高等燃烧学

教学目的

1掌握多元混合反应系统条件下，在全混流以及柱塞流反应器中构造燃烧模型的方法

2逐步学会在多元混合系统条件下构造复杂燃烧反应模型的方法

3掌握进行着火、火焰传播和火焰稳定性研究的经典燃烧学理论和研究方法

4逐步学会自己搭建实验系统或设计反应模型进行燃烧过程研究的方法

燃烧学的背景知识

化学热力学；化学反应动力学；物理学；流体力学；传热学；传质学

燃烧过程的理论模化

目的：1模拟燃烧过程并发展对各种条件下燃烧行为的预测模型2解释和理解所观察到的燃烧现象3取代困难或昂贵的试验4指导燃烧试验的设计5有助于确定各独立参数对燃烧过程的影响

燃烧模型的基本组成

围绕【控制方程1、守恒方程2、输运方程】的条件：1初始条件；2状态方程；3动力学参数；4材料性质和结构特性；5经验知识；6热力学和输运特性；7边界条件。

湍流问题的另外考虑

1湍流流体微团的输运——湍流力学课程讲授：湍流动能的输运；湍流动能和耗散率的输运；雷诺应力的输运；概率密度函数的输运；瞬时脉动量的输运。随着湍流模型的发展还会有其它物理量输运。

2湍流反应流的处理：统计矩方法——统计求解平均化学反应速率；概率密度函数法——应用联合PDF方程封闭方程组。

教学内容

1化学热力学2化学动力学和反应器理论3多组分反应系统的守恒方程4预混气体的缓燃波和爆震波5气体的层流火焰6湍流火焰7两相流燃烧理论基础8点火理论9实际火焰中煤的燃烧理论

学时安排

1.化学热力学4学时

2.化学动力学和反应器理论7学时（含1学时讨论课）

3.多组分反应系统的守恒方程7学时（含1学时讨论课）

4.预混气体的缓燃波和爆震波4学时

5.气体的层流火焰5学时（含1学时讨论课）

6.湍流火焰2学时

7.两相流燃烧理论基础7学时（含1学时讨论课）

8.点火理论4学时

9.实际火焰中煤的燃烧理论5学时（含1学时讨论课）

参考资料

课程内容主参考书：《燃烧原理》，陈义良等，航空工业出版社；《粉煤燃烧与气化》，J.G.斯

穆特，科学出版社；《燃烧物理学基础》，付维彪等，机械工业出版社

辅助参考书：《燃烧理论与化学流体力学》，周力行，科学出版社；《高等燃烧学》，岑可法等，浙江大学出版社；《化工热力学》；《化学反应工程学》

第一章 化学热力学

1、本章学习提示

（1）燃烧过程的特点：1反应中放出大量热能2具有较高的反应速率3高温下存在反应离解和平衡

（2）能量的变化机理：1旧化学键的分裂——吸收一定的能量；2新化学键的建立——放出一定的能量；3键能的差额——反应中的能量变化

（3）在燃烧学中，化学热力学解决燃烧过程中能量变化的数量、方向和化学平衡问题

（4）在研究生阶段，重点解决存在化学平衡的高温反应条件下能量变化的数量、方向和化学平衡问题

需要同学们学习的内容

1如何定量描述化学反应的放热量？2在反应物和产物确定的情况下如何求解燃烧反应放热？3如何确定燃烧的反应产物组成及反应进行的程度？4如何求解绝热燃烧温度？5如何提出实际气体的状态方程？

专题一 如何定量描述反应放热

2、有关概念的回顾

化合物的生成焓

定义：当化学元素在化学反应中构成一种化合物时生成或吸收的能量。

为了定量表述方便，定义了一个标准生成焓：各化学元素在298K ，1个大气压条件下形成1mol 化合物所产生的焓的增量。

在生成焓的定义中，反应物一定是自然状态的元素，不能是化合物。如： CO+1/2O2=CO2 产生的能量不是生成焓。

反应焓

定义：在几种化合物（或元素）相互反应形成生成物时放出或吸收的能量

反应焓的数值等于生成物与反应物生成焓之差

即：000,,RT S f TS j f Tj S R j P

H M h M h ==∆=

∆-∆∑∑ 式中： ΔH 0RT ——1个大气压，T 温度下的反应焓；M S ——生成物的mol 数； M j ——反应物的mol 数。

H-T 图反映了在任何温度下，生成物和反应物之间的焓差就是反应焓。放热反应，反应焓为

负值。（ ΔH 0RT = ΔH P -ΔH R )

由于比热为温度的函数，H-T 线为曲线。

第二章 化学动力学和反应器理论

化学动力学发展简史

1848年 van’t Hoff 提出： 1891年 Arrhenius a exp()E k A RT =-设a E 为与T 无关的常数 1935年 Eyring 等提出过渡态理论

1960年 交叉分子束反应，李远哲等人1986年获诺贝尔化学奖

1、本章学习提示

阿累尼乌斯定律反应速率方程的分子动理学解释——二元碰撞理论

多步反应机理的反应速率

本征活化能和表观活化能及其区别

本征反应过程及与流动耦合的反应过程

化学反应器理论 1定压定质量反应器2定容定质量反应器3全混流反应器4柱塞流反应器5应用理想反应器模型构造复杂的反应器模型

需要同学们学习的内容

⏹ 如何理解阿累尼乌斯定律的微观物理意义？

⏹ 如何求解多步复杂反应的反应速率？

⏹ 如何确定本征反应的条件，以及求解本征反应活化能？

⏹ 如何在简单反应器下计算反应动力学

⏹ 如何通过简单反应器构造复杂反应器？

如何理解阿累尼乌斯定律的微观物理意义？

2、有关概念的回顾

质量作用定律 讨论基元反应与反应体系中各组分浓度间的关系的理论，1867年提出。 定义：一个基元反应的反应级数与构成该基元反应的各个基元化学物理反应的反应分子数相等。

阿累尼乌斯定律： 在恒定浓度下，基元反应的速率与反应体系所处的温度之间的关系可以表示成 e x p e x p m a

a -E -E k A k AT RT RT ⎛⎫⎛⎫=→= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

简单反应的独立作用定理： 一基元反应的反应速率常数和所服从的基本动力学规律不因其他基元反应的存在与否而有所不同

稳态近似： 对于连续反应，当生成的中间产物是不稳定的，且k2>>k1时，B 组分的浓度相对于A 和C 而言，自反应开始后始终是微乎其微，以至于其随时间的变化幅度非常小，此时可以对B 组分作准稳态处理，即B 120A B dC =k C -k C d τ

≈ 3、碰撞理论

与热力学的经典理论相比，动力学理论发展较迟。

先后形成的碰撞理论、过渡态理论都是20世纪后建立起来的，尚有明显不足之处。

理论的共同点是：首先选定一个微观模型，用气体分子运动论（碰撞理论）或量子力学（过渡态理论）的方法，并经过统计平均，导出宏观动力学中速率系数的计算公式。

由于所采用模型的局限性，使计算值与实验值不能完全吻合，还必须引入一些校正因子，使理论的应用受到一定的限制。

双分子碰撞理论： Lewis 于1918年提出 在Arrhenius 理论提出的活化状态和活化能的2a c 2

d ln d ln d d E k K T T T R T U R =∆= b

f c k k K =