燃烧学重点知识第二部分

4燃烧理论基础

4.1燃烧反应的热力学基础

1、单相反应：在一个系统内反应物与生成物属同一物态。

2、多向反应（异相反应）：在一个系统内反应物与生成物不属与同一物态。

3、浓度：单位体积中所含某物质的量。

摩尔浓度： 质量浓度： 摩尔相对浓度： 质量相对浓度： 4、标准生成焓、反应焓、燃烧焓、显焓、绝对焓（P98-100）

5、化学反应速率：单位时间内，反应物（或生成物）浓度的变化量。其单位为：kg/(m3s)、 kmol/(m3s)、 分子数/(m3s)

①例： a 、b 、c 、d 为对应于反应物A 、B 和产物C 、D 的化学反应计量系数

②反应速率可以表示为：

③化学反应速率与计量系数之间有如下关系： /i i mi i i i i i i i i n N V

M V

N n C X N n C M Y M n

ρρ==

===∑∑∑∑∑＝＝aA bB cC dD

+→+,,C A B D A B C D dC dC dC dC r r r r d d d d ττττ

=-=-==或1111::::::C A B D A B C D dC dC dC dC a d b d c d d d r r r r a b c d

ττττ

-=-==?=

④化学反应速率的三种表示方法：反应物的消耗速度、生成物的生成速度、r 为反应速度

⑤影响化学反应的因素：（温度、活化能、压力、浓度、可燃混合气的配比、混合气中的惰性成分）

1. 浓度：浓度越大，反应速度越快。

2. 压力：对于气体燃料，压力升高，体积减少，浓度增加，反应速度加快。（压力对化学反应速度的影响与浓度相同。）

3. 温度：温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数。

①阿累尼乌斯定律： A —常数，频率因子，由实验确定；

R —通用气体常数，8.28kJ/molK ，1.98kcal/molK ； E —活化能，J/mol ，由实验确定

? 气体分子的运动速度、动能有大有小；

? 在相同温度下，分子的能量不完全相同，有

些分子的能量高于分子的平均能量，这样的分子称为活1111G A B H A B G H dC dC dC dC r a d b d g d h d r ar r br r gr

r hr

ττττ-=-====-=-==b B a A C kC =r

RT E Ae k -=

化分子（自由基、活化中心、活化络合物、中间不稳物）

? 化学反应中，由普通分子到达活化分子所需

最小能量---活化能E ；（讨论活化能对反应速率影响，

通过阿累尼乌斯定律） ? 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。

4. 反应物浓度：在其他条件不变的情况下，反应物浓度越大，反应速率越大。

5. 混合气体：取决于可燃气所占组分，可燃气所占组分越多，反应速率越快。

⑥化学当量比：燃料与空气刚好完全燃烧时，空气与燃料的质量比。

⑦化学反应的分类：

1. 物态：单相反应、多相反应

2. 基元反应（分子数分）：单分子反应、双分子反应、三分子反应（P102）

3. 反应机理复杂程度：简单反应、复杂反应

4. 反应级数：1级反应、1.5级反应、2级反应

5. 基元反应：能够一次完成的反应，即反应物的粒子只经过一次分子间的碰撞而实现的化学变化。

6. 总反应：（P102）

?????↑→↓↓→↑W E W E a a

⑧质量作用定律：一组化学组分消失的速率与各反应物浓度以其化学计量系数幂函数的乘积成正比。（只适用于基元反应） k:反应速率常数或比反应速度，不同的反应有不同的k ，其大小直接反映了速度的快慢和反应的难易，并取决于反应温度及反应物的物理化学性质。

⑨化学平衡常数：

对于可逆反应： 正反应速度： 逆反应速度： 化学平衡：

（化学平衡是动态平衡，反应物与产物的浓度均不变，但反应没有停止。）

化学平衡常数： （kf, kr 取决于反应温度及反应物的物理化学性质）

⑩化学反应级数：

实验表明，反应速度与反应物浓度之间存在着一定量的关系。 ? k n ：反应的比反应速度常数； ? x+y:反应级数，一般由实验测定。

化学反应级数与反应分子数的区别：

a b A B

W C k C =aA bB cC dD

+→+a b f f A B

W k C C =c d r r C D

W k C C =f r a b c d f A B r C D

r r k C C k C C ==c d f C D C a b r A B k C C K k C C ==aA bB cC dD

+→+A x y n B dA W k C C d τ

=-=

反应的级数按实验测定的动力学方程来确定，而反应的分子数则根据引起反应所需的最少分数目来确定；

简单反应的级数常常与反应式中作用物的分子数相同；

复杂反应，反应物或生成物的净反应速度与其反应机理相关，其某一化合物的净反应速度应是该化合物在各个基元反应中的消耗速度与生成速度的代数和。

4.2活化分子碰撞理论

?在简单反应中，由于反应物中存在着大量作不规则热运动的分子，它们之间会发生碰撞。当碰撞能破坏反应物原有分子键结构，生成新键时化学反应发生。

?只有相互碰撞的分子所具有的能量超过一定反应能级水平时才能进行化学反应，这一能级称为活化能。

?分子之间需要通过碰撞才能引起化学反应；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。

?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；单位时间内碰撞次数越多，反应速率越快；活化能越小，物质的化合能力越强。

4.3链锁反应理论

链锁反应：P112

链锁反应的三个基本步骤：

?链的形成（引发）

?链的增长（发展）

?链的中断（终止）

链锁反应分两大类：

?直链反应（不分枝链锁反应）

?分支链反应（分枝链锁反应）

链的引发（形成）：由反应物分子生成最初活化中心的过程。（稳定物质，生成活化分子过程）

链的传播（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。（消耗一个活化分子，又产生一个或多个活化分子）链的增长可以是直线、不分枝式，也可以是分枝式，即：

直链反应：一个活化分子参与反应产生一个活化分子

分枝链反应：一个活化分子参与反应产生多个活化分子链的中断：活化分子消失成稳定物质的过程。

5气体燃料的燃烧

5.1气体燃料燃烧原理及特点

1、单相（同相、均相）反应：在一个系统内反应物与生成物属同一物态。

2、多向反应（异相反应）：在一个系统内反应物与生成物不属与同一物态。

3、气体燃料的燃烧过程包括三个阶段：燃气和空气的混合

阶段、混合后可燃气体混合物的加热和着火阶段、完成燃烧化学反应阶段。全预混燃烧（无焰燃烧、动力燃烧）4、两种类型预混燃烧：半预混燃烧

扩散燃烧（有焰燃烧）

①一次空气系数：燃烧前已与燃气混合的空气量与该燃气

燃烧的理论空气量之比。

②当一次空气系数大于0而小于1时，称为半预混燃烧；

③当一次空气系数大于或等于1时，称为全预混燃烧

④预混燃烧：如果燃气与空气预先混合后，再送入燃烧室

燃烧，这种燃烧成为预混燃烧。

⑤扩散燃烧：如果燃气与空气不预先混合后，而是通过各

自管道送入燃烧室燃烧，此时燃气内部无一次空气，这

种在燃烧室内边混合边燃烧的方式称为扩散燃烧。

5.2预混可燃气体的着火与燃烧

1、预混可燃气体的燃烧过程两个基本阶段：着火阶段、着火后的燃烧阶段

2、预混可燃气体的着火方法：

点燃

自燃热自燃：

链锁自燃：

预混燃烧的特点：P135

爆炸式化学反应

3.热自燃理论：

? 某一反应体系在初始条件下，进行缓慢的氧化还原反应，反应产生热量，同时向环境散热，当产生的热量大于散热时，体系的温度升高，化学反应速度加快，产生更多的热量，反应体系的温度进一步升高，直至着火燃烧。

? 自热体系着火成功与否取决于其放热因素和散热因素的相互关系。

? 发生热自燃时的温度称为热自燃温度或着火温度。 ? 理论燃烧温度：当燃气完全燃烧时，燃气温度达到最高值Tmax ，称为理论燃烧温度（绝热燃烧温度）

? 预混气体在绝热条件下的热自然： 绝热热自然条件： 上式的物理意义：①只有当温度升高而使反应速度的0

dW t

增加速率超过因燃料消耗而引起反应速度下降速率时，预混合可燃气体在绝热条件下才会发生热自燃。②绝热过程不是引起热自燃的充分条件。只要过程开始后，反应物浓度足够大，初始温度较高，虽初始反应速度较低，但随后的反应速度总会不断增大，并导致热自燃着火。 ? 预混气体在散热条件下的热自然：

反应放热：

向环境散热：

着火取决于放热量与散热量的相互关系及其随温度而

增长的性质。 ? 预混气体在散热条件下的热自然：

? 预混气体在散热条件下的不同To 时的热自燃：

T B

10E

a b RT A B q qW qk e C C -==()20A q T T V α=-

? A 点：低温区稳定点，其绝对值太低，熄灭状态，对应于一个反应速率很小的缓慢氧化工况。

? B 点：着火点（临界点）有波动→要么回到B 点，要么着火

? C 点：高温非稳定点，两种发展方向，对热自燃而言不可能出现的工况。

? 着火温度（着火点B 对应温度）：指在一定的混合物压力P 和一定的壁温To 下引起自燃着火的最低温度。 ? 线Ⅲ：Q1＞Q2，没交点，着火

? 线Ⅱ（Q Ⅱ）：Q1≥Q2，一个切点，特定系统的临界散热直

线。

? 热自燃着火的临界条件: ? 系统发生热自燃的条件：：Q1≥Q2

? 着火临界温度的影响因素： ①仅能在T 0=T 0Ⅱ时才能实现临界自燃着火，即T B 与T 0有关。T0越低，着火温度越低。增加散热后，自燃条件被破坏。

②η↓有利着火

③燃料活性强（E 小或k0大）易着火

④T0↑ 容易着火

? 着火感应期τi ：指预混可燃气体从初始温度加热到着火温度T B 所需时间。（当可燃气体的温度、压力、燃气浓度2112Q Q dQ dQ dT dT =???=??()B T f α=0可燃混合气,

p,A /V ,T