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Stöchiometrische Verbrennung

Die Stöchiometrie gilt in der Chemie als mathematisches Hilfsmittel zur Berechnung der Mengenverhältnisse einer Reaktion mit Kenntnis der Reaktionsgleichungen. Letztlich geht es also darum, die notwendigen Mengen der Ausgangsstoffe zu definieren, die bei einer chemischen Reaktion zum Einsatz kommen sollen. Die Darstellung dieser Reaktionen erfolgt in chemischen Reaktionsgleichungen. Diese Reaktionsgleichungen werden unterschieden in:

Im weiteren Verlauf beschränken wir uns zur Beschreibung der Reaktion auf den globalen Ansatz wie in Tabelle 1 dargestellt.

Brennstoff Ausgangssituation Reaktionsprodukte
CO +  1/2 O2 CO2
CH4 + 2 O2 CO2 +2 H2O
C2H4 +3 O2 2 CO2 + 2 H2O
C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3 H2O
C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O
C4H10 + 13/2 O2 4 CO2 + 5 H2O
H2 + 1/2 O2 H2O

Tabelle 1: Reaktionsprodukte

Zur Ermittlung der optimalen Brennstoffkonzentration wird zunächst die Luftmenge berechnet. Als Ausgangswert dient der Sauerstoffgehalt. Da der Sauerstoffgehalt nur 0,20942 mol% beträgt wird der Multiplikator aus dem Kehrwert des Sauerstoff-Stoffmengenanteils errechnet. Weiterhin ist der Sauerstoffanteil der Reaktion zu berücksichtigen. Ein Beispiel für die Verbrennung von Wasserstoff soll dies verdeutlichen:

Am Beispiel von Luft ergibt sich folgende Darstelllung für die Verbrennung von Wasserstoff:

für die reine Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff gilt:

H2 + ½ O2 −› H2O

Hieraus folgt für die Verbrennung von Wasserstoff in der Luft:

H2 + ½*0,20942 O2 +½*0,7808 N2+½*0,00938 Ar + ½*0,00038 CO2

Mit Berücksichtigung des Umrechnungsfaktor 1*0,20942-1 = 4,7751 und des Sauerstoff- Reaktionsanteils kann folgendes geschrieben werden:

H2 +½*4,7751*(0,20942 O2 +0,7808 N2+0,00938 Ar + 0,00038 CO2 )

Der Wert in der Klammer addiert sich auf 1 mol Luft.
Es kann also vereinfacht zur Berechnung des Anteils geschrieben werden:

1 mol H2 + 2,38755( 1mol Luft) führt zu:

Stoffmengenanteil = Stöchiometrische Verbrennung

 

Zur Berechnung des Volumenanteils sind die Molvolumen zu berücksichtigen:

Volumenanteil = Stöchiometrische Verbrennung mit Berücksichtigung des Volumenanteils

 

Bezeichnung Chemisches Zeichen Faktor Molvolumen Brennstoff [1]
mol%
[2]
Vol%
[3]
Vol%
H2 2,387 22,428 29,52% 29,55% 29,58%
CH4 9,550 22,36 9,48% 9,46% 9,50%
C2H4 14,325 22,25 6,53% 6,48% 6,54%
CO 2,387 22,40 29,52% 29,52% 29,58%
C2H6 16,712 22,19 5,65% 5,60% 5,66%
C3H8 23,875 21,93 4,02% 3,94% 4,03%
C4H10 31,037 21,46 3,12% 2,99% 3,13%

[1] = Stoffmengenanteil Brennstoff (reales Gas) in mol%

[2] = Volumenanteil Brennstoff (reales Gas) in Vol%

[3] = Volumenanteil Brennstoff (ideales Gas) 21% Sauerstoffgehalt

Bezeichnung Faktor M [1]
mol%
[2]
Vol%
[3]
Vol%
2,387 22,428 29,52% 29,55% 29,58%
9,550 22,36 9,48% 9,46% 9,50%
14,325 22,25 6,53% 6,48% 6,54%
2,387 22,40 29,52% 29,52% 29,58%
16,712 22,19 5,65% 5,60% 5,66%
23,875 21,93 4,02% 3,94% 4,03%
31,037 21,46 3,12% 2,99% 3,13%

M = Molvolumen Brennstoff in Molvolumen

[1] = Stoffmengenanteil Brennstoff (reales Gas) in mol%

[2] = Volumenanteil Brennstoff (reales Gas) in Vol%

[3] = Volumenanteil Brennstoff (ideales Gas) 21% Sauerstoffgehalt

 

Bei der Berechnung wurde für Sauerstoff ein Stoffmengenanteil von 20,942% zugrunde gelegt. Vielfach wird vereinfacht ein Sauerstoffgehalt von 21% angesetzt. Weiterhin wird eine Berechnung oft unter der Annahme eines idealen Gases durchgeführt. Bei dem Vergleich der verschiedenen Ergebnisse ist die Abweichung tatsächlich sehr gering. Ein Vergleich der Molvolumen der verschiedenen Gase macht die Abweichung transparent. Da bei realen technischen Verbrennungen oft „unstöchiometrisch“, gefahren wird (mindesten 1 Reaktionspartner bleibt teilweise erhalten), wird vielfach der Ansatz "Ideales Gases, 21% Sauerstoffanteil" gewählt. Informationen zur unterschiedlichen Darstellung der Luftzusammensetzung finden Sie auf der folgenden Seite.

 

 

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