo thành từ
sự đốt cháy hiđrocacbon đã được trộn đều trước và nghèo hiđrocacbon hay đúng thành
phần hợp thức không có sự phát màu này, mà nó gần như không màu và không nhìn thấy
(ví dụ các ngọn lửa của hiđro và oxi) hoặc là có màu xanh. Màu xanh là nguồn gốc của
các quá trình phát quang hóa học mà ta đã nói tới ở trên.
Về mặ
t ứng dụng công nghiệp đốt cháy trong các lò đốt, sự có mặt của tro than có
tác dụng không tốt, song sự tạo thành các hạt cacbon được ứng dụng để sản xuất muội
cacbon cho công nghiệp cao su và các ngành công nghiệp khác. Trong phần trước, chúng
ta đã thấy rằng một ngọn lửa bức xạ là cần thiết cho một lò đốt, ngược lại, kiểu truyền

nhiệt này là không thuận lợi trong một xilanh của động cơ nổ. Trong tr
ường hợp này, sự
cháy có mục đích thực hiện một công cơ học và hoàn toàn không cần thiết cho sự đốt
nóng xilanh.
Vậy tro than là gì? và nó được hình thành như thế nào?
Dưới kính hiển vi điện tử, tro than được lấy ra từ các ngọn lửa có dạng những hạt
nhỏ, gần hình cầu có đường kính vài trăm Angstrom (≈ 200 Å). Những hạt than này có
chứa khoảng 10
5
tới 10
6
nguyên tử cacbon. Qua phân tích hóa học còn chỉ ra chúng có
chứa hiđro (khoảng một vài phần trăm theo trọng lượng) và có thể chứa các nguyên tố
khác với nồng độ rất thấp. Những đặc trưng này cũng cho thấy bản chất của nhiên liệu.
Như chúng ta thấy, sự phân tích các sản phẩm cuối cùng chỉ cho ta những chỉ dẫn về cơ
chế hình thành tro và cần phải nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tr
ực tiếp trong
3
vùng cháy để đưa ra các phản ứng hóa học đã tham gia vào quá trình hình thành than.
Trong tất cả các ngọn lửa đốt cháy hiđrocacbon, thực tế người ta đã phát hiện ra sự
có mặt của axetilen, poliaxetilen (C
2n
H
2n
) cũng như các gốc của axetilen và poliaxetilen.
Kết quả của các phản ứng tạo thành than có thể là như sau:
- Cộng hợp liên tục axetilen hay poliaxetilen, tiếp theo
- Cộng hợp các nguyên tử hiđro; các gốc axetilen (RA) hay gốc poliaxetilen (RPA)
bị chuyển thành các poliaxetilen khối lượng ngày càng lớn hơn. Ở trên một khối
lượng nhất định, các poliaxetilen này có thể bị vòng hoá dẫn đến những phân tử

vòng có mạch nhánh với khối lượng phân tử ít nh
ất từ 100 ÷ 600. Những phần tử
này còn có nhiều electron chưa cặp đôi (đó là các đại gốc), bởi vậy chúng rất hoạt
động và có thể cộng hợp thêm với những poliaxetilen khác để sinh ra các hạt
than. Quá trình có thể được sơ đồ hoá như sau:
C
2
H
H
2
H
2
+ C
2
H
2
C
4
H
3
+ H
C
4
H
2
+ H
2
+ C
2
H

2
C
6
H
3
+ H
C
6
H
2
+ H
2
+ C
2
H
2
C
2n
H
3
+ H
C
2n
H
2
+ H
2
(gèc poliaxetilen)
(poli) axetilen
+ poliaxetilen kh¸c,

cïng ng−ng tô
C¸c h¹t tro than
+ RA kh¸c vµ RPA kh¸c
vßng ho¸

Một số tác giả cho rằng những ion có mặt ở trong tuyến lửa đóng một vai trò cơ bản
trong quá trình nhân hoá (chuyển từ pha khí tới pha rắn) của than. Người ta thấy rằng sự
có mặt của các ion kim loại kiềm thổ có tác dụng kìm hãm sự tạo thành than, đặc biệt là
ion Ba
2+
. Các kim loại này sinh ra các gốc
•
OH và làm tăng tương đối tốc độ oxi hoá than
so với tốc độ của quá trình nhân hoá.
6.2 Sản xuất axit xianhiđric bằng sự đốt cháy
Một con đường lí thuyết đầy hứa hẹn về tổng hợp bằng ngọn lửa đó là việc sản xuất
đồng thời axetilen và axit xianhiđric bằng sự đốt cháy hỗn hợp giàu hiđrocacbon,
amoniac và oxi. Cơ chế tạo thành axit xianhiđric có thể trải qua sự hình thành đầu tiên
của nitrosometan, tiếp theo là sự phân huỷ của nó dưới tác dụng của nhiệt:
NH
3
+
•
OH →
•
NH
2
+ H
2
O

•
NH
2
+ O
2
→
•
NO + H
2
O
4
•
CH
3
+
•
NO + M → CH
3
NO + M
CH
3
NO → HCN + H
2
O
Chú ý rằng trong quá trình trên, một trong những sản phẩm đầu tiên trong quá trình
đốt cháy amoniac là nitơ oxit.
6.3 Sự tạo thành nitơ oxit trong ngọn lửa
Các nitơ oxit được tạo thành trong quá trình cháy đã thu hút các nhà nghiên cứu
trong những năm gần đây. Bởi vì các nitơ oxit được sinh ra gây nên sự ô nhiễm không
khí và tính độc của chúng, đồng thời nó còn gây nên sự ăn mòn rất lớn đối với các kim

loại. Nitơ oxit có mặt trong khí thải của sự đốt cháy công nghiệp (như động cơ, các lò đốt
nóng, lò sản xuất nhiệt...). Một phần các nitơ oxit được sinh ra từ phản ứng giữa oxi và
nitơ
phân tử, chúng tạo thành một chất duy trì sự cháy, mặt khác nitơ oxit được tạo thành
từ sự oxi hoá những nguyên tử nitơ có trong các phần tử hữu cơ (piridin, porphyrin,
amin) thường có mặt trong các nhiên liệu. Trong trường hợp nhiên liệu có chứa các hợp
chất của nitơ, người ta đã chứng minh rằng tốc độ hình thành từ các phân tử chứa nitơ
này nhanh hơn rất nhiều tốc độ hình thành từ nitơ phân tử. Vì năng l
ượng liên kết của
nguyên tử nitơ trong phân tử N
2
là 226,8 kcal/mol, cao hơn rất nhiều so với các liên kết
của nitơ với các nguyên tử khác trong các phân tử hữu cơ như C≡N, N=C hay N−H. Ví
dụ trong ngọn lửa hiđrocacbon/không khí, người ta thêm vào đó một lượng rất nhỏ
amoniac (vài nghìn ppm) thì việc phân tích chỉ ra rằng amoniac đã bị chuyển hoá hoàn
toàn thành NO, ngay cả nếu nồng độ NO cao hơn giá trị nồng độ của nó ở cân bằng ở
nhiệt độ đã cho. Rõ ràng rằng, sự
dư NO này so với nồng độ cân bằng sẽ biến mất từ từ
do phản ứng phân hủy của NO, nhưng quá trình phân huỷ này là rất chậm, có thể không
hoàn toàn khi các sản phẩm cháy bị loại ra ngoài không khí tự do.
Điều này hoàn toàn khác khi nguồn tạo thành nitơ oxit là nitơ phân tử. Trong trường
hợp này, sự thay đổi nồng độ NO là do sự cạnh tranh của 2 cơ chế:
- Cơ chế tạo thành:
N
2
+ O
1
2
ZZX
YZZ

N + NO; (E
1
= 75 kcal/mol)
(E
2
= 0)
- Cơ chế phân huỷ:
N + O
2

3
4
ZZX
YZZ
O + NO; (E
3
= 7 kcal/mol)
(E
4
= 39 kcal/mol)
Tốc độ biến đổi nồng độ của NO (X
NO
) được biểu diễn bằng tổng đại số của 4 phản
ứng cơ bản mà các phản ứng 1 và 3 là tốc độ tạo thành (V
f
) và các phản ứng 2 và 4 là các
phản ứng phân huỷ với tốc độ phân huỷ (V
d
) của nitơ oxit:
22

d
f
NO
1 N O 3 N O 2 N NO 4 O NO
V
V
dX
kX X kX X kX X kX X
dt
=++ +



Như ở trên đã nói, tốc độ phân huỷ V
d
là nhỏ và thường có thể bỏ qua trong sự gần
5
đúng bậc nhất, đặc biệt khi nồng độ NO lại nhỏ. Đó là trong trường hợp của các ngọn lửa.
Chúng ta nhận thấy rằng tốc độ tạo thành NO, V
f
được quyết định bởi số hạng đầu tiên
bởi vì năng lượng hoạt hoá của nó là rất cao so với năng lượng hoạt hoá của phản ứng 3.
Bởi vậy, chúng ta có giá trị gần đúng của tốc độ hình thành nitơ oxit từ N
2
như sau:
dt
dX
NO
≈ V
f

≈ f
1
Z
2
X
N2
X
O
. e
−ε1/RT

Khi nitơ oxit được hình thành trong hỗn hợp tinh khiết của oxi và nitơ ở một nhiệt độ
đủ cho phản ứng có tốc độ đo được thì oxi nguyên tử tham gia vào phản ứng như một tác
nhân phản ứng ở bước 1 chỉ có thể đến từ phản ứng phân huỷ oxi phân tử:
O
2
+ M
5
ZZX
YZZ
O + O (+M)
Vì nguyên nhân này, ở đây người ta coi rằng phần mol của nguyên tử oxi, X
O
, là
bằng giá trị cân bằng (X
O
)
e
được xác định từ hằng số cân bằng của phản ứng sau cùng
này:

2
1/2 1/2
OOO
XKX=
ở đây
22
2
2
O
OO
O
X
K(K)
X
==
. e
−ΔH/RT
(*)
ΔH là nhiệt hình thành oxi, bằng 116 kcal/mol.
Khi thay thế biểu thức của X
O
này vào biểu thức của tốc độ hình thành V
f
ta có:
dt
dX
NO
≠ V
f
≠ f

1
Z
2
2222
1/2 1/2
OO N N O
(K ) K X X
. e
−133000/RT
(**)
Phương trình (*) đảm bảo chắc đúng trong trường hợp hỗn hợp cháy chỉ có oxi và
nitơ (hỗn hợp tinh khiết) và nó không còn đúng nữa khi các sản phẩm cháy đi ra khỏi
tuyến lửa, ít nhất trên một khoảng cách nhất định đằng sau tuyến lửa. Thật vậy, các
nguyên tử oxi, gốc được hình thành trong tuyến lửa (chủ yếu từ bước cơ bản O
2
+ H →
OH + O) có nồng độ thông thường rất cao so với giá trị cân bằng và sự kết hợp lại của
các nguyên tử oxi (O + O + M → O
2
+ M) sẽ liên tục dẫn phần mol tới giá trị cân bằng
(X
O
)
e
của nó. Sự kết hợp này xảy ra từ từ vì nó là một sự va chạm tam phân tử (O + O +
M). Từ đó rút ra rằng biểu thức (**) không có giá trị trong các sản phẩm cháy trong vùng
tương đối gần với tuyến lửa.
Trong tuyến này, cần phải để ý đến giá trị thực của X
O
. X

O
có thể tính toán được từ
sơ đồ phản ứng của tất cả các bước cơ bản làm mất đi hay xuất hiện nguyên tử oxi. Một
tính toán như thế rất phức tạp không được trình ở đây. Tuy nhiên, ta có thể dễ dàng hiểu
rằng sự phụ thuộc của X
O
theo nhiệt độ sẽ bị khống chế bởi một năng lượng hoạt hoá
tổng cộng khác (thông thường là nhỏ hơn ΔH/2 = 58 kcal/mol), từ đó rút ra rằng năng
lượng hoạt động hoá tổng cộng của tốc độ hình thành nitơ oxit V
f
sẽ khác 113 kcal/mol
(thông thường là nhỏ hơn). Việc xác định năng lượng hoạt hoá tổng cộng này trong các
sản phẩm cháy đằng sau tuyến lửa hiđrocacbon là vào khoảng từ 100 ÷ 110 kcal/mol đối
với các khoảng cách rất nhỏ, sau đó tăng lên từ từ với khoảng cách để cuối cùng đạt được
giá trị 133 kcal/mol, tương ứng với điều kiện
OOe
X(X).=

Cuối cùng, cần biết rằng trong tuyến lửa và đặc biệt trong tuyến lửa giàu, sự hình
thành nitơ oxit từ nitơ phân tử được thực hiện rất có thể theo một cơ chế mà nó quyết