第1章_燃烧化学反应动力学基础

燃 烧 学
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第一篇 燃烧基础
——绪论
教学目的 教学内容 学时安排 考核方式 参考资料
• 教学目的 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 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 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 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
新化学键的建立——放出一定的能量；
键能的差额——反应中的能量变化。 化学反应动力学—— 化学的一个分支。 定量地研究化学反应进行的速率及其影响 因素。
Sox , Nox
燃烧科学的应用
• •
全世界的能源结构以石油和煤为主，石油和煤的主 要利用方式——燃烧； 现代社会的主要动力来源——矿物燃料燃烧；火力 发电厂锅炉（2008年雪灾，电煤），工业用蒸汽， 发动机等均是以固、气、液体燃料的燃烧产生的热 能为动力（热源）；火箭发动机高强度燃烧装置； 燃料中存在有害物质：烟尘、灰、SOx、NOx →污染环境 →酸雨、温室效应等。改善燃烧工 艺，控制燃烧过程，发展洁净燃烧技术。
瞬时速率
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2 表达式： 化学反应速度既可以用反应物浓度的减少
来表示，也可以用生成物浓度的增加来表
dc A w d
示。但均取正值。
' ' '' '' A B G 例： a b g hH ' ' '' '' a , b , g , h 为各物质的化学计量系数
三 燃烧化学反应动力学研究对象: 研究燃烧化学反应机理和反应速率及其影 响因素的一门科学
掌握燃烧化学反应动力学基础，是弄清反 应机理燃烧速率及其影响因素以及掌握燃烧污 染物形成机理的前提
第二节 燃烧化学反应速率
一 浓度 浓度：单位体积内所含某种物质的量。 1．质量浓度 2．物质的量浓度
对于混合气体：
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五 反应级数: 浓度变化对化学反应速率的影响程度
1 定义:对一步完成的简单化学反应与所有的 基元反应,反应速率表达式中的反应物浓度指数之和
' ' '' '' a Ab B g G h H
w kc A cB
' a
' b
n 就是反应级数
' ' a b n
对于基元反应
③三级反应很少见.
H H H H2 H
dcH dcH 2 3 3 3 3 =(1-3)kf cH =-2kf cH =(1-0)kf cH =kf cH d d dcH 2 dcH 3 =-2 =-2kf cH d d
n= i' 3
i 1 N
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3 速率常数单位
依次类推. 因此,化学反应速率常数的单位与反应级数有关 .
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4 总包反应级数
(1)总包反应是由一系列简单的基元反应所组成,它的反 应级数不能直接按总化学反应方程式所表示的参与反应 的分子数来确定, (2)一般往往低于其参与反应的分子数,可以是整数,也 可以是分数; (3)其具体数值需要根据实验测得的反应速率与反应物浓 度的关系来确定; (4)对某些化学反应,实验得到的反应级数与化学反应 方程式的反应物分子数相等的情况仅是巧合.
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》
简单反应 一步完成
2个A分子与1个B分子同时碰撞的机会与他们浓度的
乘积成正比，如果化学反应是由分子碰撞引起的，则反
应速率应与A，B分子同时碰撞的机会成正比。
wm kC A C A CB kC A2 CB
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注意：质量作用定律适用范围
① 对于总包反应，所形成的最终产物是由几步反应所完 成的，故化学反应方程式并非表示整个化学反应的真实 过程，故无法用质量作用定律直接按反应方程判断反应 速率与反应物浓度关系。
dcG dcA dcB wA wB wG d d d 各物质燃烧反应速率之间的关系

dcH wH d
1 dcA 1 dcB 1 dcG 1 dcH '' '' ' ' a d b d g d h d
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三 基元反应与总包反应
基元反应：由反应物经一步反应直接生成产物的反应。 （也叫简单反应）
例
2 H 2 O2 2 H 2O
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四 质量作用定律：反应物浓度与反应速率的关系 1 、表述： 当温度不变时，某化学反应的反应速率与该瞬
间各反应物浓度的乘积成正比例，如果该反应按照某化学 反应方程式一步完成（简单，基元反应），则每种反应物 浓度的方次即等于化学反应方程式中的反应比例常数。
' ' '' '' a Ab B g G h H
mA A V
kg / m3
nA cA V
(mol / m3 )
nA p A V RT
p AV nA RT c A
R : 通用气体常数 8.31分数
nA xA nA nB ...
摩尔分数与物质的量浓度之间的关系：
RT xA cA p
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六 基元反应的化学反应速率:
1 双分子反应:燃烧中发生的大多数基元反应
A B C D
2 H 2O 例 对H2与O2的燃烧,其总包反应: 2 H 2 O2
其双分子反应:
H 2 O2 HO2 H
H O2 OH O OH H 2 H 2O H
湍流问题的另外考虑
• 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 。 • 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
注意此式应是基元反应
k ：化学反应速率常数，也称 反映了进行燃烧化学反应难易 的性质（活性，反应能力）， 比反应速率。（反应物浓度均 该值仅与反应物的种类和温度 为单位1时的反应速率） 有关，与压力和浓度无关。
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w kcA cB
' ' a b
2、用分子碰撞理论论证
2 A B C
研究燃烧过程有时采用相对浓度较其它浓度方法更方便， 因为它可以直接指出过程进行的程度，对于气体燃料而言， 相对浓度又与压力、温度无关（只和比例有关）。
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二 化学反应速率
1 定义： 单位时间内参与反应的初始反应物或反应产 物的浓度变化量。
c A w
反应物取-号,生成物取+号
cA dcA w lim 0 d
dcA kbi cAcB d
六 基元反应的化学反应速率:
2 单分子反应:单一组分发生化学分解
A B A B C
O2 O O
H 2 H H
dc A kuni cA d dcA kuni cAcM d
较高压力下,是一级反应, 反应速率: 较低压力下,反应速率:
总包反应：反应并非一步完成，而需要经过若干相继的 中间反应,涉及若干中间反应产物才能生成最终反应产物 的反应. 也称总的化学反应或整体化学反应, 或复杂反应. 复杂反应其中每一步反应也称为基元反应。或者说是由 一系列基元反应组成、机理复杂的反应。是一系列若干 基元反应的物质平衡结果,并不代表实际的反应历程.
wm k[ICl]2 [H 2 ]
wm k[ICl][H2 ]
2ICl+H 2 I2 +2HCl
真实反应过程为：
ICl+H 2 HI+HCl (慢) HI+ICl HCl+I 2 (快)
② 严格讲，质量作用定律仅适用于理想气体。 ③ 对于多相反应，仅考虑气相物浓度，对于固相或液 相物质不考虑。
燃烧模型的分类：根据燃烧现象 的条件分类
燃烧模型的基本组成
燃烧模型的控制方程
• 守恒方程 质量守恒（连续性方程） 动量守恒 组分守恒（扩散方程） 能量守恒 • 输运方程： 层流——分子输运 质量输运（Fick定律） 动量输运（Newton定律） 能量输运（Fourier定律）
' n a b'
n 代表了反应快慢，由实验测定（整数，分数， ' ' , a b 0）。 是化学方程式反应比例系数，方程的 质量平衡。两者概念不同，请注意区别。
2 级数确定
w kcA cB
' ' a b
① 如果化学反应速率与反应物浓度的一次方成正比,则 该反应就是一级反应 ②如果化学反应速率与反应物浓度的二次方成正比,或 者与两种物质浓度的一次方的乘积成正比,则该反应就 是二级反应
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•
电站煤粉锅炉系统简图
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链条锅炉
从炉排前部观察的商品型煤燃尽状态
从炉排后部观察的商品型煤燃尽状态
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循环流化床锅炉（ Circulating Fluidized Bed）
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内燃机
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固体燃料 • 液体燃料
• 气体燃料
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燃烧学涉及热力学、流体力学、化学动力学、传热传质学， 具备综合的理论体系，而且与实验理论、技术密切相关。 燃烧科学应用的领域看，其重点在于研究燃料和氧化剂进行 激烈化学反应的发热、发光的物理化学过程及其组织。 燃烧科学：燃烧理论方面的研究，主要以燃烧过程涉及的基 本过程为对象，如燃烧反应的动力学机理，燃烧的着火、熄 灭、火焰传播、火焰稳定、预混火焰、扩散火焰、层流和湍 流燃烧、催化燃烧、液滴燃烧、碳粒燃烧、煤的热解和燃烧、 燃烧产物的形成机理等。 燃烧技术：主要是应用上述理论研究的结果来解决工程技术 中的各种实际问题，包括：燃烧方法的改进、燃烧过程的组 织、新的燃烧方法的建立、提高燃烧利用率、拓宽燃料利用 范围、改善燃烧产物的形成、实现对燃烧过程的控制、控制 燃烧中污染物的形成与排放，等等。