燃料与燃烧02.ppt

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,*,第八章 燃烧反应速度和反应机理,第一节 化学反应速率,化学反应速率：单位时间内反应物（或生成物）浓度的变化量。,A+B=G+H,反应速率：,第七章 射流混合过程,时，,C,反,=C,产,C,反,=C,产,第二节 浓度对化学反应速率的影响,1,、质量作用定律,T=,常数时，,质量作用定律,C,A,、,C,B,反应物浓度,mol/cm,3,K,化学反应平衡常数,s,-1,称为反应速度常数,同时积分,得,化学反应动力学方程,例,2.,反应级数,n,称为化学反应级数,说明：,复杂反应不能应用反应级数的概念；,反应级数,n,与反应分子个数不是同一概念；,反应级数,n,反映出化学反应速度与反应物浓度之间的关系；,n,需由实验测定，若,n,已知，可计算出,W,。,一级反应,n=1,初始条件,，,C=C,0,反应物初始浓度,，,C=C,0,一级反应特点：,lnC,与,为线性关系，直线的斜率为,K,1,，即,K,1,为有量纲量，,s,-1,与,C,量纲无关,，,半衰期,如图,若,=,常数，,K,1,=,常数,=,常数与,C,0,无关,据,若,C0,二级反应,n=2,分两种情况：,初始条件,，,C=C,0,半衰期,特点：,与,成线性关系，直线的斜率为,K,2,反应物浓度随时间按双曲线衰减,C0,与,C,0,有关,K,2,的量纲与,C,和,有关,如图,n,级反应,如图,3.,反应级数的测定,积分法步骤：,尝试法：设,n=1,，,C,0,=,常数，在,时时刻,、,测出,C,1,、,C,2,若,K,1,常数，设,n=2,、,3,直到,K,1,为常数为止,作图法：根据,和,C,作图,若,lnC,与,作图为一直斜线，则,n=1,；,若,与,作图为一直斜线，则,n=2,；,半衰期法,微分法：,据公式,测出,=,、,对应的,C,1,、,C,2,作图：,第三节 温度对化学反应速率的影响,阿仑尼乌斯,定律,温度与化学反应速率的关系,指数曲线,爆炸反应,酶反应,某些,C,n,H,m,燃烧反应,合成,NO,2,反应,式中,R,气体常数,J/mol,K,；,T,绝对温度,K,；,K,0,频率因子，量纲与,K,相同；,n,反应级数；,E,活化能,J/mol,。,阿仑尼乌斯定律,2.,活化能,活化分子和活化能,具有一定能量水平，能发生化学反应的分子称为活化分子。,设,C=1 mol/L t=20,0,C,则每毫升（,ml,）每秒钟分子间发生的碰撞次数,10,28,次,若每次碰撞均发生反应,则反应在,10,-5,秒内完成。,活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的超出值称为反应的活化能。,能量,反应物,反应进程,产物,活化分子,E,0,E,+,E-,V,E,0,反应物平均能量,J/mol,E,+,正向反应的活化能（活化分子与反应物的能差）,E,-,逆向反应的活化能（活化分子与燃烧产物的能差）,E,+,E,-,V=Q (,反应热效应,),设反应物的活化能为,E,当,E,+,E,反应正向进行,当,E,-,E,反应逆向进行,T,，,K,，,W,E,，,K,，,W,斜率：,活化能的测定,作图法,K,K,0,代入法：测两组数据,K,1,T,1,K,2,T,2,两式相减,3.,反应速率的碰撞理论,P,系数，经实验测定，,P=0,1,反应,A+BD,C,A,、,C,B,A,、,B,两种反应物的浓度,mol/L,；,Z,单位体积，单位时间内分子碰撞次数，,叫碰撞频率，次,/mol,S,；,d,A,、,d,B,A,、,B,两种物质分子直径；,m,A,、,m,B,A,、,B,两种物质分子质量；,n,A,、,n,B,A,、,B,两种物质分子单位体积数。,第四节 压力对化学反应速率的影响,设,T=,常数,A+B+,产物,气体状态方程,PV=nRT,C,浓度,P,A,=C,A,RT P,A,A,物质的分压,P,A,=X,A,P,X,A,A,物质的摩尔数之比,二级反应（,n=2,）,n,级反应,对一级反应（,n=1,）,P,总压力,第五节 链锁反应,中间环节的反应机理,CO,燃烧，当,t=700,0,C,加入,H,2,O,使,实验,光量子,光频率,h,普朗特常数,6.63,10,-34,J/S,反应,加速,Cl*H*,称为活化分子、活化中心、链载体、自由基,M,第三体,链的激发,气体分子,自由基（原子）,H,*,+H,*,H,2,a.,引起一般稳定分子所不能引起的化学反应；,b.,与分子作用后，会产生一个或多个自由基。,作用：,链的传递：自由基与分子作用后，产生一个或多个自由基的过程称链传递。,分两种情况：,a.,直链反应,b.,链锁反应,链的中断：自由基结合为正常分子的过程称链的中断或链的销毁，有气相销毁和器壁销毁。,a.,自由基,b.,自由基,特点,:,n=1+0.5=1.5,级,2.,不分支链锁反应（直链反应）,3.,分支链锁反应,爆炸,热爆炸：由于反应物温度不断升高，反应速度迅速加快所引起的爆炸叫热爆炸。,化学链锁爆炸：自由基浓度迅速增大，反应速度迅速增大。,H,2,爆炸过程：,总反应,反应步骤：,链激发：,链传递：,链中断：,t600,0,C,发生爆炸，与,P,无关,H,*,，,OH*,，,HO*,2,器壁销毁,当氢与氧以二比一混合后，其发生爆炸的温度和压力范围为：,400,0,C t 600,0,C,是否发生爆炸，与,P,有关,P(KPa),T(K),H,2,=4%,94%,爆炸,若,H,2,94%,不反应,贫限 富限,A+B+C,G+H+,a+b+c,正常数,第六节 化学平衡,何时平衡,正向反应：,逆向反应：,反应平衡：,令,K,C,化学平衡常数,压力平衡常数,P,i,=C,i,RT,若,g+h-a-b=0,则,K,C,=K,P,第七节 常用物质的化学反应速率,1.H,2,2.CO,m,CO,、,m,O2,CO,、,O,2,相对浓度,PK,0,与,H,2,O,含量有关的常数,3.CH,4,常数,P,总压,m,、,n,、,t,实验常数,4.C,第九章 着火过程,1.,着火过程：,可燃气（汽）与氧化剂（氧气）混合后，即开始化学反应（燃烧反应），当温度升高达到化学反应激烈进行,(,稳定燃烧,),的过程叫着火过程。,2.,着火方式,自燃着火：可燃混合物在适当的温度压力下，由于内部的化学反应而自发的产生火焰的过程叫自燃着火。,点火（强制着火）：在可燃混合物中，用电火花、高温表面或辅助火焰等形成火焰中心，由此引起的火焰传播而实现着火的过程叫点火。,爆炸（爆燃）：由化学反应而产生的热能和活化核心的增加速度超出向系统外的散热和因气相销毁、器壁销毁的速度小于产生速度而打破平衡时所产生的急速燃烧反应叫爆炸。,3.,着火、熄火条件；稳定燃烧的条件,最小点火能量；熄火距离、熄火条件、临界直径,第一节 自发着火过程和着火温度,闭口系统,A,外表面积,T,0,外表面温度,V,体积,设：容器体积,V,，表面积,A,容器壁温,T,0,，可燃混合物温度、浓度均匀；反应物浓度在激烈反应前无变化。,1.,自然着火过程,q,反应热效应,kJ/kmol,W,反应速率,kmol/m,3,s,T,混合物温度,K,反应发热速率：,（,n,级反应）,根据假设：,q,、,V,、,K,0,、,n,、,C,均为常数,设：,散热条件：,设,低温稳定点,2.,着火温度,当系统具有一定的可燃混合物和散热条件时，使化学,反应自己加速达到自燃着火的最低温度叫着火温度。,设,T,B,为,Q,1,和,Q,2,的切点温度,求导,式做除法,将根号展开为级数,自燃着火条件下，着火温度与器壁温度的关系,第二节 点火过程,点火临界条件：,n,内法线,表示：,X%,例,H,2,94%,4%X=90%,1.,温度的影响,P=,常数,X,4,X,3,X,2,X,1,则,T,B2,T,B1,即,X,大,T,B,高,第三节 着火浓度界限,一定压力下着火温度与成分的关系,2.,压力影响,P=1 atm,C,CO,%=10,90%,P=0.5 atm,C,CO,%=40,60%,即,P,大,X,大,在一定温度下着火压力与成分关系,1.,燃烧室内燃烧过程的特性指标（判断燃烧质量）,燃烧强度（燃烧速度的指标）,容积热强度：,Q/V kJ/m,3,kJ/m,3,h=kW/m,3,断面热强度：,Q/F kJ/m,2,kJ/m,2,h=kW/m,2,燃烧调节比（调节倍数），燃烧稳定性的指标,第四节 燃烧室中的着火和熄火,燃烧完全系数、燃烧完全程度的指标,C,0,燃料初始浓度,C,燃料终了浓度,空气消耗系数：,燃烧室内燃烧特点,始终处于热量平衡状态,Q,入,=Q,出,任意一点温度不随时间变化,任意一点浓度不随时间变化,反应物在燃烧室内要有一定的停留时间 和反应时间,相对于 有一定的燃烧完全程度,2.,均相可燃混合物着火燃烧的热平衡,假设：,Q,传,=0,n=1,一级简单反应,燃烧完全系数：,相对温度：,，入口,，出口,相对时间：,单位时间、单位体积发热量：,W,kmol/m,3,s Q,kJ/kmol q,1,kJ/m,3,s,单位时间、单位体积散热量：,令,3.,稳定状态和临界条件,稳定燃烧状态,稳定燃烧时：,Q,1,=Q,2,1,点稳定点,2,2,点不稳定点,5,点稳定点（稳定燃烧工作点）,Q,0,大,T,0,大,T,0,小,Q,0,小,着火、熄火的临界条件,3,点与,4,点,影响稳定燃烧的因素,可燃混合物初始温度,T,0,高,大,可燃混合物发热量,Q,、,Q,大,大,改变,大,大,烟气循环量,T,0,大,a,大,大,扩散燃烧的稳定状态,假设：纯扩散燃烧，燃烧室绝热，燃烧带可燃混合物,浓度,C,，初始燃料浓度,C,0,，,C,0,C,K,C,发热曲线,C,K,为燃烧室平均浓度,扩散时间,燃烧反应速度,设,C0,结论：扩散燃烧的燃烧完全系数与温度无关，,只取决于停留时间和扩散时间之比。,条件：已经着火。,1,0,1,燃料进入速度,l,燃,-,燃烧室长度,缩短,曲线,在,较小的范围内，,对,的影响显著,增大到一定值，,对,的影响减弱，,散热曲线：,产物带走的热量,当,燃烧室工作状态,与,相交一点，且只有一点,与,无关，所以,一定时，,也一定,因,第十章 燃烧传播过程,第一节 燃烧前沿面及其传播过程,实验：,1.,燃烧前沿面（火焰前沿）,化学反应开始由点燃烧向未燃混合物传播，使已燃区,与未燃区形成明显的分界面，叫燃烧前沿面。,2.,传播过程：,使未燃烧的可燃混合物一层一层加热，着火，燃烧至燃尽。,4.,工业燃烧的实际状态：,设可燃混合物流动速度为,W,0,，火焰传播速度为,u,L,驻足条件：,若,脱火,回火,3.,火焰传播速度：,点火后，火焰前沿面在一相对静止的可燃,混合物,中的移动速度。,特点：极薄,第二节 层流火焰传播方程及正常传播速度,目的：建立火焰传播速度与可燃混合物物理化学参数之间的关系。,火焰传播过程：燃烧反应一层一层进行。,1.,泽尔多维奇模型,假设：,圆管绝热,火焰传播速度为,u,L,，一维传播，火焰面为平面，垂直于管轴，火焰面很薄,燃烧反应只在高温区,火焰前沿面驻足,W,0,=u,L,气流在管截面上速度分布均匀,过程：,内燃烧速度很小，称预热区,称为化学反应区，经 后,95%,98%,可燃成分燃烧,虽很小，但,T,、,C,变化很大,分子迁移，热量迁移,火焰传播机理：,一,.,热理论,二,.,扩散理论,2.,层流火焰传播基本方程,一,.,火焰前沿面的导热方程,(,根据能量平衡导出,),设：,T,0,：反应物初始温度,K,：反应区与预热区交界处温度,K,T,K,：火焰最终达到的燃烧温度,K,火焰前沿面体积,:(,取单位面积,),热收入：,燃料燃烧放热,q,燃料发热量,kJ/kg,W,反应速度,kg/m,3,s,由,面导入单元体,dx,的热量,火焰前沿面导热系数，设为常数,热支出：,由,面导出的热量,单元体热焓增量,质量流量,热吸入热支出,-,火焰前沿面导热方程,边界条件：,x,T=T,0,C=C,0,x T=T,K,C=0,3.,火焰前沿正常传播速度,假设：,所研究的反应为单分子简单反应,反应活化能很大,反应总是在接近最高燃烧温度,T,K,附近的薄层内完成,可燃混合物为层流，速度为,u,L,，且,u,L,分布均匀,火焰前沿很薄，管壁绝热,、,c,p,等物性参数为常数,不考虑扩散热效应,.,预热区中的近似传播方程：,W=0 q,W=0,边界条件：,x,T=T,0,在,T,0,范围内积分,反应区的近似传播方程,边界条件：,x+T=T,K,令,在,之间积分,在预热区终了处和反应区开始处,q,W,为单位时间、单位体积内反应物所放出的热量,qW,取,4.,物理化学参数对,u,L,的影响,可燃物性质,u,L,可燃混合物浓度,1 H,2,2C,2,H,2,3CO 4C,2,H,4,5C,3,H,6,6C,3,H,8,7C,5,H,5,8CH,4,氧浓度,O,2,u,L,1 H,2,2C,2,H,2,3CH,4,4CO,5C,2,H,4,6C,3,H,8,可燃物初始温度,T,0,T,0,u,L,T,K,u,L,n,实验常数,n1.7,2.0,压力,P,WP,n,n=1,n=2,系统不绝热的影响,如图,第三节 紊流火焰传播,1.,紊流火焰面的特点（与层流相比）,紊流火焰面变厚、变形、皱折、发光区不明显，,紊流火焰面内，传热、传质、扩散速度加快，,u,T,大，火焰传播速度增大,可燃混合物与燃烧产物快速混合燃烧，,W,大,u,T,与流动状态有关（,Re,）,u,T,的传播方向为皱折面的法线方向,分类：,i),小尺度紊流,L,火焰面厚度,L,气体微团尺寸,ii),大尺度弱紊流,u,气体微团的脉动速度,m/s,u,L,层流火焰传播速度,m/s,iii),大尺度强紊流,紊流火焰面内燃烧强度小,2.,紊流火焰传播速度的实验研究,Re,n=0.2,0.5,Re=300035000,T,0,C,（可燃混合物浓度）,如图所示,