燃气燃烧反应动力学

1、1第二章第二章 燃气燃烧反响动力学燃气燃烧反响动力学第一节第一节 化学反响速度及其影响因素化学反响速度及其影响因素第二节第二节 燃气燃烧反响的机理燃气燃烧反响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2第一节第一节 化学反响速度及其影响因素化学反响速度及其影响因素一、化学反响速度的表征一、化学反响速度的表征化学反响速度：一般用单位时间内单位体积中化学反响速度：一般用单位时间内单位体积中反响物消耗的摩尔数来衡量。反响物消耗的摩尔数来衡量。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、浓度对化学反响速度的影响、浓度对化学反响速度的

2、影响 n=a+bn=a+b称为该化学反响的总级数，一般由实验称为该化学反响的总级数，一般由实验确定，简单反响的级数常常与反响分子数相同。确定，简单反响的级数常常与反响分子数相同。 ddCW HGBAhgbabaCkCCWBAdd 3二、压力对化学反响速度的影响二、压力对化学反响速度的影响情况一：有情况一：有NmolNmol气体充满体积为气体充满体积为V1V1的容器，压力为的容器，压力为p1p1，那么反响速度为那么反响速度为情况二：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V2V2，对应，对应的压力为的压力为p2p2，那么反响速度为，那么反响速度为 nnVNkkCC

3、W)()dd(1111 nnVNkkCCW)()dd(2222 nnconstpVnpWppWWVVWW)()(.212112214三、温度对反响速度的影响Arrhenius 方程：该方程是一经验公式。也可以从气体反响动力学推导而来。设气体的总分子数为N0，那么其能量分布关系式为TEekkR0a21R230)R(2ddEeTNENTE 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 221vE5活化能Ea：分子活化而发生化学反响具有的最小能量。能量超过Ea的分子数Na活化分子数为W0W0，假定所有分子碰撞均有效时的反响速度。，假定所有分子碰撞均有效时的反响速度。

4、EEeTNEENNETEEd)R(2dddaa21R230a TEeNNETR0aaR留留第第一一项项的的结结果果为为一一迅迅速速收收敛敛的的级级数数，保保不不断断进进行行分分步步积积分分得得到到，令令nTECkWeWW00R0a6附：活化能附：活化能E Ea a的实验测试的实验测试TEWWeWWaTE1R0R0alnln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。KJ/mol31448R .7第二节燃气燃烧反响的机理第二节燃气燃烧反响的机理链反响链反响链反响：由大量反复循环的连串反响组成。链反

5、响特性：一旦被引发，就会相继发生系列基元反响，直至反响物消耗殆尽或通过外加因素使链环中断为止。链反响由三个步骤组成：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响，在生成产物的同时，能再生新的活化中心，使反响不断进行下去。 3) 链的终止：某一活化中心一旦变为一般分子，那么由原始传递物引发的这条链就被中断。8直链反响举例：H2+Cl2=2HCl1) Cl2+M 2Cl+M 链的开始 2) Cl+H2 HCl+H 3) H+Cl2 HCl+Cl 4) 2Cl+MCl2+M 链的终止应应可可以以引引出出新新的的链链环环的的反反有有两两个个或或多多

6、个个活活化化中中心心支支链链反反应应：某某个个链链环环中中。产产生生一一个个新新的的活活化化中中心心直直链链反反应应：每每个个链链环环只只链链反反应应链的传递链的传递9 支链反响举例：2H2+O2=2H2O链的开始：最初的活化中心可能按以下方式得到链的开始：最初的活化中心可能按以下方式得到 H2+O2 2OH H2+O2 2OH H2+M 2H+M H2+M 2H+M O2+O2 O3+O O2+O2 O3+O链的传递：链的传递： H+O2 O+OH H+O2 O+OH O+H2 H+OH O+H2 H+OH OH+H2 H+H2O OH+H2 H+H2O课本上还给出了课本上还给出了COCO和

7、和CH4CH4的燃烧机理。的燃烧机理。燃气燃烧反响都是支链反响。燃气燃烧反响都是支链反响。链的终止：链的终止： 2H+M2H+M H H2 2+M+M H+OH+M H+OH+M H H2 2O+MO+M10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，都要发生氧化反响。1、稳定的氧化反响 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、不稳定的氧化反响 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。 由稳定的氧化反响转变为不稳定的氧化反响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。11 一、支链着

8、火一、支链着火一、支链反响速度与压力、温度的关系一、支链反响速度与压力、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。12二、支链着火机理二、支链着火机理 假设：反响在等温下进行。活化中心的产生速度： 式中，Ca，活化中心的浓度；W0，分子活化产生活化中心的速度；f，由支链反响使活化中心增加的速度系数；g，活化中心销毁的速度系数。 a0aaa0addddCWCg

9、CfCWCgf 令令)()(,110000efWfCWeWCCaaa链反应的速度，故链反应的速度，故反应物生成的速度反应物生成的速度，解得，解得时时当当13不同情况讨论：不同情况讨论： .constfWWegf000这这时时有有，则则若若，即即 00a000aadd0fWWWCWCC 这时有这时有，则，则，efWWefWWgfi0010 )(这这时时有有，即即14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。，0WP。，。时时，。，且且。时时，上上限限上上限限下下限限

10、下下限限000PPPPPPPP15二、热力着火二、热力着火1 1、热力着火机理、热力着火机理设容器体积设容器体积V V，壁面面积，壁面面积F F，壁面温度，壁面温度T0T0，反响物的，反响物的温度温度T T，反响物的浓度，反响物的浓度CACA、CBCB，那么，那么单位时间内容器中化学反响产生的热量为单位时间内容器中化学反响产生的热量为HVCCekWHVQbaTEBAR01aTEbaAeQHVCCkAR1BA0a，则则令令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)()(002TTBTTFQ1617着火点温度下有：着火点温度下有：0R2a0R2121aaR)(ddd

11、dTTBeTAETTBAeTQTQQQiTETE和和 T Ti i与与T T0 0的关系：的关系：C3316R2R4421R42111R2R411a200a2a0a01R4aa0a0)(ERTTTTEETETTEETTiiETi略去三阶以上无穷小略去三阶以上无穷小，182 2、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，可使燃气到达着热，可使燃气到达着火点温度。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。19不改变散热线，改变不改变散热线，改变反响的压力，即改变反响反响的压力

12、，即改变反响速度，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 H、k0k0和和EaEa，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。20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，然后向系统冷的局部传播，使可

13、燃混合物逐步着火燃烧。向系统冷的局部传播，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21一、强制点火机理一、强制点火机理3 3、点火成功时，灼热、点火成功时，灼热颗粒外表形成的火焰层颗粒外表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TfTf，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，灼热固体颗粒外表的温度梯固体颗粒外表

14、的温度梯度度dT/dx=0dT/dx=0。f0f2)(TTAQHWAQf121QQ 210ffWHTT)(22二、热球或热棒点火二、热球或热棒点火 点燃条件：点燃条件： HWTTTTrHWr 0w0w2244即即 当当T Tw w= =T Ti is s时，上式取等号。时，上式取等号。saR020s0siTEniieCkHTTHWTT23 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：00TTATTAww)(rdNu2Nur2ccaPr。，siT。，s iTrr。因因为

15、为，相对气流速度或绕流相对气流速度或绕流Re。，s iTHC24三、扁平火焰点火三、扁平火焰点火 实验说明，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。210ffcWHTTr)(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。 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。2cnpr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。25

16、四、电火花点火四、电火花点火1 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E Eminmin的概念；第二阶段引出熄火的概念；第二阶段

17、引出熄火距离距离d dq q的概念。的概念。26最小点火能最小点火能EminEmin 当电极间可燃混合物的浓当电极间可燃混合物的浓度、温度和压力一定时，假设要度、温度和压力一定时，假设要形成初始火焰中心，放电量必须形成初始火焰中心，放电量必须有一最小值。有一最小值。 初始火焰中心必须要到达一初始火焰中心必须要到达一定的尺寸，使其析热率足以抵偿定的尺寸，使其析热率足以抵偿预热外层未燃气体的热损失率。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d dq q 点火能与电极间距的关系见上图。点

18、火能与电极间距的关系见上图。27 最小点火能最小点火能E Eminmin和熄火距离和熄火距离d dq q随混合物中燃气含量的变化随混合物中燃气含量的变化曲线均呈曲线均呈U U形。形。 最小点火能最小点火能E Eminmin最小值和熄最小值和熄火距离火距离d dq q的最小值一般都在靠的最小值一般都在靠近化学计量混合比之处。近化学计量混合比之处。282 2、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，其最高温度是混合气的理论燃烧温度Tm。 假设点火成功，在火焰开始传播的瞬间至少满足：化学反响放出的能量等与火球外表导走的能量。 设可燃气在混合物中的体积百分比浓度为y，燃烧为二级化学反响，那么有minmadd4)(342minR203minrrTErTreykHr f0mddTTrTrrmin29mincrf球尺寸成正比，即球尺寸成正比，即假设火焰锋面厚度与火假设火焰锋面厚度与火.minconstrP 所所以以对对于于某某一一燃燃气气，有有课后自行思考其它影响课后自行思考其它影响r rminmin因素，并进行分析。因素，并进行分析。21R200mma3TEeycHkTTr)()(minP0mcHTT0