高等燃烧学讲义第6章郑洪涛4学时.pptxVIP

高等燃烧学 第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合 主讲人：郑洪涛;第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合;本章将针对几个原型的热力学系统，把第4章的化学动力学知识与基本的守恒原理(如质量、能量守恒等)进行耦合。以描述这个系统从初始反应物状态到最终产物状态的详细过程，不管其最终是否达到化学平衡。 换句话说，可以计算出系统从初始反应物到产物的进程中系统温度和各种组分浓度随时间的变化趋势。 本章的分析是简化的，并没有考虑复杂的传质过程，所涉及的系统如图所示。 假设其中三个系统混合充分，组分均匀。柱塞流反应器系统忽略其在流动方向上(轴向)的混合与扩散，且在垂直于流动方向的径向位置上是充分混合的。 其模块概念可用来构成更复杂的流动，还可以从最基本的层面上理解热力学、化学动力学和流体力学的相互作用。;第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合 ——概述;考虑一个活塞-圆筒式容器内的反应物(图6.1(a))，在容器中任一位置的气体都以同样的速率在进行反应。这样在混合物中就不存在温度梯度和浓度梯度，用一个温度参数和一组组分浓度参数就可以描述这个系统的变化过程。对于放热的燃烧反应，温度与体积都将随时间增大，在反应器的壁面上还可能发生传热。 下面来推导出一组一阶的常微分方程组，它的解表示了系统温度和组分的变化。这些方程加上相应的初始条件就定义了一个初值问题。对于一个定质量系统，先写出其基于变化率形式的能量守恒方程，即;能量守恒方程 根据焓的定义 假设只考虑在活塞上的容积变化功P×dv，则 将后两式代人第一式中，消去Pdv/dt 项，则有 可以用系统内化学组成来表示系统的总焓为 式中，Ni和 分别是组分i 的物质的量和摩尔焓。;对上式进行微分得 假设是理想气体，焓值只与温度有关。则： 上式提供了与系统温度的联系；同时浓度[Xi](单位体积的摩尔数)的定义和质量作用表达式 则提供了与系统组成Ni和化学动力学dNi/dt的联系。其表示为 将后3式带入焓值的微分表达式中可得：; 其中： 质量守恒方程：作为化学反应生成和体积变化的共同结果，组分??物质的量浓度[Xi]随时间变化的关系式为 或 式中，等式右边的第一项是化学反应生成项，第二项是体积变化项。;在定压的条件下对下式取微分有： 根据 和 的表达式，代入到 表达式中，整理得组分浓度变化率的最终表达式为 小结：以上问题可以表示为求下面方程组的解: 定解的初始条件：;对于定容反应器来说，能量守恒定律的应用与前面定压反应器的情况十分类似，不同的是，在定容反应器中做功为零。因此，热力学第一定律就可以写成下面的形式: 比内能u在数学上与前文分析中的比焓h相当，可以推出类似的表达式，并代入上式整理后有： 对于理想气体， 和 ，可以将上式用比焓和摩尔定压热容来表示，即;质量守恒方程：与定压-定质量反应器相同。 对于一个定容爆炸的问题，我们感兴趣的是压力随时间的变化规律。为了计算dP/dt，对理想气体状态方程进行微分，遵守体积不变的约束条件，有 应用[Xi]和 的定义 取微分 小结：dT/dt 表达式可以与化学反应速率表达式同时积分来求T(t)和[Xi]，即 定解的初始条件：;例6.1 在电火花点火发动机中，如果在火焰到达之前未燃燃料-空气混合物发生均相反应，就会引起爆震，也就是自动点火。压力升高速率是决定爆震强度和活塞曲轴机械损害趋势的关键参数。图6.2 给出了火花点火引擎中正常燃烧和爆震燃烧时压力随时间的变化曲线。注意到爆震越强烈，压力上升就越快。图6.3 给出了正常燃烧和爆震燃烧火焰传播的纹影照片(折光系数梯度)。 ;第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合—— 6.2 定容·定质量反应器——守恒定律的应用;请建立自动点火过程的简单定容反应器模型，并求温度的变化规律及燃料和产物浓度的变化规律，最后求出dP/dt 随时间变化的规律。设燃料-空气混合物在未压缩状态的初始温度为300K，压力为1atm。将混合物压缩到上止点(TC)，压缩比为10:1。压缩前的初始体积为3.68×10-4m3，发动机的汽缸直径和相应的冲程均为75mm，燃料为乙烷。 解：为了使计算的复杂程度降到最小，对该过程的热力学和化学动力学做一些大胆假设。但是解将依然保持热化学与化学动力学的耦合作用。假设如下: (1)反应是一步总包动力学过程，用乙烷的速度参数。 (2)燃料、空气和产物摩尔质量相同，即MWF=MWOx=MWPr=29。 (3)燃料、空气和产物的比定压热容相同，且恒定，即， cp,F=cp,Ox=cp,Pr=1200J/(kgK)。 (4)空气和产物的生成焓为0；燃料的生成焓为4×10-7J/kg。;(5)设空气-燃料的化学当量比为16.0，燃烧是在化学当量或贫焰情况下发生。 用总包动力学