燃氣燃燒反應動力學ppt課件

1、1第二章第二章 燃氣燃燒反應動力學燃氣燃燒反應動力學第一節(jié)第一節(jié) 化學反應速度及其影響因素化學反應速度及其影響因素第二節(jié)第二節(jié) 燃氣燃燒反應的機理燃氣燃燒反應的機理第三節(jié)第三節(jié) 燃氣的著火燃氣的著火第四節(jié)第四節(jié) 燃氣的點火燃氣的點火2第一節(jié)第一節(jié) 化學反應速度及其影響因素化學反應速度及其影響因素一、化學反應速度的表征一、化學反應速度的表征化學反應速度：一般用單位時間內(nèi)單位體積中反應物消化學反應速度：一般用單位時間內(nèi)單位體積中反應物消耗的摩爾數(shù)來衡量。耗的摩爾數(shù)來衡量。二、影響化學反速度的因素二、影響化學反速度的因素濃度、壓力和溫度濃度、壓力和溫度、濃度對化學反應速度的影響、濃度對化學反應速度的

2、影響 n=a+b稱為該化學反應的總級數(shù)，一般由實驗確定，稱為該化學反應的總級數(shù)，一般由實驗確定，簡單反應的級數(shù)常常與反應分子數(shù)相同。簡單反應的級數(shù)常常與反應分子數(shù)相同。 ddCW HGBAhgbabaCkCCWBAdd 3二、壓力對化學反應速度的影響二、壓力對化學反應速度的影響情況一：有情況一：有Nmol氣體充滿體積為氣體充滿體積為V1的容器，壓力為的容器，壓力為p1，則反應速度為則反應速度為情況二：溫度不變情況下，改變?nèi)萜鞯捏w積為情況二：溫度不變情況下，改變?nèi)萜鞯捏w積為V2，對應，對應的壓力為的壓力為p2，則反應速度為，則反應速度為 nnVNkkCCW)()dd(1111 nnVNkkCCW

3、)()dd(2222 nnconstpVnpWppWWVVWW)()(.212112214三、溫度對反應速度的影響三、溫度對反應速度的影響Arrhenius 方程：方程：該方程是一經(jīng)驗公式。也可以從氣體反應動力學推該方程是一經(jīng)驗公式。也可以從氣體反應動力學推導而來。導而來。設氣體的總分子數(shù)為設氣體的總分子數(shù)為N0，則其能量分布關系式為，則其能量分布關系式為TEekkR0a21R230)R(2ddEeTNENTE 式中：式中：E，分子動能，分子動能，J/mol。設。設摩爾質量，則摩爾質量，則 221vE5活化能活化能Ea：分子活化而發(fā)生化學反應具有的最小能量。：分子活化而發(fā)生化學反應具有的最小能

4、量。能量超過能量超過Ea的分子數(shù)的分子數(shù)Na（活化分子數(shù)）為（活化分子數(shù)）為W0，假定所有分子碰撞均有效時的反應速度。，假定所有分子碰撞均有效時的反應速度。EEeTNEENNETEEd)R(2dddaa21R230a TEeNNETR0aaR留留第第一一項項的的結結果果為為一一迅迅速速收收斂斂的的級級數(shù)數(shù)，保保不不斷斷進進行行分分步步積積分分得得到到，令令nTECkWeWW00R0a6附：活化能附：活化能Ea的實驗測試的實驗測試TEWWeWWaTE1R0R0alnln作圖作圖lnW-1/T，得到一條直線，用最小二乘法求，得到一條直線，用最小二乘法求出直線的斜率，進而求得出直線的斜率，進而求得活

5、化能活化能Ea。KJ/mol31448R .7第二節(jié)燃氣燃燒反應的機理第二節(jié)燃氣燃燒反應的機理鏈反應鏈反應鏈反應：由大量反復循環(huán)的連串反應組成。鏈反應：由大量反復循環(huán)的連串反應組成。鏈反應特性：一旦被引發(fā)，就會相繼發(fā)生系列基元鏈反應特性：一旦被引發(fā)，就會相繼發(fā)生系列基元反應，直至反應物消耗殆盡或通過外加反應，直至反應物消耗殆盡或通過外加因素使鏈環(huán)中斷為止。因素使鏈環(huán)中斷為止。鏈反應由三個步驟組成：鏈反應由三個步驟組成：1) 鏈的開始（或鏈的引發(fā)）：產(chǎn)生自由原子或鏈的開始（或鏈的引發(fā)）：產(chǎn)生自由原子或自由基（稱為活化中心）。自由基（稱為活化中心）。2) 鏈的傳遞：活化中心與一般分子反應，在生成鏈

6、的傳遞：活化中心與一般分子反應，在生成產(chǎn)物的同時，能再生新的活化中心，產(chǎn)物的同時，能再生新的活化中心，使反應不斷進行下去。使反應不斷進行下去。 3) 鏈的終止：某一活化中心一旦變?yōu)橐话惴肿?，鏈的終止：某一活化中心一旦變?yōu)橐话惴肿樱瑒t由原始傳遞物引發(fā)的這條鏈就被中斷。則由原始傳遞物引發(fā)的這條鏈就被中斷。8直鏈反應舉例直鏈反應舉例：H2+Cl2=2HCl1) Cl2+M 2Cl+M 鏈的開始鏈的開始 2) Cl+H2 HCl+H 3) H+Cl2 HCl+Cl 4) 2Cl+MCl2+M 鏈的終止鏈的終止應應可可以以引引出出新新的的鏈鏈環(huán)環(huán)的的反反有有兩兩個個或或多多個個活活化化中中心心支支鏈鏈反

7、反應應：某某個個鏈鏈環(huán)環(huán)中中。產(chǎn)產(chǎn)生生一一個個新新的的活活化化中中心心直直鏈鏈反反應應：每每個個鏈鏈環(huán)環(huán)只只鏈鏈反反應應鏈的傳遞鏈的傳遞9 支鏈反應舉例：支鏈反應舉例：2H2+O2=2H2O鏈的開始：最初的活化中心可能按下列方式得到鏈的開始：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鏈的傳遞：鏈的傳遞： H+O2 O+OH O+H2 H+OH OH+H2 H+H2O課本上還給出了課本上還給出了CO和和CH4的燃燒機理。的燃燒機理。燃氣燃燒反應都是支鏈反應。燃氣燃燒反應都是支鏈反應。鏈的終止：鏈的終止： 2H+M H2+M H+OH+M H2O

8、+M10第三節(jié)第三節(jié) 燃氣的著火燃氣的著火 任何可燃氣體在一定條件下與氧接觸，都要發(fā)生任何可燃氣體在一定條件下與氧接觸，都要發(fā)生氧化反應。氧化反應。1、穩(wěn)定的氧化反應穩(wěn)定的氧化反應 活化中心濃度增加的數(shù)量正好補償其銷毀的數(shù)量；活化中心濃度增加的數(shù)量正好補償其銷毀的數(shù)量； 生成的熱量等于散失的熱量。生成的熱量等于散失的熱量。2、不穩(wěn)定的氧化反應、不穩(wěn)定的氧化反應 活化中心濃度增加的數(shù)量活化中心濃度增加的數(shù)量大于大于其銷毀的數(shù)量；其銷毀的數(shù)量； 生成的熱量生成的熱量大于大于散失的熱量。散失的熱量。 由穩(wěn)定的氧化反應轉變?yōu)橛煞€(wěn)定的氧化反應轉變?yōu)椴环€(wěn)定的氧化反應而引不穩(wěn)定的氧化反應而引起燃燒的一瞬間，

9、稱為起燃燒的一瞬間，稱為著火著火。根據(jù)起因不同。根據(jù)起因不同分為支鏈分為支鏈著火和熱力著火著火和熱力著火。11 一、支鏈著火一、支鏈著火一、支鏈反應速度與壓力、溫度的關系一、支鏈反應速度與壓力、溫度的關系壓力下限與可燃混合物的組成（惰性氣體、雜質）及壓力下限與可燃混合物的組成（惰性氣體、雜質）及 容器形狀有關，與溫度關系不大；容器形狀有關，與溫度關系不大；壓力上限對惰性氣體、雜質敏感，與溫度關系很大，壓力上限對惰性氣體、雜質敏感，與溫度關系很大， 與容器形狀無關。與容器形狀無關。12二、支鏈著火機理二、支鏈著火機理 假設：反應在等溫下進行。假設：反應在等溫下進行?；罨行牡漠a(chǎn)生速度：活化中心的

10、產(chǎn)生速度： 式中，式中，Ca，活化中心的濃度；活化中心的濃度；W0，分子活化產(chǎn)生活分子活化產(chǎn)生活化中心的速度；化中心的速度；f，由支鏈反應使活化中心增加的速度，由支鏈反應使活化中心增加的速度系數(shù)；系數(shù)；g，活化中心銷毀的速度系數(shù)。，活化中心銷毀的速度系數(shù)。 a0aaa0addddCWCgCfCWCgf 令令)()(,110000efWfCWeWCCaaa鏈反應的速度，故鏈反應的速度，故反應物生成的速度反應物生成的速度，解得，解得時時當當13不同情況討論：不同情況討論： .constfWWegf000這這時時有有，則則若若，即即 00a000aadd0fWWWCWCC 這這時時有有，則則，efW

11、WefWWgfi0010 )(這這時時有有，即即14說明：說明：1、支鏈反應著火前存在支鏈反應著火前存在感應期，感應期的長短取感應期，感應期的長短取決于初始的活化中心濃度。決于初始的活化中心濃度。2、壓力決定壓力決定W0和和。，0WP。，。時時，。，且且。時時，上上限限上上限限下下限限下下限限000PPPPPPPP15二、熱力著火二、熱力著火1、熱力著火機理熱力著火機理設容器體積設容器體積V，壁面面積壁面面積F，壁面溫度壁面溫度T0，反應物的，反應物的溫度溫度T，反應物的濃度，反應物的濃度CA、CB，那么，那么單位時間內(nèi)容器中化學反應產(chǎn)生的熱量為單位時間內(nèi)容器中化學反應產(chǎn)生的熱量為HVCCek

12、WHVQbaTEBAR01aTEbaAeQHVCCkAR1BA0a，則，則令令單位時間內(nèi)混合物通過容器向外的散熱為單位時間內(nèi)混合物通過容器向外的散熱為)()(002TTBTTFQ1617著火點溫度下有：著火點溫度下有：0R2a0R2121aaR)(ddddTTBeTAETTBAeTQTQQQiTETE和和 Ti與與T0的關系：的關系：C3316R2R4421R42111R2R411a200a2a0a01R4aa0a0)(ERTTTTEETETTEETTiiETi略去三階以上無窮小略去三階以上無窮小，182、影響熱力著火的因素影響熱力著火的因素（）改變爐膛壁溫（加（）改變爐膛壁溫（加熱），可使燃

13、氣達到著熱），可使燃氣達到著火點溫度?；瘘c溫度。（）改變爐膛壁面的保（）改變爐膛壁面的保溫效果，即散熱線的斜溫效果，即散熱線的斜率降低，引起著火點溫率降低，引起著火點溫度改變。度改變。19（）不改變散熱線，改變（）不改變散熱線，改變反應的壓力，即改變反反應的壓力，即改變反應速度，從而改變了發(fā)應速度，從而改變了發(fā)熱線的位置，引起著火熱線的位置，引起著火點溫度改變。點溫度改變。（）改變?nèi)細獾奈锢砘瘜W（）改變?nèi)細獾奈锢砘瘜W性質（改變組成），即性質（改變組成），即改變了改變了H、k0和和Ea，從而，從而改變著火點溫度。改變著火點溫度。（）改變混合物中的可燃（）改變混合物中的可燃氣體濃度，著火點溫度氣體

14、濃度，著火點溫度改變。改變。20第四節(jié)燃氣的點火第四節(jié)燃氣的點火強制點火：將小熱源放入可燃混合物中，貼近熱源周圍強制點火：將小熱源放入可燃混合物中，貼近熱源周圍的一層混合物被迅速加熱并開始燃燒產(chǎn)生火焰，然后的一層混合物被迅速加熱并開始燃燒產(chǎn)生火焰，然后向系統(tǒng)冷的部分傳播，使可燃混合物逐步著火燃燒。向系統(tǒng)冷的部分傳播，使可燃混合物逐步著火燃燒。強制點火與支鏈著火、熱力著火的區(qū)別？強制點火與支鏈著火、熱力著火的區(qū)別？點火源點火源灼熱的固體顆粒灼熱的固體顆粒電熱線圈電熱線圈電火花電火花小火焰小火焰21一、強制點火機理一、強制點火機理3、點火成功時，灼點火成功時，灼熱顆粒表面形成的火焰熱顆粒表面形成的

15、火焰層的厚度層的厚度 設火焰內(nèi)側的最高設火焰內(nèi)側的最高溫度為溫度為Tf，根據(jù)熱平衡，根據(jù)熱平衡可求火焰層厚度?？汕蠡鹧鎸雍穸取?、強制點火溫度比自強制點火溫度比自動著火點溫度要高。動著火點溫度要高。、點火成功時，灼熱、點火成功時，灼熱固體顆粒表面的溫度梯固體顆粒表面的溫度梯度度dT/dx=0。f0f2)(TTAQHWAQf121QQ 210ffWHTT)(22二、熱球或熱棒點火二、熱球或熱棒點火 點燃條件：點燃條件： HWTTTTrHWr 0w0w2244即即 當當Tw=Tis時，上式取等號。時，上式取等號。saR020s0siTEniieCkHTTHWTT23 灼熱顆粒點火的影響因素：灼熱顆粒

16、點火的影響因素：思考思考：對于灼熱顆粒點火來說，：對于灼熱顆粒點火來說，P、g、Pr、Nu 如何如何影響點火溫度？影響點火溫度？提示：提示：00TTATTAww)(rdNu2Nur2ccaPr。，siT。，s iTrr。因因為為，相對氣流速度或繞流相對氣流速度或繞流Re。，s iTHC24三、扁平火焰點火三、扁平火焰點火 實驗表明，扁平點火火焰的實驗表明，扁平點火火焰的臨界厚度是火焰穩(wěn)定傳播時臨界厚度是火焰穩(wěn)定傳播時焰面厚度的兩倍。焰面厚度的兩倍。210ffcWHTTr)(影響因素分析：影響因素分析：1.要點燃導熱率大的可燃物，要用溫度高厚度大的火焰。要點燃導熱率大的可燃物，要用溫度高厚度大的

17、火焰。2.若可燃物的析熱率高，點火火焰的臨界厚度可以減小。若可燃物的析熱率高，點火火焰的臨界厚度可以減小。 若燃燒為二級化學反應，臨界厚度與壓力成反比。若燃燒為二級化學反應，臨界厚度與壓力成反比。2cnpr課后自行思考其它的影響因素，并進行分析。課后自行思考其它的影響因素，并進行分析。25四、電火花點火四、電火花點火1、電火花點火機理、電火花點火機理 電火花點火：把兩個電極放在可燃混合物中，通高壓電火花點火：把兩個電極放在可燃混合物中，通高壓 電，打出火花，使混合物點火。電，打出火花，使混合物點火。電火花點火分兩個階段：電火花點火分兩個階段： 第一階段第一階段 電火花加熱可燃混合物使之局部著火

18、，電火花加熱可燃混合物使之局部著火， 形成初始火焰中心。形成初始火焰中心。 第二階段第二階段 初始火焰中心向未著火的混合物傳播，初始火焰中心向未著火的混合物傳播， 使其燃燒。使其燃燒。第一階段引出最小點火能第一階段引出最小點火能Emin的概念；第二階段引出熄火的概念；第二階段引出熄火距離距離dq的概念。的概念。26最小點火能最小點火能Emin 當電極間可燃混合物的濃度、溫度和當電極間可燃混合物的濃度、溫度和壓力一定時，若要形成初始火焰中心，壓力一定時，若要形成初始火焰中心，放電量必須有一最小值。放電量必須有一最小值。 初始火焰中心必須要達到一定的尺寸，初始火焰中心必須要達到一定的尺寸，使其析熱

19、率足以抵償預熱外層未燃氣體使其析熱率足以抵償預熱外層未燃氣體的熱損失率。的熱損失率。 最小點火能就是為建立臨界最小尺寸火焰最小點火能就是為建立臨界最小尺寸火焰所需要的最小能量。所需要的最小能量。熄火距離熄火距離dq 點火能與電極間距的關系見上圖。點火能與電極間距的關系見上圖。27 最小點火能最小點火能Emin和熄火距和熄火距離離dq隨混合物中燃氣含量的變隨混合物中燃氣含量的變化曲線均呈化曲線均呈U形。形。 最小點火能最小點火能Emin最小值最小值和和熄火距離熄火距離dq的最小值一般都在的最小值一般都在靠近化學計量混合比之處?？拷瘜W計量混合比之處。282、電火花點火所需形成的最小火球尺寸電火花點火所需形成的最小火球尺寸 電火花點火形成火球，其最高溫電火花點火形成火球，其最高溫度是混合氣的理論燃燒溫度度是混合氣的理論燃燒溫度Tm。 若