燃料与燃烧幻灯片.ppt

燃料与燃烧燃料与燃烧第1页，共81页，编辑于2022年，星期日时，C反=C产C反=C产第2页，共81页，编辑于2022年，星期日第二节第二节 浓度对化学反应速率的影响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CA、CB反应物浓度mol/cm3K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 第3页，共81页，编辑于2022年，星期日例 第4页，共81页，编辑于2022年，星期日2.2.反应级数反应级数n n 称为化学反应级数称为化学反应级数说明：说明：复杂反应不能应用反应级数的概念；复杂反应不能应用反应级数的概念；反应级数反应级数n n与反应分子个数不是同一概念；与反应分子个数不是同一概念；反应级数反应级数n n反映出化学反应速度与反应物浓度之间的关系；反映出化学反应速度与反应物浓度之间的关系；n n需由实验测定，若需由实验测定，若n n已知，可计算出已知，可计算出W W。第5页，共81页，编辑于2022年，星期日 一级反应 n=1初始条件，C=C0反应物初始浓度，C=C0 第6页，共81页，编辑于2022年，星期日一级反应特点：lnC与为线性关系，直线的斜率为 K1，即K1为有量纲量，s-1,与C量纲无关，半衰期 如图 第7页，共81页，编辑于2022年，星期日若=常数，K1=常数 =常数与C0无关 据 若 C0 二级反应 n=2分两种情况：初始条件，C=C0 第8页，共81页，编辑于2022年，星期日 半衰期特点：与 成线性关系，直线的斜率为 K2 反应物浓度随时间按双曲线衰减C0 与C0有关 K2的量纲与C和有关如图 n级反应第9页，共81页，编辑于2022年，星期日如图 3.反应级数的测定积分法步骤：尝试法：设n=1，C0=常数，在时时刻、测出C1、C2若K1常数，设n=2、3直到K1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；第10页，共81页，编辑于2022年，星期日 半衰期法 微分法：据公式测出=、对应的C1、C2 作图：第11页，共81页，编辑于2022年，星期日第12页，共81页，编辑于2022年，星期日第三节第三节 温度对化学反应速率的影响温度对化学反应速率的影响1.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 第13页，共81页，编辑于2022年，星期日 酶反应 某些CnHm燃烧反应 合成NO2反应 第14页，共81页，编辑于2022年，星期日式中R气体常数 J/molK；T绝对温度 K；K0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。第15页，共81页，编辑于2022年，星期日设设 C=1 mol/L t=20 C=1 mol/L t=20 0 0C C则每毫升（则每毫升（mlml）每秒钟分子间发生的碰撞次数）每秒钟分子间发生的碰撞次数10102828次次,若每次碰若每次碰撞均发生反应撞均发生反应,则反应在则反应在1010-5-5秒内完成。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。的活化能。能量 反应物 反应进程 产物 活化分子 E0 E+E-V 第16页，共81页，编辑于2022年，星期日E E0 0反应物平均能量反应物平均能量 J/molJ/molE E+正向反应的活化能（活化分子与反应物的能差）正向反应的活化能（活化分子与反应物的能差）E E-逆向反应的活化能（活化分子与燃烧产物的能差）逆向反应的活化能（活化分子与燃烧产物的能差）E E+E E-V=Q (V=Q (反应热效应反应热效应)设反应物的活化能为设反应物的活化能为E E当当E E+E E 反应正向进行反应正向进行当当E E-E E 反应逆向进行反应逆向进行TT，KK，WWEE，KK，WW第17页，共81页，编辑于2022年，星期日 斜率：活化能的测定 作图法K K0 代入法：测两组数据 K1T1 K2T2第18页，共81页，编辑于2022年，星期日两式相减3.反应速率的碰撞理论P系数，经实验测定，P=01反应A+BD第19页，共81页，编辑于2022年，星期日CA、CBA、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/molS；dA、dBA、B两种物质分子直径；mA、mBA、B两种物质分子质量；nA、nBA、B两种物质分子单位体积数。第20页，共81页，编辑于2022年，星期日第四节第四节 压力对化学反应速率的影响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PA=CART PAA物质的分压PA=XAP XAA物质的摩尔数之比第21页，共81页，编辑于2022年，星期日二级反应（n=2）n级反应对一级反应（n=1）P总压力第22页，共81页，编辑于2022年，星期日第五节第五节 链锁反应链锁反应1.中间环节的反应机理CO燃烧，当t=7000C 加入H2O,使实验 光量子 光频率 h普朗特常数 6.6310-34 J/S 反应加速Cl*H*称为活化分子、活化中心、链载体、自由基第23页，共81页，编辑于2022年，星期日M第三体 链的激发气体分子自由基（原子）H*+H*H2 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：第24页，共81页，编辑于2022年，星期日 链的传递：自由基与分子作用后，产生一个或多个自由基的链的传递：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。过程称链传递。分两种情况：分两种情况：a.a.直链反应直链反应 b.b.链锁反应链锁反应 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。毁，有气相销毁和器壁销毁。a.自由基 b.自由基 第25页，共81页，编辑于2022年，星期日特点:n=1+0.5=1.5级2.不分支链锁反应（直链反应）第26页，共81页，编辑于2022年，星期日3.3.分支链锁反应分支链锁反应爆炸爆炸热爆炸：由于反应物温度不断升高，反应速度迅速加快热爆炸：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。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。化学链锁爆炸：自由基浓度迅速增大，反应速度迅速增大。H H2 2爆炸过程：爆炸过程：总反应总反应 反应步骤：链激发：链传递：第27页，共81页，编辑于2022年，星期日 链中断：t6000C 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：第28页，共81页，编辑于2022年，星期日4000C t 6000C是否发生爆炸，与P有关P(KPa)T(K)第29页，共81页，编辑于2022年，星期日H2=4%94%爆炸若 H294%不反应 贫限 富限A+B+C G+H+a+b+c正常数第30页，共81页，编辑于2022年，星期日第六节第六节 化学平衡化学平衡何时平衡正向反应：逆向反应：反应平衡：令第31页，共81页，编辑于2022年，星期日KC化学平衡常数压力平衡常数Pi=CiRT若 g+h-a-b=0则 KC=KP第32页，共81页，编辑于2022年，星期日第七节第七节 常用物质的化学反应速率常用物质的化学反应速率1.H2 2.CO mCO、mO2CO、O2相对浓度 PK0与H2O含量有关的常数3.CH4常数 P总压m、n、t实验常数4.C 第33页，共81页，编辑于2022年，星期日第九章第九章 着火过程着火过程 1.1.1.1.着火过程：着火过程：着火过程：着火过程：可燃气（汽）与氧化剂（氧气）混合后，即开始化可燃气（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学反应（燃烧反应），当温度升高达到化学反应激烈进行(稳稳定燃烧定燃烧)的过程叫着火过程。的过程叫着火过程。2.2.2.2.着火方式着火方式着火方式着火方式 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。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。着火的过程叫点火。第34页，共81页，编辑于2022年，星期日爆炸（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。打破平衡时所产生的急速燃烧反应叫爆炸。3.3.3.3.着火、熄火条件；稳定燃烧的条件着火、熄火条件；稳定燃烧的条件着火、熄火条件；稳定燃烧的条件着火、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、临界直径最小点火能量；熄火距离、熄火条件、临界直径第一节第一节第一节第一节 自发着火过程和着火温度自发着火过程和着火温度自发着火过程和着火温度自发着火过程和着火温度闭口系统闭口系统 AA外表面积外表面积 T T0 0外表面温度外表面温度 VV体积体积第35页，共81页，编辑于2022年，星期日设：容器体积设：容器体积V V，表面积，表面积A,A,容器壁温容器壁温T T0 0，可燃混合物温度、浓度均，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。匀；反应物浓度在激烈反应前无变化。1.1.自然着火过程自然着火过程 qq反应热效应反应热效应 kJ/kmolkJ/kmol W W反应速率反应速率 kmol/mkmol/m3 3ss T T混合物温度混合物温度 K K反应发热速率：反应发热速率：（n n级反应）级反应）第36页，共81页，编辑于2022年，星期日根据假设：q、V、K0、n、C均为常数设：第37页，共81页，编辑于2022年，星期日散热条件：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。第38页，共81页，编辑于2022年，星期日设TB为Q1和Q2的切点温度 求导 式做除法第39页，共81页，编辑于2022年，星期日 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40页，共81页，编辑于2022年，星期日第二节第二节 点火过程点火过程 点火临界条件：n内法线第41页，共81页，编辑于2022年，星期日表示：表示：X%X%例例 H H2 2 94%94%4%X=90%4%X=90%1.1.温度的影响温度的影响P=P=常数常数X X4 4XX3 3XX2 2XX1 1 则则T TB2B2TTB1B1即即XX大大 T TB B高高第三节第三节 着火浓度界限着火浓度界限一定压力下着火温度与成分的关系 第42页，共81页，编辑于2022年，星期日2.压力影响P=1 atm CCO%=1090%P=0.5 atm CCO%=4060%即P大 X大 在一定温度下着火压力与成分关系 第43页，共81页，编辑于2022年，星期日1.1.燃烧室内燃烧过程的特性指标（判断燃烧质量）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）燃烧强度（燃烧速度的指标）容积热强度：容积热强度：Q/V kJ/mQ/V kJ/m3 3 kJ/m kJ/m3 3h=kW/mh=kW/m3 3 断面热强度：断面热强度：Q/F kJ/mQ/F kJ/m2 2 kJ/m kJ/m2 2h=kW/mh=kW/m2 2 燃烧调节比（调节倍数），燃烧稳定性的指标燃烧调节比（调节倍数），燃烧稳定性的指标第四节第四节第四节第四节 燃烧室中的着火和熄火燃烧室中的着火和熄火燃烧室中的着火和熄火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第44页，共81页，编辑于2022年，星期日 C C0 0燃料初始浓度燃料初始浓度 CC燃料终了浓度燃料终了浓度 空气消耗系数：空气消耗系数：燃烧室内燃烧特点燃烧室内燃烧特点第45页，共81页，编辑于2022年，星期日 始终处于热量平衡状态始终处于热量平衡状态 Q Q入入=Q=Q出出 任意一点温度不随时间变化任意一点温度不随时间变化 任意一点浓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反应物在燃烧室内要有一定的停留时间 和反应时间和反应时间 相对于相对于 有一定的燃烧完全程度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 一级简单反应第46页，共81页，编辑于2022年，星期日第47页，共81页，编辑于2022年，星期日燃烧完全系数：相对温度：，入口，出口相对时间：单位时间、单位体积发热量：Wkmol/m3s QkJ/kmol q1kJ/m3s第48页，共81页，编辑于2022年，星期日第49页，共81页，编辑于2022年，星期日单位时间、单位体积散热量：第50页，共81页，编辑于2022年，星期日令3.稳定状态和临界条件稳定燃烧状态稳定燃烧时：Q1=Q2 1点稳定点2 第51页，共81页，编辑于2022年，星期日2点不稳定点5点稳定点（稳定燃烧工作点）Q0大 T0大 T0小 Q0小 着火、熄火的临界条件3点与4点 第52页，共81页，编辑于2022年，星期日 影响稳定燃烧的因素 可燃混合物初始温度T0高 大可燃混合物发热量Q、Q大 大 第53页，共81页，编辑于2022年，星期日 改变大 大烟气循环量 T0大 a 第54页，共81页，编辑于2022年，星期日 大 大 4.扩散燃烧的稳定状态第55页，共81页，编辑于2022年，星期日假设：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C0，C0CKC发热曲线,CK为燃烧室平均浓度 扩散时间燃烧反应速度 第56页，共81页，编辑于2022年，星期日设 C0第57页，共81页，编辑于2022年，星期日结论：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。10 1 燃料进入速度l燃-燃烧室长度缩短第58页，共81页，编辑于2022年，星期日 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 第59页，共81页，编辑于2022年，星期日燃烧室工作状态 与相交一点，且只有一点与无关，所以一定时，也一定 因第60页，共81页，编辑于2022年，星期日第十章第十章 燃烧传播过程燃烧传播过程第一节第一节 燃烧前沿面及其传播过程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。第61页，共81页，编辑于2022年，星期日4.工业燃烧的实际状态：设可燃混合物流动速度为W0，火焰传播速度为uL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62页，共81页，编辑于2022年，星期日第二节第二节第二节第二节 层流火焰传播方程及正常传播速度层流火焰传播方程及正常传播速度层流火焰传播方程及正常传播速度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。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。火焰传播过程：燃烧反应一层一层进行。1.1.泽尔多维奇模型泽尔多维奇模型假设：假设：圆管绝热圆管绝热 火焰传播速度为火焰传播速度为u uL L，一维传播，火焰面为平面，一维传播，火焰面为平面，垂直于管轴，火焰面很薄垂直于管轴，火焰面很薄,燃烧反应只在高温区燃烧反应只在高温区 火焰前沿面驻足火焰前沿面驻足 W W0 0=u=uL L 气流在管截面上速度分布均匀气流在管截面上速度分布均匀第63页，共81页，编辑于2022年，星期日 第64页，共81页，编辑于2022年，星期日过程：过程：内燃烧速度很小，称预热区内燃烧速度很小，称预热区 称为化学反应区，经称为化学反应区，经 后后95%95%98%98%可燃成分燃烧可燃成分燃烧 虽很小，但虽很小，但T T、C C变化很大变化很大 分子迁移，热量迁移分子迁移，热量迁移火焰传播机理：火焰传播机理：一一.热理论热理论二二.扩散理论扩散理论2.2.层流火焰传播基本方程层流火焰传播基本方程一一.火焰前沿面的导热方程火焰前沿面的导热方程(根据能量平衡导出根据能量平衡导出)设：设：T T0 0：反应物初始温度：反应物初始温度 K K ：反应区与预热区交界处温度：反应区与预热区交界处温度 K K第65页，共81页，编辑于2022年，星期日 T TK K：火焰最终达到的燃烧温度：火焰最终达到的燃烧温度 K K火焰前沿面体积火焰前沿面体积:(:(取单位面积取单位面积)热收入：热收入：燃料燃烧放热燃料燃烧放热 qq燃料发热量燃料发热量 kJ/kgkJ/kg W W反应速度反应速度 kg/mkg/m3 3ss 由由面导入单元体面导入单元体dxdx的热量的热量火焰前沿面导热系数，设为常数火焰前沿面导热系数，设为常数热支出：第66页，共81页，编辑于2022年，星期日 由面导出的热量 单元体热焓增量质量流量热吸入热支出第67页，共81页，编辑于2022年，星期日 -火焰前沿面导热方程边界条件：x T=T0 C=C0 x T=TK C=03.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TK附近的薄层内完成 可燃混合物为层流，速度为uL，且uL分布均匀 火焰前沿很薄，管壁绝热、cp等物性参数为常数,不考虑扩散热效应.第68页，共81页，编辑于2022年，星期日预热区中的近似传播方程：W=0 qW=0 第69页，共81页，编辑于2022年，星期日边界条件：x T=T0 在T0范围内积分反应区的近似传播方程边界条件：x+T=TK第70页，共81页，编辑于2022年，星期日令在之间积分在预热区终了处和反应区开始处第71页，共81页，编辑于2022年，星期日第72页，共81页，编辑于2022年，星期日 qW为单位时间、单位体积内反应物所放出的热量qW 第73页，共81页，编辑于2022年，星期日 取第74页，共81页，编辑于2022年，星期日4.物理化学参数对uL的影响 可燃物性质 uL 可燃混合物浓度1 H2 2C2H23CO 4C2H45C3H6 6C3H87C5H5 8CH4第75页，共81页，编辑于2022年，星期日 氧浓度 O2 uL1 H2 2C2H23CH4 4CO5C2H4 6C3H8 可燃物初始温度T0 T0 uL TK uLn实验常数 n1.7 2.0第76页，共81页，编辑于2022年，星期日 压力 P WPn n=1 n=2 系统不绝热的影响 如图第77页，共81页，编辑于2022年，星期日第三节第三节第三节第三节 紊流火焰传播紊流火焰传播紊流火焰传播紊流火焰传播1.1.紊流火焰面的特点（与层流相比）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，紊流火焰面内，传热、传质、扩散速度加快，u uT T大，火焰传播大，火焰传播速度增大速度增大 可燃混合物与燃烧产物快速混合燃烧，可燃混合物与燃烧产物快速混合燃烧，WW大大第78页，共81页，编辑于2022年，星期日 u uT T与流动状态有关（与流动状态有关（ReRe）u uT T的传播方向为皱折面的法线方向的传播方向为皱折面的法线方向 分类：分类：i)i)小尺度紊流小尺度紊流 L L 火焰面厚度火焰面厚度 LL气体微团尺寸气体微团尺寸ii)ii)大尺度弱紊流大尺度弱紊流 u u气体微团的脉动速度气体微团的脉动速度 m/sm/s u uL L层流火焰传播速度层流火焰传播速度 m/sm/s 第79页，共81页，编辑于2022年，星期日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=0.20.5 Re=300035000第80页，共81页，编辑于2022年，星期日 T0 C（可燃混合物浓度）如图所示第81页，共81页，编辑于2022年，星期日