碳燃烧绝热火焰温度计算
煤气燃烧反应的火焰温度
煤气燃烧反应的火焰温度高志崇(泰山学院化学系,山东泰安 271021)[摘 要] 计算了水煤气和焦炉气燃烧反应的火焰温度,进一步明确氢气和烃燃烧反应的机理.氢燃烧反应的机理为:(1)O 2+hv 2O ,(2)H 2+O H 2O+hv;烃燃烧反应的机理为:(1)O 2+hv 2O ,(2)C p H 2q p C+q H 2,(3)H 2+O H 2O+hv,(4)C+O CO+hv,(5)2CO+O 2 2CO 2.[关键词] 燃烧反应;温度;焓;波长[中图分类号] O643.2+1 [文献标识码] A [文章编号] 1672-2590(2003)03-0071-04[收稿日期]2003!03!10 [作者简介]高志崇(1966-),女,山东招远人,泰山学院化学系副教授.氢气和烃均属于可燃性物质,作者曾根据氢气和烃燃烧反应的火焰温度提出了氢气和烃燃烧反应的机理[1,2].煤气含有H 2、CO 和C H 4等多种可燃性气体,其燃烧反应的火焰温度与氢气和烃燃烧反应的机理有关.本文将通过煤气燃烧反应火焰温度的计算进一步明确氢气和烃燃烧反应的机理.1 燃烧反应的反应焓 H 与光子数量、波长之间的关系能量有功和热两种方式.热是以无序形式传递的能量,功是以有序形式传递的能量.功有体积功W 和非体积功W ∀两种.光是有序的能量,显然光是一种非体积功,也就是说燃烧过程中体系以光的形式对环境作非体积功,非体积功的大小也就是光子的能量(规定体系对环境作功为正值)[1,2].假设某燃烧反应发出n mol 光子,那么体系作的非体积功W ∀为W ∀=nE m =nNhc =0.1196n ,式中E m 为每摩尔光子的能量(J mol -1),N 为阿伏加德罗常数(6.022#1023mol -1),h 为普朗克常数(6.626#10-34J s),c 为光速(2.998#108m s -1), 为波长(m).根据热力学第一定律U =U 2-U 1=Q -W -W ∀(1)燃烧反应通常是在恒压条件下进行的,因而W =P (V 2-V 1)(2)由于燃烧反应可近似地看成绝热反应,因而Q =0(3)将(2)、(3)式代入(1)式得(U 2+PV 2)-(U 1+PV 1)=W ∀,根据焓的定义H =U +PV .因而H =H 2-H 2=-W ∀=-0.1196n(4)由(4)式可以看出,燃烧反应的焓变即为体系对环境作的非体积功的负值.作者利用(4)式计算的氢气、一氧化碳及乙炔在氧气中燃烧反应的火焰温度与实际温度非常接近[2].本文将利用该公式计算水煤气和焦炉气燃烧反应的火焰温度,进一步明确氢气和烃燃烧反应的机理.2 氢气和烃燃烧反应机理2.1 氢气燃烧反应机理作者根据氢气燃烧反应的火焰温度,提出了氢气燃烧反应的机理.该机理为[1]:第25卷第3期2003年5月泰山学院学报JOURNAL OF TAISHAN UNIVERSI TY Vol.25 NO.3May 2003(1) O 2+hv 2O ;(2) H 2+O H 2O+hv;总反应为 2H 2+O 2 2H 2O+hv.由总反应可以看出,每摩尔氢气燃烧发出0.5mol 光子.2.2 烃燃烧反应机理根据乙炔和丙烷燃烧反应的火焰温度,作者提出了烃燃烧反应的机理,该机理为[2]:(1) O 2+hv 2O ;(2) C p H 2q p C+q H 2;(3) H 2+O H 2O+hv;(4) C+O CO+hv;(5) 2CO+O 2 2C O 2.由该机理可以看出,每摩尔甲烷燃烧发出1.5mol 光子.3 水煤气燃烧反应的火焰温度水煤气是煤气的一种,是煤与水蒸气反应形成的,主要反应为C+H 2O C O+H 2.水煤气是合成氨的原料气,也可以用作燃料.工业生产水煤气的方法有多种,其中间歇式气化法应用最为广泛.下面以间歇式气化法生产的水煤气计算水煤气燃烧反应的火焰温度.3.1 水煤气燃烧反应的反应焓 H 与温度T 之间的关系以煤为原料通过间歇式气化法生产的水煤气的典型组成为31.97%C O 、7.81%CO 2、41.40%H 2、17.77%N 2、0.75%CH 4和0.3%O 2[3].现以100mol 水煤气为基准,以21%O 2、79%N 2予以计算.100mol 水煤气完全燃烧需要180.405mol 空气(37.885molO 2、142.520molN 2),反应式为:31.97CO+781C O 2+41.40H 2+17.77N 2+0.75C H 4+0.3O 2+37.885O 2+142.520N 2 40.53C O 2+42.90H 2O(g)+160.29N 2+21.825hv.实际发生的反应为:31.97CO+41.40H 2+0.75C H 4+38.185O 2 32.72CO 2+42.90H 2O(g)+21.825hv.由反应式可知,100mol 水煤气完全燃烧发出21.825mol 光子.为方便计算起见,现将某些物质的热力学性质列于附表内.附表 298.15K 、101.325kPa 下某些物质的热力学性质物 质C p m =a +bT J mol -1 K -1a b #103 f H o m (298K) kJ mol -1O 2!!!!!!0N 227.87 4.270H 2O(g)30.0010.71-241.827CO!!!!!!-101.525CO 244.149.04-393.514CH 4!!!!!!-74.848H 2!!!!!!0注:∃本表数据来源于廖雨郊主编的%物理化学&.∋为避免解三次方程,取C p m =a +b T 予以计算.假设本文计算的所有气体均为理想气体,水煤气燃烧反应的火焰温度为T K,由于焓为状态函数,因而可设计途径如下:72 泰山学院学报 第25卷由途径可知:r H o m (298K)=32.72 f H o m (C O 2)+42.90 f H o m (H 2O,g)-31.97 f H o m (C O)-0.75 f H o m (C H 4)=[32.72#(393.514)+42.90#(-241.827)-31.97#(-101.325)-0.75#(-74.848)]kJ mol -1=-19948.266kJ mol -1.H 1=(T298[40.53C p m (CO 2)+42.90C p m (H 2O,g)+160.29C p m (N 2)]d T ={(T 298[40.53#(28.66+35.702#10-3T )+42.90#(30.00+10.71#10-3T )+160.29#(27.87+4.27#10-3T )]d T }J mol -1=[(T 298(6915.872+2.591T )d T ]J mol -1=(1.295T 2+6915.827T -22124.237#103)J mol -1.H = r H o m (298K)+ H 1=(1.295T 2+6915.827T -22124.237#103)J mol -1.3.2 水煤气燃烧反应的火焰温度水煤气在空气中燃烧反应火焰为蓝色,蓝色波长范围为450~500nm [4],现以波长 =500nm 予以计算.根据公式(4)得:1.295T 2+6915.872T -22124.237#103=-0.1196#21.825#109 500,T =1822K.煤气的最高火焰温度为1773)[5],水煤气的理论计算温度比该温度高49K,误差仅为2.76%,这进一步表明上述氢气和烃燃烧反应的机理是正确的.4 焦炉气燃烧反应的火焰温度焦炉气是另一种家庭常用煤气,它是干馏烟煤的产物.这种煤气燃烧反应的火焰温度如何?下面予以分析.4.1 焦炉气燃烧反应的反应焓 H 与温度T 之间的关系焦炉气的组成为60%H 2、25%C H 4、5%CO 、2%CO 2、4%N 2和5%其他气体[6].现将其他气体并于N 2中,以100mol 焦炉气为基准予以计算.100mol 焦炉气完全燃烧需要392.86mol 空气(82.5molO 2,310.36molN 2),燃烧反应的反应式为:60H 2+25C H 4+5CO+2CO 2+8N 2+82.5O 2+310.36N 2 110H 2O(g)+32C O 2+318.36N 2+67.5hv.实际发生的反应为60H 2+25C H 4+5CO+82.5O 2 110H 2O(g)+30CO 2+67.5hv.由于焓为状态函数,可设计如下途径:73第3期 高志崇:煤气燃烧反应的火焰温度由途径可知:r H o m (298K)=30 f H o m (C O 2)+110 f H o m (H 2O,g)-25 f H o m (C H 4)-5 f H o m (C O)=[30#(-393.514)+110#(-241.827)-25#(-74.848)-5#(-110.525)]kJ mol -1=-35982.565kJ mol -1.H 1=(T298[30C p m (CO 2)+110C p m (H 2O,g)+318.36C p m (N 2)]d T ={(T 298[30#(28.66+35.702#10-3T )+110#(30.00+10.71#10-3T )+318.36#(27.87+4.27#10-3T )]d T }J mol -1=[(T 298(13089.813+3.680T )d T ]J mol -1=(1.840T 2+13089.813T -4064.164#103)J mol -1.H = r H o m (298K)+ H 1=(1.840T 2+13089.813T -40046.729#103)J mol -1.4.2 焦炉气燃烧反应的火焰温度焦炉气在空气中燃烧反应火焰为蓝色,现以波长 =500nm 予以计算.根据公式(4)得:1.840T 2+13089.813T -40046.729#103=-0.1196#67.5#109 500,T =1507K.焦炉气燃烧反应的理论火焰温度比水煤气的理论火焰温度(1822K)低315K.5 小结煤气燃烧反应的最高火焰温度为1773K [5].水煤气和焦炉气是两种最为常见的煤气,计算得到的水煤气的最高火焰温度为1822K,比煤气的最高温度高49K,误差仅有2.76%;而焦炉气的计算温度较低,为1507K.这进一步表明了氢气和烃的燃烧反应机理.氢气燃烧反应的机理为:(1)O 2+hv 2O ;(2)H 2+O H 2O+hv;烃燃烧反的机理为:(1)O 2+hv 2O ,(2)C p H 2q p C+q H 2,(3)H 2+O H 2O+hv,(4)C+O CO+hv,(5)2C O+O 2 2CO 2.[参考文献][1]高志崇.燃烧反应火焰温度的探讨[J].聊城师院学报(自然版),2001,14(1):57-60.[2]高志崇.烃燃烧反应的机理[J].辽宁大学学报,2002,29(3):266-271.[3]陈五平.无机化工工艺学(一)合成氨(第二版)[M ].北京:化学工业出版社,1995.119.[4]金世勋.物理化学[M].北京:高等教育出版社,1989.325.[5]谷亨杰.有机化学实验(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1994.32.[6]周颂高,刘芝生.化学(第四册)[M].上海:上海科学技术出版社,1983.74.Flame temperature of gas combustion reactionGAO Zhi chong(Department of Chemistry,Taishan University,Tai ∗an 271021,China)Abstract :This paper,by calculating flame temperatures produced by water gas and oven gas combustion reac tions reveals the mechanisms of hydrogen and hydrocarbons combustion reactions.The mechanism of hydrogen com bustion reaction includes:(1)O 2+hv 2O ,(2)H 2+O H 2O+hv;while that of hydrocarbons combustion reac tions consists of:(1)O 2+hv 2O ,(2)C p H 2q pC+qH 2,(3)H 2+O H 2O+hv,(4)C+O CO+hv,(5)2CO+O 2 2CO 2.Key words :combustion reac tion;te mperature;enthalpy;wavelength 74 泰山学院学报 第25卷。
山东大学工程燃烧学考点整理
第一章：可能出的概念题：1.什么是燃烧？燃烧的分类？每种分类的特征？燃烧是指氧化剂与可燃物混合发生的剧烈化学反应，其过程一般伴随传热传质、发光发烟等现象。
燃烧可分为气相燃烧与固相燃烧，气相燃烧又分为预混燃烧与扩散燃烧，气相燃烧中可燃物与氧化剂均为气体，固相燃烧为表面燃烧，无火焰。
预混燃烧可燃物与氧化剂已提充分混合，燃烧过程只取决于可燃混合气的化学动力过程，扩散燃烧是可燃物在燃烧时才与氧化剂混合，取决于摻混速度。
此外还可以分为表面燃烧、阴燃、蒸发燃烧、分解燃烧等等2.什么是火焰？火焰的分类有哪些？火焰是指发生燃烧反应的气体所占据的空间区域。
火焰可分为预混火焰与扩散火焰等等3.热力学第一定律表达式？简单表述：Q=U+W4.热效应的概念？其中应重点注重的条件有哪些？热效应是指，在定容定压条件下，物质进行反应时不做非体积功，且产物与反应物温度相同，这种情况下反应放出的热量。
重点注意定容定压（体积功=0）、不做非体积功（Wa=0）、产物反应物温度相同（不因为比热容吸收热量）5.生成焓、反应焓、燃烧焓的概念？并注意其中的条件？生产焓是指稳定单质或元素在定压条件下反应生成1mol化合物时的热效应。
反应焓是指某些化合物与化合物或元素在任意温度下进行单位反应产物和反应物的焓差（注意，这些概念末尾的写法都是有说法有讲究的）。
燃烧焓是指1mol化合物完全燃烧时对应的焓差。
注意：因为反应焓与燃烧焓的反应物与产物有可能都是化合物，所以要说焓差，而生成焓的反应物是单质，单质的生产焓为0，故说“热效应”。
*6.拉瓦锡——拉普拉斯定律解释？化学反应的生成焓等于分解焓，符号相反。
*7.盖斯定律描述？无论化学反应是分一步还是多步进行的，其热效应相同。
*8.基尔霍夫定律描述？（写公式）这一定律表明了什么的关系？表明了反应焓随温度的变化规律9.热力学第二定律的两种表述？何为孤立系统熵增原理？克劳修斯表述：热量不可能从低温物体传向高温物体而不产生其他任何影响。
燃烧的特性是什么情况
燃烧的特性是什么情况(一)完全燃烧有机可燃气体燃烧，可燃气分子中所含的碳全部氧化成二氧化碳，氢全部氧化生成水，这样的过程称为完全燃烧。
可燃气发生完全燃烧所需的氧量称为理论氧量。
(二)燃烧热燃烧热的数值是用热量计在常压下测得，是单位质量或单位体积的可燃物完全燃烧后冷却到18℃时所放出的热量。
其中，若把生成的水蒸气冷凝成水所放出的热量计算在内，则称为高发热值;若不把生成的水蒸气冷凝成水所放出的热量计算在内，则称为低发热值。
(三)燃烧温度1.理论燃烧温度理论燃烧温度是指可燃物与空气在绝热条件下完全燃烧，所释放出来的热量全部用于加热燃烧产物，使燃烧产物达到的最高燃烧温度。
某些可燃物在空气中的燃烧温度。
2.实际燃烧温度可燃物燃烧的完全程度与可燃物在空气中的浓度有关，燃烧放出的热量也会有一部分散失于周围环境，燃烧产物实际达到的温度称为实际燃烧温度，也称火焰温度。
显然，实际燃烧温度不是固定的值，它受可燃物浓度和一系列外界因素的影响。
(四)燃烧速度1.气体的燃烧速度可燃气体燃烧不需要像固体、液体那样经过熔化、蒸发过程，而是在常温下就具备了气相的燃烧条件，所以燃烧速度较快。
可燃气体的组成、浓度、初温、燃烧形式和管道尺寸对燃烧速度有重要影响，分述如下：(1)气体的组成和结构。
组成简单的气体比组成复杂的气体燃烧速度快。
氢的组成最简单，热值也较高，所以燃烧速度快。
(2)可燃气体含量。
从理论上说，可燃气体含量为化学计算含量，混合气体的热值最大，燃烧温度最高，燃烧速度也最快。
可燃气体含量高于或低于此含量时，燃烧速度都会变慢。
(3)初温。
可燃混合气体的燃烧速度随初始温度的升高而加快，混合气体的初始温度越高，则燃烧速度越快。
化工生产中，各种工艺中可燃气体温度都很高，也就是说这些可燃气体的初始温度很高，一旦由于某种原因起火，就会在极短的瞬间因燃烧速度快而导致爆炸。
(4)燃烧形式。
由于气体分子问扩散速度比较慢，所以采取扩散燃烧形式的气体燃烧速度是比较慢的，它的速度取决于气体分子间的扩散速度。
燃气燃烧与应用总结归纳
燃气燃烧与应用总结归纳-2..第一章燃气的燃烧计算燃烧：气体燃料中的可燃成分（H2、 C m H n、CO 、 H 2S 等）在一定条件下与氧发生激烈的氧化作用，并产生大量的热和光的物理化学反应过程称为燃烧。
燃烧必须具备的条件：比例混合、具备一定的能量、具备反应时间热值 :1Nm3燃气完全燃烧所放出的热量称为该燃气的热值，单位是kJ/Nm3。
对于液化石油气也可用kJ/kg 。
3高热值是指 1m 燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量。
3低热值是指 1m燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的热量。
3一般焦炉煤气的低热值大约为16000—17000KJ/m3天然气的低热值是36000—46000 KJ/m液化石油气的低热值是88000—120000KJ/m3按 1KCAL=4.1868KJ 计算：焦炉煤气的低热值约为 3800—4060KCal/m3天然气的低热值是 8600—11000KCal/m33液化石油气的低热值是21000—286000KCal/m热值可以直接用热量计测定，也可以由各单一气体的热值根据混合法则按下式进行计算：理论空气需要量每立方米 ( 或公斤 ) 燃气按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需的空气量，单位为333m/m或 m/kg 。
它是燃气完全燃烧所需的最小空气量。
过剩空气系数 : 实际供给的空气量v 与理论空气需要量v0之比称为过剩空气系数。
α值的确定α值的大小取决于燃气燃烧方法及燃烧设备的运行工况。
工业设备α—— 1.05-1.20民用燃具α—— 1.30-1.80α值对热效率的影响α过大，炉膛温度降低，排烟热损失增加，热效率降低；α过小，燃料的化学热不能够充分发挥，热效率降低。
应该保证完全燃烧的条件下α接近于 1.3烟气量含有1m干燃气的湿燃气完全燃烧后的产物运行时过剩空气系数的确定计算目的：在控制燃烧过程中，需要检测燃烧过程中的过剩空气系数，防止过剩空气变化而引起的燃烧效率与热效率的降低。
工程燃烧学复习要点
绪论、第一章1、从正负两方面论述研究燃烧的意义。
（P5）①研究如何提高燃烧效率，保证燃烧过程的稳定性和安全性，节约能源，并充分利用新能源；②如何防止抑制火灾及矿井瓦斯或具有粉尘工厂存在的爆炸危险性，减少有用燃烧过程中的工业污染问题。
2、不同的学科研究燃烧学各有什么侧重点？（P5）实验研究：对于生产中提出的燃烧技术问题主要还只能通过实验来解决。
并发展出诊断燃烧学。
理论分析：主要为各种燃烧过程的基本现象建立和提供一般性的物理概念，从物理本质上对各种影响因素做出定性分析，从而对实验研究和数据处理指出合理、正确的方向。
3、从化学观点看，燃烧反应具有的特征是什么？（物质能量总体是下降的）（P6）氧化剂和燃料的分子间进行着激烈的快速化学反应，原来的分子结构被破坏，原子的外层电子重新组合，经过一系列中间产物的变化，最后生成最终燃烧产物。
这一过程，物质总的热量是降低的，降低的能量大都以热和光的形式释放而形成火焰。
4、燃烧过程的外部特征是什么？①剧烈的氧化还原反应②放出大量的热③发光5、化学爆炸与火灾的关系？（PPT）1）紧密联系，相伴发生2）某些物质的火灾和爆炸具有相同的本质，都是可燃物与氧化剂的化学反应。
3）主要区别：燃烧是稳定的和连续进行的，能量的释放比较缓慢，而爆炸是瞬时完成的，可在瞬间突然释放大量能量。
4）同一物质在一种条件下可以燃烧，在另一种条件下可以爆炸。
（煤块燃烧与煤粉爆炸）5）在存放有易燃易爆物品较多的场合和某些生产过程中，可发生火灾爆炸的连锁反应，先爆炸后燃烧、先燃烧后爆炸。
6、按化学反应和物理过程之间的关系，燃烧包括哪三种类型？（P5）1）动力燃烧（动力火焰）：主要受燃烧过程中的化学动力因素所控制，如着火、爆炸；2）扩散燃烧（扩散火焰）：主要受流动、扩散和物理混合等因素控制，如液体燃料滴、碳粒、蜡烛；3）预混燃烧（预混火焰）：此时化学动力因素和物理混合因素差不多起同样重要的作用，如汽油发动机、家用煤气炉。
燃烧与爆炸基本原理
狭义上的爆炸是指化学爆炸。
1.2 爆炸的基本概念
按发生爆炸时爆炸介质所处的状态可分为5类
气相爆炸—爆炸发生时爆炸介质完全处于气体状态，它又可 分为以下2类： 混合气体爆炸：可燃性气体与助燃性气体混合并达到爆炸极 限后遇到火源就会引起爆炸，如氢气、天然气、瓦斯爆炸等。 分解爆炸：某些气体即便在没有空气或氧气的情况下同样可 以发生爆炸，如乙炔在没有氧气的情况下，若被压缩到 200kPa以上，遇火星就能引起爆炸。乙烯，氧化乙烯，氧化 乙炔，四氟乙烯，丙烯，臭氧，一氧化氮等也具有类似的性 质。出现这种情况的原因在于这类气体在分解时能放出大量 的热量，使分解出来的气体受热膨胀，造成压力急剧升高。
在氧气中燃烧时，以摩尔分数表示化学计量浓度为
1
2
ycho 1 n n 2
2
可燃气体在空气中燃烧时，若把空气组成视为氧气占20.95％，
其他占79.05％，以摩尔分数表示化学计量浓度
1
2
ych
14.77n
4.77n2
2
甲烷与氧气混合物的化学计量浓度为
ycho
1 3
33.3%
甲烷与空气混合物的化学计量浓度为
1.1燃烧的基本概念
不完全燃烧，会有三种情况
➢氧气不足，燃料刚好燃尽，所有的C元素首先被氧化为 CO，无CO2生成，所有H元素被氧化为H2O，所有S元素 被氧化为SO2
b C aH bO cS dym inO 23.77ym inN 2aC O 2H 2O dS O 23.77ym inN 2 ym ina 2b 4d2 cycca 2
燃烧学
参考文献
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研究燃烧的意义：
4. 提高能源综合利用率
• 天然气 世界天然气资源所含能量，大体与石油储量相当。全球总资源 量在2.5×106亿～3.5×106亿m3之间。近年来的年消费量约占世界总消 费量的60%。我国的天然气总储量为3.3×105亿m3，目前天然气年产量 占能源生产总量的2%。西气东输计划，2020年达1000亿m3，相当于1亿 吨原油。1m3天然气相当于1kg汽油的热值。 法国核发电占77%。日本、比利时、瑞典、德国、韩国、匈牙利、俄罗 斯在30%～70%之间。 劣质燃料，代用燃料的应用。 美国2000年生产乙醇汽油559万吨，占全国玉米产量的7%～8%。 巴西年产793万吨，占该国汽油消耗的1/3。
燃烧理论知识点
CH11.何谓燃烧？燃烧是一种急速、剧烈的发光发热的氧化反应过程。
2. 化合物的标准生成焓: 化合物的构成元素在标准状态下（25oC，0.1MPa）定温—定容或者定温定压；经化合反应生成一个mol的该化合物的焓的增量（kJ/mol）。
所有元素在标准状态下的标准生成焓均为零。
3. 反应焓: 在定温-定容或定温-定压条件下，反应物与产物之间的焓差，为该反应物的反应焓（kJ）。
4. 反应焓的计算??5. 燃烧焓: 单位质量的燃料（不包括氧化剂）在定温—定容或定温—定压条件下，燃烧反应时的反应焓之值（kJ/kg）。
6.燃料热值: 燃料热值有高热值与低热值之分，相差一个燃烧产物中的水的气化潜热。
7.化学反应速度、正向反应速度、逆向反应速度、反应速度常数??8.平衡常数的三种表达方式和相互间的关系??按浓度定义的反应平衡常数,以分压定义的反应平衡常数,以体积百分比定义的平衡常数??平衡常数越大，反应进行得越彻底9.反应度λ: 表示系统达到平衡时反应物能有效变为产物的程度反应式: aA+bB→（1-λ）*（aA+bB）+λ（cC+dD）10. Gibbs函数的定义: 自由焓，为状态参数。
g=h-Ts11. Helmholtz函数自由能f f=u-Ts12.焓与生成焓仅是温度的单一函数，而自由焓与P、T有关。
13.标准反应自由焓14.平衡常数kp与反应自由焓的关系15.过量空气系数: 燃烧1kg燃料，实际提供空气量/ 理论所需空气量。
16.当量比(φ)C－实际浓度，Cst－理论浓度17.浓度（燃空比）: 一定体积混合气中的燃料重量/ 空气重量18. 化学计量浓度时的浓度时的浓度19. 绝热燃烧火焰温度的求解方法，尤其是考虑化学平衡时的计算方法首先分别根据平衡常数kp和能量守恒方程得到反应度λ和绝热火焰温度Tf 的关系，然后采用迭代法计算得到Tf 。
20.绝热燃烧火焰温度计算程序及数据处理CH21. 化学反应动力学是研究化学反应机理和化学反应速率的科学。
燃烧理论基础第二章2
组分i的分压力
si
Tf
si0 (Tref )
Tref
c p ,i
dT T
Ru ln
Pi P0
2.17a
组分i在标准状
态下的绝对熵 （已知量）
组分从标准状态（P0, Tref)到状态（Pi，Tf）的熵变
33
在 1- =0.5 时熵达到最大值
自发的
非自发的
dS 是正的，系统自发 dS 是负的，非自发的。 地趋向最大熵的一点。
图中曲线为假想曲线
30
▪ 实际上1- 会是多少？ 可以是任意值吗？ ▪ 设想：如果任意改变，热力学第二定律
会阻挠吗？
即：如果任意改变违背热力学第二定律吗？
热力学第二定律=熵增定律 熵是否会减小？？
31
设定不同的值，计 算定容火焰绝热温度， 根据温度计算熵。
s m ix (T , P ) xi s i (T , Pi ) i
(2)[241,845 43.87(Tad 298)] (7.52)[0 33.71(Tad 298)] 877, 236 397.5(Tad 298)kJ
16
•和
Ru (Nre T ac init N prodTad ) 8.315 (10.52)(298 Tad )
式中Nreac =Nprod=10.52kmol. 重组并求解有 Tad
H reac H prod V (Pinit Pf ) 0
0.5
32
CO+
1 2
O2
cold
(1
)CO2
CO
2
O2
hot
reactants
products
产物混合物的熵可计算：
Smix (Tf
燃烧学
一、燃烧与火焰的基本概念1、燃烧通常把具有强烈放热并伴随有光辐射的快速化学反应过程都称为燃烧，如典型的强烈氧化反应，以及与此相似的氮化、氟化等反应也称为燃烧。
（在有两种组分参加的燃烧反应中，把放出活泼氧原子（或类似的原子）的物质称为氧化剂，而另一类组分则称为燃料。
）2、燃烧过程的特性除发光、发热等外部特征外，还具有电离和在可燃介质中传播的特征。
火焰辐射由于火焰发光、发热等导致，主要包括：热辐射——主要是化学稳定产物的光谱带，最强的光谱带一般在红外区。
化学发光辐射——不连续光谱带发射的结果，主要来自于化学反应过程中CH、OH、O等自由基的激发态电子。
炽热固态烟粒和碳粒的辐射——连续辐射，具有较宽的光谱带范围。
电离特性一般在碳氢化合物和空气中的燃烧火焰中（尤其是层流火焰中）的气体具有较高的电离度。
自行传播火焰向周围可燃介质传播，直到整个反应系统终止。
根据传播机理和特征包括两类火焰：缓慢燃烧火焰——通过导热使未燃气体温度升高（或通过扩散作用将自由原子、自由基传递到未燃气体中产生链式反应），以约0.2~1m/s的速度稳定、缓慢地传播。
爆轰火焰——依靠激波的压缩作用使未燃气体温度升高，传播速度约为几km/s）。
3、燃烧过程的本质（1）化学的观点：燃烧过程中原来物质的分子结构被破坏，原子中的外层电子重新组合，经过一系列的中间产物的演变，最后形成了生成物即燃烧产物。
在化学反应中，总的化学能降低了，这部分能量主要以热能和光能的形式被释放出来，表现为火焰现象。
（2）物理的观点：燃烧过程总是发生在流动系统中，这种流动可能是均相流，也可能是多相流，可以是层流也可以是湍流；燃烧过程总是发生在不均匀物质场的条件下，多种组分之间会发生混合、扩散等现象，甚至还有物质相态的变化。
燃烧引起的不均匀温度场，使燃烧过程中还伴有能量的传递，且如外界电磁场、重力场等因素也会对燃烧过程产生显著的影响。
因此，燃烧是一种物理和化学的复杂的综合动态过程，燃烧学的学习必然涉及燃烧的化学热力学和化学动力学基础、燃烧的流体力学和传热传质基础等相关理论基础，以及化学动力学控制的燃烧、液体与煤燃烧的理论、预混气体火焰、湍流燃烧等基本燃烧现象。
绝热火焰温度
绝热火焰温度：
由于火焰温度对化学反应速率所起到的作用，火焰温度可能是燃烧最重要的一个性质。
火焰温度既可以通过实验测量出来，又可以通过计算得到。
为了方便起见，引入了绝热火焰温度的概念。
绝热火焰温度指的是，在一定的初始温度和压力下，给定的燃料(包含燃料和氧化剂)，在等压绝热条件下进行化学反应，燃烧系统(属于封闭系统)所达到的终态温度。
在实际中，火焰的热量有一部分以热辐射和对流的方式损失掉了，所以绝热火焰温度基本上不可能达到。
然而，绝热火焰温度在燃烧效率和热量传递的计算中起到很重要的作用。
对于高温火焰(高于1800 K )，燃烧产物发生了分解反应，不但体积增大，还吸收了大量的热量。
在低温时，化学当量比混合物或者贫燃料混合物燃烧后的产生应该只有CO2和H2O，然而这些产物很不稳定，只要温度稍高一点，就可能部分转变为成简单的分子、原子和离子形式(例如，C0, H2, O, H和OH)。
相应地在转变过程中，能量被吸收，最大火焰温度也相应地被减小了。
绝热火焰温度的影响因素很多，主要有空气/燃料比、初始温度和初始压力。
化学反应热燃烧反应的热效应计算
化学反应热燃烧反应的热效应计算化学反应的热效应是指化学反应过程中伴随产生或吸收的热量。
其中，燃烧反应是一种重要的化学反应类型。
本文将介绍燃烧反应的热效应计算方法。
一、燃烧反应的热效应定义燃烧反应是指物质与氧气发生反应，产物中释放出大量热能的过程。
燃烧反应的热效应可以用焓变来表示，即反应前后系统的焓差。
根据能量守恒定律，反应前后系统吸收的热量等于反应中释放出的热量。
二、燃烧反应热效应计算方法1. 根据反应热的定律，对于一个化学反应rA + sB → tC + uD，其燃烧反应焓变ΔH可表示为：ΔH = [tΔHf(C) + uΔHf(D)] - [rΔHf(A) + sΔHf(B)]其中，ΔHf表示相应物质的标准生成焓，它表示单位物质在标准状态下形成的反应焓。
ΔHf的值可以通过热化学数据库查询获得。
2. 如果反应中有气体生成或消耗，还需要考虑气体在反应过程中的状态变化对热效应的影响。
根据理想气体状态方程PV=nRT，可以得到以下公式来计算气体状态的变化：ΔrH = ΔH - ΔnRT其中，Δn表示反应物和生成物气体摩尔数的差值，R为气体常数，T为反应温度。
3. 如果反应是在常压下进行（例如在开放空气中），则焓变即为热效应；如果反应是在恒定压力下进行（例如在密闭容器中），则焓变需要加上外界对系统所作的功，即ΔH = ΔU + PΔV。
其中，ΔU为反应过程中系统内能的变化，PΔV为外界对系统所作的压力-体积功。
三、示例计算以燃烧反应丙烷（C3H8，液态）+ 氧气（O2，气态）→ 二氧化碳（CO2，气态）+ 水蒸气（H2O，气态）为例，计算其热效应。
首先，查找热化学数据库，获取相关反应物和生成物的标准生成焓：ΔHf(C3H8) = -104.7 kJ/mol，ΔHf(CO2) = -393.5 kJ/mol，ΔHf(H2O) = -285.830 kJ/mol。
根据化学方程式，可得到该反应的热效应计算公式：ΔH = [1 * ΔHf(CO2) + 4 * ΔHf(H2O)] - [1 * ΔHf(C3H8) + 5 * ΔHf(O2)] = [1 * (-393.5) + 4 * (-285.8)] - [1 * (-104.7) + 5 * 0]= -2220.4 kJ/mol如果该反应是在常压下进行，热效应即为焓变：ΔH = -2220.4kJ/mol。
燃烧反应动力学
燃烧反应动力学： 这一章主要从化学动力学的角度阐述燃烧反应的一些基本概念、原理和理论模型。
首先定义了反应速度：化学反应速度是在单位时间内由于化学反应而使反应物质（或燃烧产物）的浓度改变率。
dCw d τ=-然后介绍了最基本的反应——基元反应，即反应物分子（或离子、官能团）在碰撞种一步转化为产物分子（或离子、官能团）的反应。
同时引入了反应级数的概念。
并在此基础之上逐步讨论了一级反应和二级反应的一些结论和特点。
其中又引入了半衰期的概念，其定义如下：经过一定时间r 后，反应物的浓度降为初始浓度的一半时所需要的时间即是该反应的半衰期。
在简单的基元反应基础之上，课程进一步研究了一些复杂反应，包括：可逆反应、平行反应、连续反应等。
至此基本的反应类型介绍完毕。
紧接着课程讨论了各种参数对化学反应速度的影响，包括温度、压力、浓度等。
其后继续介绍了反应速度的碰撞理论模型。
并提出了有效碰撞理论：● 在相互反应的分子碰撞过程中，只有一部分的分子碰撞处于合适的方位上； ● 处于合适方位上的分子间的相互碰撞，只有一部分有能力足以使得化学键破裂； ● 反应速率常数可以表示成：/E RT AB k Z e ϕ-=有了碰撞理论模型的基础之后，课程开始介绍另外一种比较特殊的重要反应类型——链锁反应。
主要介绍了不分支链锁反应（也叫直链反应）和分支链锁反应两个类型。
本章的最后介绍了燃烧学中常用的一些概念和术语。
现总结如下：● 生成焓：当化合物是由不同元素组成时，化学能被转换成热能，这种转换的能量称为化合物的生成焓。
● 过量空气系数：燃烧反应过程当中实际空气量和理论空气量的比值。
● 当量比：111φ=千克燃料实际燃空比实际燃烧过程种供给的空气量＝千克燃料理论燃空比千克燃料完全燃烧所需要的理论空气量● 绝热燃烧温度：一个绝热、无外力做功、没有动能或势能变化的燃烧过程，燃烧产生的热量全部用于加热燃烧产物，这样一个过程中燃烧产物的温度。
多组分反应流体力学基本方程组： 这章主要从流体力学的角度分析多组分燃烧反应过程的一些特点以及结论，并导出多组分燃烧反应的基本方程组。
【大连理工 燃烧学】燃烧学7(3)
燃烧平学 衡常数值越大，也就是正反应的趋势越强。
6
补充：Kc与Kp之间的关系
第二章介绍了用a组A分 b浓B度 表cC示的xX平衡yY常数zKZc
对于化学反应
反w应f 平k衡f 时A，a B有b Cc wr kr Xx Yy Zz
Kc
kf kr
Xx Yy Zz Aa Bb Cc
XA [A]RuT / p pA pXA [A]RuT
H pro
Ni
[h
0 f ,i
cp,i (Tad
298)]
1[393546 56.21(Tad 298)] 2[241845 43.87(Tad 298)] 7.52[0 33.71(Tad 298)]
H pro Hrea Tad 2318K
燃烧学
21
若用变比热式，h迭i 代hf0计,i 算Tad ，cp,i即dT 298
（1）完全燃烧，即没有离解，产物中只有二氧化
碳、水和氮气。空气中氧气体积比为21%，氮气
79%。 物质
标准生成焓
h0 f ,i
/
(kJ/
kmol)
1200K时比热容 cpi / (kJ/ (kmol K))
（CH42）计算产物-74的831焓时，其定压比热容取- 为常数，
用CO21200K下的-比393热546容来估算。 [≈0.5（5T6.021+Tad），
1
XCO2
0.5
exp
68907 8.315 2500
0.03635
4） 燃烧学
【方程1】
15
步骤2：元素守恒方程
1 CO2 CO+ 2 O2
• 元素守恒即前后原子比例不变，与初态混合物组 成氧 碳有原 原关子 子。数 数题 中12 ，初态为纯CO2
燃烧学
b a2 = = = 0.03 1 + 2 + b + 3.76a 1 + 4.76a
a = 2.368
N air MWair 空燃比可表示为 ( A F ) = N fuel MW fuel N air 4.76a = 因为 N fuel 1
所以
4.76a MWair (A F) = MW fuel 1
有一以天然气为燃料的工业锅炉， 例1.2 有一以天然气为燃料的工业锅炉，该锅炉工作 假设天然气成分为甲烷， 时烟气中氧气的摩尔分数为 3% 。假设天然气成分为甲烷， 试确定该锅炉工作时的空燃比( A F ) 和当量比 Φ 。
χ 解： 已知： O = 0.03 已知：
2
MW fuel = 16.04
φ = 1 —— 化学恰当比混合物(stoichiometric ~)
φ < 1 —— 贫燃料混合物(lean mixture)
2
余气系数， 余气系数，过量空气系数 (dimensionless air/fuel, excess air coefficient)
A/ F 1 α= = ( A / F ) st φ
( (
) )
CO CO2
表A1 表A2
+ χ N 2 h fo, N 2 + h (T ) h fo ,298 表A7 N2 通过查附表A 将所得值代入上式得混合物摩尔比焓。 通过查附表A，将所得值代入上式得混合物摩尔比焓。
(
)
hmix = 0.10 [ 110,541 + 28, 440] + 0.70 [ 0 + 28,118]
（1）混合物质量比焓和摩尔比焓； 混合物质量比焓和摩尔比焓； （2）三种组分的质量分数。 三种组分的质量分数。 【解】已知： χ = 10％ 已知： CO
标准摩尔反应焓的计算
B
f HmyCO2,g 2f Hmy H2O ,g f HmyCH4,g
= 164.94kJ·mol-1
Δr Hmy( T ) Δr Hmy( 298.15K ) ΔrCp,m(T 298.15)
= 199.97kJ·mol-1
k
J
m
o
l1
求液态乙醇在25 ℃时的标准摩尔生成焓。
f Hmy C2H5O H,l
13
解: 乙醇的燃烧反应为：
C2H5O H(l) 3O2(g) 2CO2(g) 3H2O (l)
cHmy C2H5O H,l r Hmy νBf Hmy B
B
2f HmyCO2,g 3f Hmy H2O ,l f Hmy C2H5O H,l
H 2
8
r Hmy H1 H2
(ac
Hy m, A
bc
Hy m,B
)
(gc
Hy m,G
hc
Hy m,H
)
Δr Hmy νB ΔcHmy( B)
标准摩尔燃烧焓数值较大，容易测定，准确度高， 可以用作基础热力学数据。
9
C(石墨) + ½O2(g) = CO(g)
r Hm f Hm (CO,g) c Hm(石墨,s)
58 37.
利用各物质的标准摩尔生成焓求化学反应焓变：
81 -241.
只有可燃性物质才有燃烧焓
C6H5 ·C2H3(g)
23
方法二
298.15K： H2O (l)H2O (g)
Δf Hmy (H2O ,g) Δf Hmy (H2O ,l) Δvap Hm Δf Hmy (H2O ,g) Δf Hmy (H2O ,l) ΔvapHm
三维球形绝热点火控制方程
三维球形绝热点火控制方程三维球形绝热点火控制方程引言：三维球形绝热点火控制方程是研究火焰传播、点火和燃烧过程的重要工具。
本文将详细介绍这个方程的基本概念、推导过程和应用。
一、方程的基本概念1. 球坐标系下的基本方程在研究三维球形绝热点火控制过程中，我们采用球坐标系下的基本方程进行描述。
球坐标系具有球心、径向、极角和方位角四个坐标，对于球形火焰的分析十分重要。
2. 物质守恒方程物质守恒方程是描述气体物质流动的基本方程。
根据质量守恒定律，可以得出三维球形绝热点火控制方程中的物质守恒方程。
3. 动量守恒方程动量守恒方程是描述气体流动动力学特性的基本方程。
在三维球形绝热点火控制过程中，通过导出球坐标系下的动量守恒方程，可以进一步推导出火焰传播速度等关键参数。
4. 能量守恒方程能量守恒方程是描述热传导和排泄过程的基本方程。
在火焰点火和燃烧过程中，能量守恒方程的应用可以帮助我们研究火焰温度分布、燃料消耗率等参数。
5. 点火条件和燃烧特性通过三维球形绝热点火控制方程，我们可以研究点火的条件和燃烧特性。
例如，点火源的温度、流速和燃料浓度对于点火性能的影响，以及火焰传播速度和火焰稳定性等。
二、方程的推导过程1. 方程的基本假设在推导三维球形绝热点火控制方程时，需要基于一定的假设。
例如，假设火焰是球对称的、绝热的，气体是理想气体状态等。
2. 导出物质守恒方程根据质量守恒定律，通过对物质的流动进行分析，可以得到物质守恒方程。
3. 导出动量守恒方程根据动量守恒定律，通过对气体的流动动力学特性进行分析，可以得到动量守恒方程。
4. 导出能量守恒方程根据能量守恒定律，通过对热流传递和排泄过程进行分析，可以得到能量守恒方程。
5. 推导点火条件和燃烧特性通过分析点火源的热传导和燃料燃烧过程，可以进一步推导出点火条件和燃烧特性方程。
三、方程的应用1. 火焰传播速度预测通过三维球形绝热点火控制方程，可以预测火焰的传播速度。
这对于火灾防控和燃料燃烧效率的提高具有重要意义。
(完整版)碳燃烧绝热火焰温度计算
1.求绝热火焰温度：1,25,0022===+αC T CO O C（1）不考虑二氧化碳在高温下的分解 （2）考虑分解解：（1）222276.376.3N CO N O C +=++0)(76.3)(0,0,0,22222=-⨯+-+∆N T N co T co co f H H H H H 000,,,2222276.3N co co f T N T co H H H H H ++∆-=+代入数据，mol J H mol J H mol J H N co co f /8670/9346/393522000,222==-=∆、、得 2.43548576.3,,22=+T N T co H H取不同温度T ，查表可得到不同温度下的焓值，比较大小得到绝热火焰温度通过以上表格可知，当温度T=2460K 时，两者焓值比较接近，因此可以认为绝热火焰温度为T=2460K 。
（2）考虑二氧化碳的离解度为ε，则有燃烧方程2222276.32)1(76.3N O CO CO N O C +++-=++εεε摩尔分数 εε5.076.412+-=co x 、εε5.076.4+=co x 、εε5.076.45.02+=o x平衡常数εεεε+-=⋅=52.912/122o co co p xx x K能量方程如下：)(76.3)(2)())(1()1(0,0,0,0,0,0,2222222=-+-+-+--+∆+∆-N TNo T o coT co co T co co f co f H H H H H H H H H H εεεεε代入数据mol J H mol J H mol J H mol J H molJ H mol J H N o co co co f co f /8670/8368/8671/9364/110527/39352200000,0,2222====-=∆-=∆、、、、得 Tco T o T co T N T co H H H H H ,,,,,22222/27937276.32.435485-++--=ε取不同的温度计算可得到不同的离解度如下表所示：通过比较平衡常数计算表格与能量方程表格，当离解度为0.1时两者温差很小。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
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1.求绝热火焰温度：1,25,0022===+αC T CO O C （1）不考虑二氧化碳在高温下的分解 （2）考虑分解
解：（1）222276.376.3N CO N O C +=++
0)(76.3)(0,0,0,22222=-⨯+-+∆N T N co T co co f H H H H H 000,,,2222276.3N co co f T N T co H H H H H ++∆-=+
代入数据，mol J H mol J H mol J H N co co f /8670/9346/3935220
00,2
22==-=∆、、 得 2.43548576.3,,22=+T N T co H H
取不同温度T ，查表可得到不同温度下的焓值，比较大小得到绝热火焰温度
T/K 2co H
2N H
2276.3N co H H +
2000 100811.2 64808.5 344491.16 2500 131278.2 82965.7 443226.60 2300 119022.2 75664.0 403518.84 2400 125139.6 79309.1 423341.86 2450 128208.9 81137.4 433285.52 2460
128822.8
81503.1
435276.30
通过以上表格可知，当温度T=2460K 时，两者焓值比较接近，因此可以认为绝热火焰温度为T=2460K 。
（2）考虑二氧化碳的离解度为ε，则有燃烧方程
2222276.32
)1(76.3N O CO CO N O C +++-=++ε
εε
摩尔分数 εε5.076.412+-=co x 、εε5.076.4+=co x 、ε
ε
5.07
6.45.02+=o x
平衡常数ε
ε
εε+-=
⋅=
52.912/12
2
o
co co p x x x K
利用平衡常数与温度的关系，计算不同离解度下对应的绝热温度，如下表
ε T/K
0.01 1846 0.03 2094 0.05 2136 0.07 2206 0.08 2240 0.1 2296 0.12
2341
能量方程如下：
)(76.3)(2
)())(1()1(0,0,0
,0
,0,0,2
22
2
222=-+-+-+
--+∆+∆-N T
N
o T o co
T co co T co co f co f H H H H H H H H H H ε
εεεε
代入数据
mol
J H
mol J H mol J H mol J H
mol J H mol J H N o co
co co f co f /8670/8368/8671/9364/110527
/393522000
00
,0,2
22
2====-=∆-=∆、、、、
得 T
co T o T co T N T co H H H H H ,,,,,22222/27937276.32.435485-++--=
ε
取不同的温度计算可得到不同的离解度如下表所示：
T/K ε
2200 0.18 2300 0.10 2400
0.044
通过比较平衡常数计算表格与能量方程表格，当离解度为0.1时两者温差很小。
因此可
以认为二氧化碳离解度为1.0=ε，绝热火焰温度T=2300K 。