燃气燃烧反应动力学课件

第二章第二章 燃气燃烧反应动力学燃气燃烧反应动力学第一节第一节 化学反应速度及其影响因素化学反应速度及其影响因素第二节第二节 燃气燃烧反应的机理燃气燃烧反应的机理第三节第三节 燃气的着火燃气的着火第四节第四节 燃气的点火燃气的点火第二章 燃气燃烧反应动力学第一节 化学反应速度及其影响因1第一节第一节 化学反应速度及其影响因素化学反应速度及其影响因素一、化学反应速度的表征一、化学反应速度的表征化学反应速度：一般用单位时间内单位体积中反应物消化学反应速度：一般用单位时间内单位体积中反应物消耗的摩尔数来衡量。耗的摩尔数来衡量。二、影响化学反速度的因素二、影响化学反速度的因素浓度、压力和温度浓度、压力和温度、浓度对化学反应速度的影响、浓度对化学反应速度的影响 n=a+b称为该化学反应的总级数，一般由实验确定，简称为该化学反应的总级数，一般由实验确定，简单反应的级数常常与反应分子数相同。单反应的级数常常与反应分子数相同。第一节 化学反应速度及其影响因素一、化学反应速度的表征2二、压力对化学反应速度的影响二、压力对化学反应速度的影响情况一：有情况一：有Nmol气体充满体积为气体充满体积为V1的容器，压力为的容器，压力为p1，则反应速度为则反应速度为情况二：温度不变情况下，改变容器的体积为情况二：温度不变情况下，改变容器的体积为V2，对应，对应的压力为的压力为p2，则反应速度为，则反应速度为 二、压力对化学反应速度的影响3三、温度对反应速度的影响三、温度对反应速度的影响Arrhenius 方程：方程：该方程是一经验公式。也可以从气体反应动力学推该方程是一经验公式。也可以从气体反应动力学推导而来。导而来。设气体的总分子数为设气体的总分子数为N0，则其能量分布关系式为，则其能量分布关系式为式中：式中：E，分子动能，分子动能，J/mol。设。设摩尔质量，则摩尔质量，则 三、温度对反应速度的影响式中：E，分子动能，J/m4活化能活化能Ea：分子活化而发生化学反应具有的最小能量。：分子活化而发生化学反应具有的最小能量。能量超过能量超过Ea的分子数的分子数Na（活化分子数）为（活化分子数）为W0，假定所有分子碰撞均有效时的反应速度。，假定所有分子碰撞均有效时的反应速度。活化能Ea：分子活化而发生化学反应具有的最小能量。W0，假5附：活化能附：活化能Ea的实验测试的实验测试作图作图lnW-1/T，得到一条直线，用最小二乘法求，得到一条直线，用最小二乘法求出直线的斜率，进而求得出直线的斜率，进而求得活化能活化能Ea。附：活化能Ea的实验测试作图lnW-1/T，得到一条直线，用6第二节燃气燃烧反应的机理第二节燃气燃烧反应的机理链反应链反应链反应：由大量反复循环的连串反应组成。链反应：由大量反复循环的连串反应组成。链反应特性：一旦被引发，就会相继发生系列基元链反应特性：一旦被引发，就会相继发生系列基元反应，直至反应物消耗殆尽或通过外加反应，直至反应物消耗殆尽或通过外加因素使链环中断为止。因素使链环中断为止。链反应由三个步骤组成：链反应由三个步骤组成：1)链的开始（或链的引发）：产生自由原子或链的开始（或链的引发）：产生自由原子或自由基（称为活化中心）。自由基（称为活化中心）。2)链的传递：活化中心与一般分子反应，在生成链的传递：活化中心与一般分子反应，在生成产物的同时，能再生新的活化中心，产物的同时，能再生新的活化中心，使反应不断进行下去。使反应不断进行下去。3)链的终止：某一活化中心一旦变为一般分子，链的终止：某一活化中心一旦变为一般分子，则由原始传递物引发的这条链就被中断。则由原始传递物引发的这条链就被中断。第二节燃气燃烧反应的机理链反应链反应：由大量反复循7直链反应举例直链反应举例：H2+Cl2=2HCl1)Cl2+M 2Cl+M 链的开始链的开始 2)Cl+H2 HCl+H 3)H+Cl2 HCl+Cl 4)2Cl+MCl2+M 链的终止链的终止链的传递链的传递链的传递8 支链反应举例：支链反应举例：2H2+O2=2H2O链的开始：最初的活化中心可能按下列方式得到链的开始：最初的活化中心可能按下列方式得到 H2+O2 2OH H2+M 2H+M O2+O2 O3+O链的传递：链的传递：H+O2 O+OH O+H2 H+OH OH+H2 H+H2O课本上还给出了课本上还给出了CO和和CH4的燃烧机理。的燃烧机理。燃气燃烧反应都是支链反应。燃气燃烧反应都是支链反应。链的终止：链的终止：2H+M H2+M H+OH+M H2O+M 支链反应举例：2H2+O2=2H2O链的开始：最9第三节第三节 燃气的着火燃气的着火 任何可燃气体在一定条件下与氧接触，都要发生任何可燃气体在一定条件下与氧接触，都要发生氧化反应。氧化反应。1、稳定的氧化反应稳定的氧化反应 活化中心浓度增加的数量正好补偿其销毁的数量；活化中心浓度增加的数量正好补偿其销毁的数量；生成的热量等于散失的热量。生成的热量等于散失的热量。2、不稳定的氧化反应、不稳定的氧化反应 活化中心浓度增加的数量活化中心浓度增加的数量大于大于其销毁的数量；其销毁的数量；生成的热量生成的热量大于大于散失的热量。散失的热量。由稳定的氧化反应转变为由稳定的氧化反应转变为不稳定的氧化反应而引不稳定的氧化反应而引起燃烧的一瞬间，称为起燃烧的一瞬间，称为着火着火。根据起因不同。根据起因不同分为支链分为支链着火和热力着火着火和热力着火。第三节 燃气的着火 任何可燃气体在一定条件10 一、支链着火一、支链着火一、支链反应速度与压力、温度的关系一、支链反应速度与压力、温度的关系压力下限与可燃混合物的组成（惰性气体、杂质）及压力下限与可燃混合物的组成（惰性气体、杂质）及 容器形状有关，与温度关系不大；容器形状有关，与温度关系不大；压力上限对惰性气体、杂质敏感，与温度关系很大，压力上限对惰性气体、杂质敏感，与温度关系很大，与容器形状无关。与容器形状无关。一、支链着火一、支链反应速度与压力、温度的关系压力下限11二、支链着火机理二、支链着火机理 假设：反应在等温下进行。假设：反应在等温下进行。活化中心的产生速度：活化中心的产生速度：式中，式中，Ca，活化中心的浓度；活化中心的浓度；W0，分子活化产生活分子活化产生活化中心的速度；化中心的速度；f，由支链反应使活化中心增加的速度，由支链反应使活化中心增加的速度系数；系数；g，活化中心销毁的速度系数。，活化中心销毁的速度系数。二、支链着火机理 假设：反应在等温下进行。12不同情况讨论：不同情况讨论：不同情况讨论：13说明：说明：1、支链反应着火前存在支链反应着火前存在感应期，感应期的长短取感应期，感应期的长短取决于初始的活化中心浓度。决于初始的活化中心浓度。2、压力决定压力决定W0和和说明：14二、热力着火二、热力着火1、热力着火机理热力着火机理设容器体积设容器体积V，壁面面积壁面面积F，壁面温度壁面温度T0，反应物的，反应物的温度温度T，反应物的浓度，反应物的浓度CA、CB，那么，那么单位时间内容器中化学反应产生的热量为单位时间内容器中化学反应产生的热量为单位时间内混合物通过容器向外的散热为单位时间内混合物通过容器向外的散热为二、热力着火1、热力着火机理单位时间内混合物通过容器向外的散15燃气燃烧反应动力学课件16着火点温度下有：着火点温度下有：Ti与与T0的关系：的关系：着火点温度下有：Ti与T0的关系：172、影响热力着火的因素影响热力着火的因素（）改变炉膛壁温（加（）改变炉膛壁温（加热），可使燃气达到着热），可使燃气达到着火点温度。火点温度。（）改变炉膛壁面的保（）改变炉膛壁面的保温效果，即散热线的斜温效果，即散热线的斜率降低，引起着火点温率降低，引起着火点温度改变。度改变。2、影响热力着火的因素（）改变炉膛壁温（加热），可使燃气达18（）不改变散热线，改变（）不改变散热线，改变反应的压力，即改变反应反应的压力，即改变反应速度，从而改变了发热线速度，从而改变了发热线的位置，引起着火点温度的位置，引起着火点温度改变。改变。（）改变燃气的物理化学（）改变燃气的物理化学性质（改变组成），即改性质（改变组成），即改变了变了H、k0和和Ea，从而改，从而改变着火点温度。变着火点温度。（）改变混合物中的可燃（）改变混合物中的可燃气体浓度，着火点温度改气体浓度，着火点温度改变。变。（）不改变散热线，改变反应的压力，即改变反应速度，从而改变19第四节燃气的点火第四节燃气的点火强制点火：将小热源放入可燃混合物中，贴近热源周围强制点火：将小热源放入可燃混合物中，贴近热源周围的一层混合物被迅速加热并开始燃烧产生火焰，然后的一层混合物被迅速加热并开始燃烧产生火焰，然后向系统冷的部分传播，使可燃混合物逐步着火燃烧。向系统冷的部分传播，使可燃混合物逐步着火燃烧。强制点火与支链着火、热力着火的区别？强制点火与支链着火、热力着火的区别？点火源点火源灼热的固体颗粒灼热的固体颗粒电热线圈电热线圈电火花电火花小火焰小火焰第四节燃气的点火强制点火：将小热源放入可燃混合物中，贴近20一、强制点火机理一、强制点火机理3、点火成功时，灼热点火成功时，灼热颗粒表面形成的火焰层颗粒表面形成的火焰层的厚度的厚度 设火焰内侧的最高设火焰内侧的最高温度为温度为Tf，根据热平衡，根据热平衡可求火焰层厚度。可求火焰层厚度。、强制点火温度比自强制点火温度比自动着火点温度要高。动着火点温度要高。、点火成功时，灼热、点火成功时，灼热固体颗粒表面的温度梯固体颗粒表面的温度梯度度dT/dx=0。一、强制点火机理3、点火成功时，灼热颗粒表面形成的火焰层21二、热球或热棒点火二、热球或热棒点火 点燃条件：点燃条件：当当Tw=Tis时，上式取等号。时，上式取等号。二、热球或热棒点火 点燃条件：当Tw=Ti22 灼热颗粒点火的影响因素：灼热颗粒点火的影响因素：思考思考：对于灼热颗粒点火来说，：对于灼热颗粒点火来说，P、g、Pr、Nu 如何如何影响点火温度？影响点火温度？提示：提示：灼热颗粒点火的影响因素：思考：对于灼热颗粒点火来说，23三、扁平火焰点火三、扁平火焰点火 实验表明，扁平点火火焰的实验表明，扁平点火火焰的临界厚度是火焰稳定传播时临界厚度是火焰稳定传播时焰面厚度的两倍。焰面厚度的两倍。影响因素分析：影响因素分析：1.要点燃导热率大的可燃物，要用温度高厚度大的火焰。要点燃导热率大的可燃物，要用温度高厚度大的火焰。2.若可燃物的析热率高，点火火焰的临界厚度可以减小。若可燃物的析热率高，点火火焰的临界厚度可以减小。3.若燃烧为二级化学反应，临界厚度与压力成反比。若燃烧为二级化学反应，临界厚度与压力成反比。课后自行思考其它的影响因素，并进行分析。课后自行思考其它的影响因素，并进行分析。三、扁平火焰点火 实验表明，扁平点火火焰的临界厚度是火24四、电火花点火四、电火花点火1、电火花点火机理、电火花点火机理 电火花点火：把两个电极放在可燃混合物中，通高压电火花点火：把两个电极放在可燃混合物中，通高压 电，打出火花，使混合物点火。电，打出火花，使混合物点火。电火花点火分两个阶段：电火花点火分两个阶段：第一阶段第一阶段 电火花加热可燃混合物使之局部着火，电火花加热可燃混合物使之局部着火，形成初始火焰中心。形成初始火焰中心。第二阶段第二阶段 初始火焰中心向未着火的混合物传播，初始火焰中心向未着火的混合物传播，使其燃烧。使其燃烧。第一阶段引出最小点火能第一阶段引出最小点火能Emin的概念；第二阶段引出熄火的概念；第二阶段引出熄火距离距离dq的概念。的概念。四、电火花点火1、电火花点火机理25最小点火能最小点火能Emin 当电极间可燃混合物的浓度、温度和当电极间可燃混合物的浓度、温度和压力一定时，若要形成初始火焰中心，放压力一定时，若要形成初始火焰中心，放电量必须有一最小值。电量必须有一最小值。初始火焰中心必须要达到一定的尺寸，初始火焰中心必须要达到一定的尺寸，使其析热率足以抵偿预热外层未燃气体的使其析热率足以抵偿预热外层未燃气体的热损失率。热损失率。最小点火能就是为建立临界最小尺寸火焰最小点火能就是为建立临界最小尺寸火焰所需要的最小能量。所需要的最小能量。熄火距离熄火距离dq 点火能与电极间距的关系见上图。点火能与电极间距的关系见上图。最小点火能Emin 最小点火能就是为建立临界最小尺寸26 最小点火能最小点火能Emin和熄火距和熄火距离离dq随混合物中燃气含量的变随混合物中燃气含量的变化曲线均呈化曲线均呈U形。形。最小点火能最小点火能Emin最小值最小值和和熄火距离熄火距离dq的最小值一般都在的最小值一般都在靠近化学计量混合比之处。靠近化学计量混合比之处。最小点火能Emin和熄火距离dq随混合272、电火花点火所需形成的最小火球尺寸电火花点火所需形成的最小火球尺寸 电火花点火形成火球，其最高电火花点火形成火球，其最高温度是混合气的理论燃烧温度温度是混合气的理论燃烧温度Tm。若点火成功，在火焰开始传播的若点火成功，在火焰开始传播的瞬间至少满足：化学反应放出的能量瞬间至少满足：化学反应放出的能量等与火球表面导走的能量。等与火球表面导走的能量。设可燃气在混合物中的体积百分设可燃气在混合物中的体积百分比浓度为比浓度为y，燃烧为二级化学反应，燃烧为二级化学反应，则有则有2、电火花点火所需形成的最小火球尺寸 电火花28课后自行思考其它影响课后自行思考其它影响rmin因素，并进行分析。因素，并进行分析。课后自行思考其它影响rmin因素，并进行分析。293、静止混合气中的最小点火能静止混合气中的最小点火能课后自行思考其它影响课后自行思考其它影响Emin因素，并进行分析。因素，并进行分析。3、静止混合气中的最小点火能课后自行思考其它影响Emin因素30