化学热力学化学动力学ppt课件.ppt

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1、化学热力学化学动力学,2 燃烧原理基础,燃烧学,化学热力学：反应体系的初始、终了状态化学动力学：反应的过程和所需时间、反应速率,2-1 化学动力学基础,化学反应速率阿累尼乌斯定律影响反应速率的因素链锁反应,一、化学反应的分类,化学反应是具有不同原子结构的物质重新组合的过程。人们把那种能代表反应机理的、由反应微粒（分子、原子、离子或自由基等）一步直接实现的变化称为“基元步骤”。,基元步骤：,简单反应：复杂反应：,仅有一个基元步骤构成,由两个以上基元步骤构成的,2-1-1 化学反应速率,一、化学反应的分类,复杂反应,简单反应,2-1-1 化学反应速率,2-1-1 化学反应速率,1、浓度的定义,二、

2、化学反应速率,（3）质量浓度（密度）：,（1）摩尔浓度：,（2）分子浓度：,常用的表示方法：,2-1-1 化学反应速率,（4）相对浓度,质量相对浓度：,摩尔相对浓度：,2-1-1 化学反应速率,2 化学反应速率定义,k,对化学反应：aA+bB cC+dD,化学反应速率表达式：,三、质量作用定律,简单反应的速率与各反应物浓度以其化学计量系数为指数幂的乘积成正比。,2-1-1 化学反应速率,反应速率常数,四、化学反应级数n,化学反应级数是指化学反应速率与浓度呈多少次方的关系，就称为几级反应，它是浓度影响反应速率大小与快慢的反映。,零级反应一级反应二级反应三级反应,2-1-1 化学反应速率,四、化学

3、反应级数,简单反应的级数常与反应式中作用物的分子数相同反应级数可以不是整数，如一般碳氢燃料与氧的反应是1.5级反应 反应级数是从化学动力学实验测定,2-1-1 化学反应速率,温度对反应速率的影响，集中反应在反应速率常数K上。在大量实验的基础上，阿累尼乌斯于1889年提出反应速率常数K与反应温度T之间的关系为：,式中K0为频率因子，Ea为活化能，二者都为实验常数，R为气体常数,2-1-2 阿累尼乌斯定律,2-1-2 阿累尼乌斯定律,阿累尼乌斯定律反应了温度对反应速率的影响 阿累尼乌斯定律是实验得出的结果 并不是所有的化学反应都符合阿累尼乌斯定律,符合阿累尼乌斯定律的反应速率常数与温度的关系,2-

4、1-2 阿累尼乌斯定律,对燃料和氧化剂的反应，阿累尼乌斯定律可写为：下标s表示反应中某一成分：燃料或氧化剂 分别为燃料和氧化剂的质量相对浓度，n为反应级数，为混合物密度,、,分子之间需要通过碰撞才能引起化学反应 单位时间内碰撞次数越多，反应速率越快 不是所有的碰撞都会发生反应 发生反应所需的临界能量叫活化能,活化能越小，物质的化合能力越强 能量大于活化能的分子为活化分子 活化分子间的碰撞可以发生反应,2-1-2 阿累尼乌斯定律,分子碰撞理论,在单位时间内所有A分子与所有B分子的总碰撞次数为：,对于气相反应：,由分子碰撞理论可以推出：,能量超过活化能的活化分子占分子总数的比值：,2-1-2 阿累

5、尼乌斯定律,反应速率：,频率因子,K,活化分子之间的有效碰撞次数为：,2-1-2 阿累尼乌斯定律,2-1-3 影响反应速率的因素,2-1-3 影响反应速率的因素,一、反应物质的性质对反应速率的影响,饱和分子的活化能比较大，根与离子的反应活化能趋于0,2-1-3 影响反应速率的因素,二、温度对反应速率的影响,温度升高，分子运动速度加快，碰撞能量超过活化能的部分增大，反应速度加快。,2-1-3 影响反应速率的因素,三、压力对反应速率的影响,2-1-3 影响反应速率的因素,三、压力对反应速率的影响,一级反应：,二级反应：,2-1-3 影响反应速率的因素,三、压力对反应速率的影响,若以相对浓度计算反应

6、速率：,2-1-3 影响反应速率的因素,四、反应物质成分的影响,双分子反应,2-1-4 链锁反应,现象,1、2、低温时磷、乙醚的蒸气氧化出现冷焰3、,2-1-4 链锁反应,定义,一种在反应历程中含有被称为链载体的低浓度活性中间产物的反应，这种链载体参加到反应的循环中，并且它在每次循环之后都重新生成。,链载体：自由基、离子等,2-1-4 链锁反应,过程,链的形成链的增长链的中断,2-1-4 链锁反应,链的形成：,由原物质生成活性中心的过程。此过程一般藉光化作用、高能电磁辐射或微量活性物质的引入等。,链的增长：,活性中间产物与原物质作用产生新的活性中间产物的过程。链的增长可以是直线、不分枝式，也可

7、以是分枝式,不分枝链锁反应分枝链锁反应,2-1-4 链锁反应,链的中断：,活性中间产物消失或失去活性的过程。,1、两个自由原子（活性中心）碰撞后组成一个正常分子2、自由原子与分子碰撞后失去能量3、自由原子与器壁碰撞后失去能量,2-1-4 链锁反应,一、不分枝链锁反应,氢与氯在光的作用下合成氯化氢：,链的形成,2-1-4 链锁反应,链的增长,2-1-4 链锁反应,2-1-4 链锁反应,链的中断,2-1-4 链锁反应,等温条件下不分枝链锁反应的反应速度：,1、如果反应在初始时活性中间产物的浓度已达到离解平衡的数值（最大值），则反应速度将随着反应物质的浓度下降而减小。2、如果反应在初始时活性中间产物

8、的浓度未达到平衡的最大值，则反应速度起初较小，而后随着活性中间产物增多而加快，一直到浓度为平衡数值时，然后随着反应物的消耗而减小。,2-1-4 链锁反应,二、分枝链锁反应爆炸反应,氢的氧化学反应：,链的形成,2-1-4 链锁反应,二、分枝链锁反应爆炸反应,链的增长,2-1-4 链锁反应,二、分枝链锁反应爆炸反应,总的效果：,2-1-4 链锁反应,二、分枝链锁反应爆炸反应,链的中断,2-1-4 链锁反应,二、分枝链锁反应爆炸反应,分枝链锁反应的特点：,1、反应随着时间进展显著地自行加速。2、有感应期存在。,从开始反应到反应显著加速的这段时间,2-2 着火过程,一切燃烧过程都分为两个阶段：着火、燃

9、烧。着火是燃烧的准备阶段。,着火方式：（1）链锁自燃（2）热自燃（3）点燃（强迫着火）,2-2 着火过程,一、热自燃理论 热理论认为：着火是反应放热因素和散热因素相互作用的结果。 放热散热：着火成功 放热散热：不成功,2-2 着火过程,二、闭口系统的非稳态分析法,2-2 着火过程,通过器壁的散热量：,-化学反应速率，,V-体积,q-热值，,系统的化学反应放热量：,-对流换热系数，,A-表面积,T-反应过程中温度,2-2 着火过程,系统本身升温吸收热量：,系统的热平衡方程：,2-2 着火过程,取决于Exp(-E/RT),为T的线性函数，斜率初始值：T0,2-2 着火过程,改变：,改变P：,2-2

10、 着火过程,三、热自燃特性 1、着火温度,B点是释热曲线与散热线的切点,-热相等,-相切,2-2 着火过程,若E=40000kcal/kmol，T0=1000K时， TB-T050T0，即：TB T0,这就是说在着火的情况下，自燃温度在数量上与给定的环境温度相差不多。在近似计算中不需测量真正的自燃温度。,2-2 着火过程,得谢苗诺夫方程：,对于n=2的简单反应，以TBT0和PBP0代入相切条件,2、热自燃特性,2-2 着火过程,当燃料及外界条件给定时：,截距,斜率E/2R,据此求出活化能,2-2 着火过程,（1）E或kn,T0C,（2） （即或V） T0c,（3）Pc Tc， Pc Tc,（4

11、）热自燃有一定浓度界限,2-2 着火过程,自发着火区,非自发着火区,着火,着火,不着火,不着火,贫燃限,富燃限,富燃限,贫燃限,PBTB界限,PB=c，TBxM,TB =c， PB xM,2-2 着火过程,四、着火感应期,由能量方程及放热曲线和散热曲线图，可以定性画出在不同初始温度下的混气温度随时间变化曲线：,曲线：i=,曲线：放热曲线与散热曲线只有一个切点,曲线：一开始就上凹，没有拐点，感应期很短,2-2 着火过程,感应期 表达式：,对于烃类燃料，反应级数近似为二级，有：,压力，温度，感应期 ,2-3 均匀混气的火焰传播,一、层流火焰传播,已燃气,未燃气,火焰传播速度即焰峰的法向速度（又称正

12、交速度）：,1、层流火焰传播速度,层流火焰传播的机理有三种理论：,热理论：认为控制火焰传播的主要机理为从反应区到未燃区域的热传导（本文讨论）,扩散理论：认为来自反应区的链载体的逆向扩散是控制层流火焰传播的主要因素,综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传播可能有同等重要的影响,2、火焰传播机理,将火焰锋面可分为两部分：,反应区RR,预热区PP,设：u0 = un，则火焰锋面驻定。,3、火焰传播速度Un,连续方程：,P常数,对于一维带化学反应的定常层流流动，其基本方程为：,动量方程：,能量方程：,绝热条件下，火焰的边界条件为：,把火焰分成预热区与反应区，在预热区中忽略化学反应的影响，而在反

13、应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项。,分区近似解法：,(1)压力的影响,一般碳氢燃料燃烧过程的反应级数1.52，因此：,即压力对火焰传播速度的影响较小,(v =00.25),4、影响层流火焰传播的因素,(2)温度的影响：,温度增加，火焰传播速度增加。,（C=1.52）,(3)混气成分的影响：,存在一个最佳混气成分，这时火焰传播速度最大。对每一种混气，都存在一个火焰传播的浓度界限，当混气太贫或太富时，火焰就不能传播。,(4)混气性质的影响：,导温系数增加，活化能减少或火焰温度增加时，火焰传播速度增大。 氧浓度增加，火焰传播速度增大。,二、紊流火焰传播,雷诺数,直管段中，Re2300时，层流,混

14、气的流动为紊流时， Re3200时火焰为紊流火焰,1、紊流的基本属性,描述紊流的运动速度为：,平均速度，,瞬时脉动速度,紊流强度：,描述紊流流动的主要参数：,紊流尺度l： 紊流中形成的气体微团的平均直径。 或微团的平均脉动距离,三个方向上的分量一般不等,2、紊流火焰特征和传播机理,与层流火焰相比，有如下特点： （1）火焰长度缩短 （2）火焰前锋变宽 （3）火焰峰面粗糙 （4）有噪音,紊流火焰传播速度明显大于层流,3 紊流火焰传播速度,（1）紊流尺度远小于层流火焰前锋的厚度：,（2）紊流尺度大于层流火焰前锋的厚度，且紊流强度较小 表面燃烧理论,单位时间内焰峰表面烧掉的混气量,以层流焰峰表示,以紊

15、流焰峰表示,（3）当紊流强度很大时，uun u/un1此时utu， ut只取决于脉动速度，与化学动力学因素无关,4、影响紊流传播速度的因素,（1）雷诺数 Re ut,（2）压力 Pt ut,（3）温度 T ut,（4）u u ut,（5）混气浓度,2-4 扩散燃烧与动力燃烧,燃料燃烧时间包括两部分：=m+r,m：燃料与空气混合所需要的时间, r：化学反应时间, mr ： 扩散燃烧，m, r m ：动力燃烧，r, r 、 m 相差不大 ： 动力扩散燃烧,一、扩散燃烧和动力燃烧基本概念,1=1,11,11,1=0,二、气相扩散燃烧,1、层流扩散火焰结构,火焰形状 火焰面位置浓度变化,2、紊流扩散火焰,1火焰顶点2层流向紊流的转变点,3 火焰高度,Q容积流量Dm扩散系数,层流,紊流,4、扩散火焰的特点,（1）扩散火焰的稳定性,（2）碳氢化合物的热分解,三、气液两相燃烧,1、蒸发或燃烧时的油珠温度,2、斯蒂芬(Stefan)流,3、高温环境下相对静止油珠的蒸发,纯蒸发条件下油珠的蒸发速率：,B物质交换数,油珠达到蒸发平衡时：,hfg汽化潜热,4、高温度环境中相对静止油珠的燃烧,油珠燃烧速率：,空气对燃油的化学当量比,Tb燃油的沸点温度， Tf火焰温度,5、d2定律及油珠寿命,油珠寿命,纯蒸发时，k为蒸发常数,燃烧时，k换成kf，称为燃烧常数,d0油珠初始直径,