燃气燃烧反应动力

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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素,第二节 燃气燃烧反应的机理,第三节 燃气的着火,第四节 燃气的点火,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,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。,二、影响化学反速度的因素浓度、压力和温度,、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，简单反应的级数常常与反应分子数相同。,二、压力对化学反应速度的影响,情况一：有,N,mo,l气体充满体积为,V,1,的容器，压力为,p,1,，则反应速度为,情况二：温度不变情况下，改变容器的体积为,V,2,，对应的压力为,p,2,，则反应速度为,三、温度对反应速度的影响,Arrhenius 方程：,该方程是一经验公式。也可以从气体反应动力学推导而来。,设气体的总分子数为,N,0,，则其能量分布关系式为,式中：,E,，分子动能，,J/mol。设,摩尔质量，则,活化能,E,a,：分子活化而发生化学反应具有的最小能量。,能量超过,E,a,的分子数,N,a,（活化分子数）为,W,0,，假定所有分子碰撞均有效时的反应速度。,附：活化能,E,a,的实验测试,作图,ln,W,-1/,T,，得到一条直线，用最小二乘法求出直线的斜率，进而求得,活化能,E,a。,第二节燃气燃烧反应的机理链反应,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,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。,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,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,产物的同时，能再生新的活化中心，,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，,则由原始传递物引发的这条链就被中断。,直链反应举例,：,H,2,+Cl,2,=2HCl,1)Cl,2,+M,2Cl+M,链的开始,2)Cl+H,2,HCl+H,3)H+Cl,2,HCl+Cl,4),2Cl+MCl,2,+M,链的终止,链的传递,支链反应举例：,2H,2,+O,2,=2H,2,O,链的开始：最初的活化中心可能按下列方式得到,H,2,+O,2,2OH,H,2,+M,2H+M,O,2,+O,2,O,3,+O,链的传递：,H+O,2,O+OH,O+H,2,H+OH,OH+H,2,H+H,2,O,课本上还给出了CO和CH,4,的燃烧机理。,燃气燃烧反应都是支链反应。,链的终止：,2H+M,H,2,+M,H+OH+M,H,2,O+M,第三节 燃气的着火,任何可燃气体在一定条件下与氧接触，都要发生氧化反应。,1、,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；,生成的热量等于散失的热量。,2、不稳定的氧化反应,活化中心浓度增加的数量,大于,其销毁的数量；,生成的热量,大于,散失的热量。,由稳定的氧化反应转变为,不稳定的氧化反应而引起燃烧的一瞬间，称为,着火,。根据起因不同,分为支链着火和热力着火,。,一、支链着火,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,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，,与容器形状无关。,二、支链着火机理,假设：反应在等温下进行。,活化中心的产生速度：,式中，,C,a,，,活化中心的浓度；,W,0,，,分子活化产生活化中心的速度；,f,，由支链反应使活化中心增加的速度系数；,g,，活化中心销毁的速度系数。,不同情况讨论：,说明：,1、,支链反应着火前存在感应期，感应期的长短取决于初始的活化中心浓度。,2、,压力决定,W,0,和,二、热力着火,1、,热力着火机理,设容器体积,V，,壁面面积,F，,壁面温度,T,0,，反应物的温度,T,，反应物的浓度,C,A、,C,B,，那么,单位时间内容器中化学反应产生的热量为,单位时间内混合物通过容器向外的散热为,着火点温度下有：,T,i,与,T,0,的关系：,2、,影响热力着火的因素,（）改变炉膛壁温（加热），可使燃气达到着火点温度。,（）改变炉膛壁面的保温效果，即散热线的斜率降低，引起着火点温度改变。,（）不改变散热线，改变反应的压力，即改变反应速度，从而改变了发热线的位置，引起着火点温度改变。,（）改变燃气的物理化学性质（改变组成），即改变了,H、k,0,和,E,a,，从而改变着火点温度。,（）改变混合物中的可燃气体浓度，着火点温度改变。,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。,强制点火与支链着火、热力着火的区别？,点火源,灼热的固体颗粒,电热线圈,电火花,小火焰,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的厚度,设火焰内侧的最高温度为,T,f,，根据热平衡可求火焰层厚度。,、,强制点火温度比自动着火点温度要高。,、点火成功时，灼热固体颗粒表面的温度梯度d,T,/d,x,=0。,二、热球或热棒点火,点燃条件：,当,T,w,=,T,i,s,时，上式取等号。,灼热颗粒点火的影响因素：,思考,：对于灼热颗粒点火来说，,P、,g,、,Pr、Nu,如何影响点火温度？,提示：,三、扁平火焰点火,实验表明，扁平点火火焰的临界厚度是火焰稳定传播时焰面厚度的两倍。,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。,2.若可燃物的析热率高，点火火焰的临界厚度可以减小。,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。,四、电火花点火,1、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，打出火花，使混合物点火。,电火花点火分两个阶段：,第一阶段 电火花加热可燃混合物使之局部着火，,形成初始火焰中心。,第二阶段 初始火焰中心向未着火的混合物传播，,使其燃烧。,第一阶段引出最小点火能,E,min,的概念；第二阶段引出熄火距离,d,q,的概念。,最小点火能,E,min,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，使其析热率足以抵偿预热外层未燃气体的热损失率。,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。,熄火距离,d,q,点火能与电极间距的关系见上图。,最小点火能,E,min,和熄火距离,d,q,随混合物中燃气含量的变化曲线均呈U形。,最小点火能,E,min,最小值,和熄火距离,d,q,的最小值一般都在靠近化学计量混合比之处。,2、,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，其最高温度是混合气的理论燃烧温度,T,m,。,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比浓度为,y,，燃烧为二级化学反应，则有,课后自行思考其它影响,r,min,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,E,min,因素，并进行分析。,