燃?xì)馊紵磻?yīng)動(dòng)力學(xué)課件

1、第一節(jié)第一節(jié) 化學(xué)反應(yīng)速度及其影響因素化學(xué)反應(yīng)速度及其影響因素一、化學(xué)反應(yīng)速度的表征一、化學(xué)反應(yīng)速度的表征化學(xué)反應(yīng)速度：一般用單位時(shí)間內(nèi)單位體積中反應(yīng)物消化學(xué)反應(yīng)速度：一般用單位時(shí)間內(nèi)單位體積中反應(yīng)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(xué)反速度的因素二、影響化學(xué)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(xué)反應(yīng)速度的影響、濃度對化學(xué)反應(yīng)速度的影響 n=a+b稱為該化學(xué)反應(yīng)的總級數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)確定，稱為該化學(xué)反應(yīng)的總級數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)確定，簡單反應(yīng)的級數(shù)常常與反應(yīng)分子數(shù)相同。簡單反應(yīng)的級數(shù)常常與反應(yīng)分子數(shù)相同。 ddCW HGBAhgbabaCkCCWBAdd 二、壓力對化學(xué)

2、反應(yīng)速度的影響二、壓力對化學(xué)反應(yīng)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(yīng)速度為則反應(yīng)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(yīng)，對應(yīng)的壓力為的壓力為p2，則反應(yīng)速度為，則反應(yīng)速度為 nnVNkkCCW)()dd(1111 nnVNkkCCW)()dd(2222 nnconstpVnpWppWWVVWW)()(.21211221三、溫度對反應(yīng)速度的影響三、溫度對反應(yīng)速度的影響Arrhenius 方程：方程：該方程是一經(jīng)驗(yàn)公式。也可以從氣體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)推該方程是一經(jīng)驗(yàn)公式。也可

3、以從氣體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)而來。導(dǎo)而來。設(shè)氣體的總分子數(shù)為設(shè)氣體的總分子數(shù)為N0，則其能量分布關(guān)系式為，則其能量分布關(guān)系式為TEekkR0a21R230)R(2ddEeTNENTE 式中：式中：E，分子動(dòng)能，分子動(dòng)能，J/mol。設(shè)。設(shè)摩爾質(zhì)量，則摩爾質(zhì)量，則 221vE活化能活化能Ea：分子活化而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)具有的最小能量。：分子活化而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)具有的最小能量。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(shí)的反應(yīng)速度。，假定所有分子碰撞均有效時(shí)的反應(yīng)速度。EEeTNEENNETEEd)R(2dddaa21R230a TEeNNETR0aa

4、R留第一項(xiàng)的結(jié)果為留第一項(xiàng)的結(jié)果為一迅速收斂的級數(shù)，保一迅速收斂的級數(shù)，保不斷進(jìn)行分步積分得到不斷進(jìn)行分步積分得到，令令nTECkWeWW00R0a附：活化能附：活化能Ea的實(shí)驗(yàn)測試的實(shí)驗(yàn)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(jìn)而求得出直線的斜率，進(jìn)而求得活化能活化能Ea。KJ/mol31448R .第二節(jié)燃?xì)馊紵磻?yīng)的機(jī)理第二節(jié)燃?xì)馊紵磻?yīng)的機(jī)理鏈反應(yīng)鏈反應(yīng)鏈反應(yīng)：由大量反復(fù)循環(huán)的連串反應(yīng)組成。鏈反應(yīng)：由大量反復(fù)循環(huán)的連串反應(yīng)組成。鏈反應(yīng)特性：一旦被引發(fā)，就會相繼發(fā)生系列基元鏈反應(yīng)特性：一旦

5、被引發(fā)，就會相繼發(fā)生系列基元反應(yīng)，直至反應(yīng)物消耗殆盡或通過外加反應(yīng)，直至反應(yīng)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(yīng)由三個(gè)步驟組成：鏈反應(yīng)由三個(gè)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(yīng)，在生成鏈的傳遞：活化中心與一般分子反應(yīng)，在生成產(chǎn)物的同時(shí)，能再生新的活化中心，產(chǎn)物的同時(shí)，能再生新的活化中心，使反應(yīng)不斷進(jìn)行下去。使反應(yīng)不斷進(jìn)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?，則由原始傳遞

6、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。直鏈反應(yīng)舉例直鏈反應(yīng)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(yīng)應(yīng)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(gè)個(gè)或或多多個(gè)個(gè)活活化化中中心心支支鏈鏈反反應(yīng)應(yīng)：某某個(gè)個(gè)鏈鏈環(huán)環(huán)中中。產(chǎn)產(chǎn)生生一一個(gè)個(gè)新新的的活活化化中中心心直直鏈鏈反反應(yīng)應(yīng)：每每個(gè)個(gè)鏈鏈環(huán)環(huán)只只鏈鏈反反應(yīng)應(yīng)鏈的傳遞鏈的傳遞 支鏈反應(yīng)舉例：支鏈反應(yīng)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

7、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(jī)理。的燃燒機(jī)理。燃?xì)馊紵磻?yīng)都是支鏈反應(yīng)。燃?xì)馊紵磻?yīng)都是支鏈反應(yīng)。鏈的終止：鏈的終止： 2H+M H2+M H+OH+M H2O+M第三節(jié)第三節(jié) 燃?xì)獾闹鹑細(xì)獾闹?任何可燃?xì)怏w在一定條件下與氧接觸，都要發(fā)生任何可燃?xì)怏w在一定條件下與氧接觸，都要發(fā)生氧化反應(yīng)。氧化反應(yīng)。1、穩(wěn)定的氧化反應(yīng)穩(wěn)定的氧化反應(yīng) 活化中心濃度增加的數(shù)量正好補(bǔ)償其銷毀的數(shù)量；活化中心濃度增加的數(shù)量正

8、好補(bǔ)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(yīng)、不穩(wěn)定的氧化反應(yīng) 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(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛煞€(wěn)定的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的氧化反應(yīng)而引不穩(wěn)定的氧化反應(yīng)而引起燃燒的一瞬間，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。 一、支鏈著火一、支鏈著火一、支鏈反應(yīng)速度與壓力、溫度的關(guān)系一、支鏈反應(yīng)速度與壓力、溫度的關(guān)系壓力下限與可燃混合物的組成（惰性氣體、雜質(zhì)）及壓力

9、下限與可燃混合物的組成（惰性氣體、雜質(zhì)）及 容器形狀有關(guān)，與溫度關(guān)系不大；容器形狀有關(guān)，與溫度關(guān)系不大；壓力上限對惰性氣體、雜質(zhì)敏感，與溫度關(guān)系很大，壓力上限對惰性氣體、雜質(zhì)敏感，與溫度關(guān)系很大， 與容器形狀無關(guān)。與容器形狀無關(guān)。二、支鏈著火機(jī)理二、支鏈著火機(jī)理 假設(shè)：反應(yīng)在等溫下進(jìn)行。假設(shè)：反應(yīng)在等溫下進(jìn)行?；罨行牡漠a(chǎn)生速度：活化中心的產(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(yīng)使活化中心增加的速度，由支鏈反應(yīng)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)。

10、a0aaa0addddCWCgCfCWCgf 令令)()(,110000efWfCWeWCCaaa鏈反應(yīng)的速度，故鏈反應(yīng)的速度，故反應(yīng)物生成的速度反應(yīng)物生成的速度，解得，解得時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)不同情況討論：不同情況討論： .constfWWegf000這時(shí)有這時(shí)有，則，則若若，即，即 00a000aadd0fWWWCWCC 這時(shí)有這時(shí)有，則，則，efWWefWWgfi0010 )(這這時(shí)時(shí)有有，即即說明：說明：1、支鏈反應(yīng)著火前存在支鏈反應(yīng)著火前存在感應(yīng)期，感應(yīng)期的長短取感應(yīng)期，感應(yīng)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(shí)，時(shí)，。，且且。時(shí)

11、，時(shí)，上限上限上限上限下限下限下限下限000PPPPPPPP二、熱力著火二、熱力著火1、熱力著火機(jī)理熱力著火機(jī)理設(shè)容器體積設(shè)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(yīng)物的，反應(yīng)物的溫度溫度T，反應(yīng)物的濃度，反應(yīng)物的濃度CA、CB，那么，那么單位時(shí)間內(nèi)容器中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為單位時(shí)間內(nèi)容器中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為HVCCekWHVQbaTEBAR01aTEbaAeQHVCCkAR1BA0a，則則令令單位時(shí)間內(nèi)混合物通過容器向外的散熱為單位時(shí)間內(nèi)混合物通過容器向外的散熱為)()(002TTBTTFQ著火點(diǎn)溫度下有：著火點(diǎn)溫度下有：0R2a0R2121aaR)(ddddTTBeTAE

12、TTBAeTQTQQQiTETE和和 Ti與與T0的關(guān)系：的關(guān)系：C3316R2R4421R42111R2R411a200a2a0a01R4aa0a0)(ERTTTTEETETTEETTiiETi略去三階以上無窮小略去三階以上無窮小，2、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?xì)膺_(dá)到著熱），可使燃?xì)膺_(dá)到著火點(diǎn)溫度。火點(diǎn)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(diǎn)溫率降低，引起著火點(diǎn)溫度改變。度改變。（）不改變散熱線，改變（）不改變散熱線，改變反應(yīng)的壓力，即改變反反應(yīng)的壓力，即改變反應(yīng)速度

13、，從而改變了發(fā)應(yīng)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(diǎn)溫度改變。點(diǎn)溫度改變。（）改變?nèi)細(xì)獾奈锢砘瘜W(xué)（）改變?nèi)細(xì)獾奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)（改變組成），即性質(zhì)（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(diǎn)溫度。改變著火點(diǎn)溫度。（）改變混合物中的可燃（）改變混合物中的可燃?xì)怏w濃度，著火點(diǎn)溫度氣體濃度，著火點(diǎn)溫度改變。改變。第四節(jié)燃?xì)獾狞c(diǎn)火第四節(jié)燃?xì)獾狞c(diǎn)火強(qiáng)制點(diǎn)火：將小熱源放入可燃混合物中，貼近熱源周圍強(qiáng)制點(diǎn)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

14、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(qiáng)制點(diǎn)火與支鏈著火、熱力著火的區(qū)別？強(qiáng)制點(diǎn)火與支鏈著火、熱力著火的區(qū)別？點(diǎn)火源點(diǎn)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一、強(qiáng)制點(diǎn)火機(jī)理一、強(qiáng)制點(diǎn)火機(jī)理3、點(diǎn)火成功時(shí)，灼點(diǎn)火成功時(shí)，灼熱顆粒表面形成的火焰熱顆粒表面形成的火焰層的厚度層的厚度 設(shè)火焰內(nèi)側(cè)的最高設(shè)火焰內(nèi)側(cè)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(qiáng)制點(diǎn)火溫度比自強(qiáng)制點(diǎn)火溫度比自動(dòng)著火點(diǎn)溫度要高。動(dòng)著火點(diǎn)溫度要高。、點(diǎn)火成功時(shí)，灼熱、點(diǎn)火成功時(shí)，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

15、=0。f0f2)(TTAQHWAQf121QQ 210ffWHTT)(二、熱球或熱棒點(diǎn)火二、熱球或熱棒點(diǎn)火 點(diǎn)燃條件：點(diǎn)燃條件： HWTTTTrHWr 0w0w2244即即 當(dāng)當(dāng)Tw=Tis時(shí)，上式取等號。時(shí)，上式取等號。saR020s0siTEniieCkHTTHWTT 灼熱顆粒點(diǎn)火的影響因素：灼熱顆粒點(diǎn)火的影響因素：思考思考：對于灼熱顆粒點(diǎn)火來說，：對于灼熱顆粒點(diǎn)火來說，P、g、Pr、Nu 如何如何影響點(diǎn)火溫度？影響點(diǎn)火溫度？提示：提示：00TTATTAww)(rdNu2Nur2ccaPr。，siT。，s iTrr。因因?yàn)闉?，相對氣流速度或繞流相對氣流速度或繞流Re。，s iTHC三、扁平

16、火焰點(diǎn)火三、扁平火焰點(diǎn)火 實(shí)驗(yàn)表明，扁平點(diǎn)火火焰的實(shí)驗(yàn)表明，扁平點(diǎn)火火焰的臨界厚度是火焰穩(wěn)定傳播時(shí)臨界厚度是火焰穩(wěn)定傳播時(shí)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(diǎn)燃導(dǎo)熱率大的可燃物，要用溫度高厚度大的火焰。要點(diǎn)燃導(dǎo)熱率大的可燃物，要用溫度高厚度大的火焰。2.若可燃物的析熱率高，點(diǎn)火火焰的臨界厚度可以減小。若可燃物的析熱率高，點(diǎn)火火焰的臨界厚度可以減小。3. 若燃燒為二級化學(xué)反應(yīng)，臨界厚度與壓力成反比。若燃燒為二級化學(xué)反應(yīng)，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(jìn)行分析。課后自行思考其它的影響因素，并進(jìn)行分析。四、電火

17、花點(diǎn)火四、電火花點(diǎn)火1、電火花點(diǎn)火機(jī)理、電火花點(diǎn)火機(jī)理 電火花點(diǎn)火：把兩個(gè)電極放在可燃混合物中，通高壓電火花點(diǎn)火：把兩個(gè)電極放在可燃混合物中，通高壓 電，打出火花，使混合物點(diǎn)火。電，打出火花，使混合物點(diǎn)火。電火花點(diǎn)火分兩個(gè)階段：電火花點(diǎn)火分兩個(gè)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，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(diǎn)火能第一階段引出最小點(diǎn)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

18、概念。的概念。最小點(diǎn)火能最小點(diǎn)火能Emin 當(dāng)電極間可燃混合物的濃度、溫度和當(dāng)電極間可燃混合物的濃度、溫度和壓力一定時(shí)，若要形成初始火焰中心，壓力一定時(shí)，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(dá)到一定的尺寸，初始火焰中心必須要達(dá)到一定的尺寸，使其析熱率足以抵償預(yù)熱外層未燃?xì)怏w使其析熱率足以抵償預(yù)熱外層未燃?xì)怏w的熱損失率。的熱損失率。 最小點(diǎn)火能就是為建立臨界最小尺寸火焰最小點(diǎn)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(diǎn)火能與電極間距的關(guān)系見上圖。點(diǎn)火能與電極間距的關(guān)系見上圖。 最小點(diǎn)火能最小點(diǎn)火能Emin和熄火距和熄火距離離dq隨混合物中燃?xì)夂康淖冸S混合物中燃?xì)夂康淖兓€均呈化曲線均呈U形。形。 最小點(diǎn)火能最小點(diǎn)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(xué)計(jì)量混合比之處?？拷瘜W(xué)計(jì)量混合比之處。2、電火花點(diǎn)火所需形成的最小火球尺寸電火花點(diǎn)火所需形成的最小火球尺寸 電火花點(diǎn)火形成火球，其最高溫電火花點(diǎn)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。 若點(diǎn)火成功，在火焰開始傳播的若點(diǎn)火成功，在火焰開始傳播