第02章 燃烧化学.pdf

第 2 章燃烧化学基础
中国科学技术大学
热科学和能源工程系林其钊
2005年2月
1
• 引言
•化学热力学
–根据热力学第一定律分析化学能转变为热能的能量变化, 主要
确定化学反应的热效应
–根据热力学第二定律分析化学平衡条件以及平衡时系统的状
态, 这里主要研究燃烧平衡时的基本参数,也就是燃烧产物和成
分的确定
•化学动力学
–确定各种化学反应速度, 以及各种因素(温度、浓度等)对反应
速度的影响, 从而提供合适的反应条件, 使反应按照人们所希
望的速度进行
–研究各种化学反应机理, 研究从反应物到生成物所经历的途径
2
•化学热力学
–涉及的是多组分反应系统的平衡以及平衡时的状态
•单组分系统
–仅仅涉及热的平衡
•实际的燃烧器设计
–确保燃料和空气有一定的停留时间进行混合、反应, 达到平衡
–整体性能参数(例如压力、功率)通常在假定燃烧产物处于热力
学平衡的条件下进行估算的
–化学热力学可以解决大部分燃烧问题, 只是近年来污染控制法
规的严格, 以及对节约燃料方面考虑, 促进了对有限的化学反
应速度的研究
3
•化学当量与当量比
–大部分燃烧系统是获取热量和功,反应物由燃料和氧化剂组成
•氧化剂----通常是空气中的氧
–空气是免费的,不需要储存和携带。取之不尽、用之不竭
–空气中O2的摩尔浓度是21 %
–N2的摩尔浓度是79 %
–
–空气中N2对燃烧有稀释作用, 降低燃烧反应强度
–如需要提高燃烧强度, 可行的办法之一是采用纯氧或富氧燃烧
•燃料
–气态(H2 \CO \CH等)
–液态(重烷烃\ 甲、乙醇等)
–固态(煤炭\ 木材等) 4
•化学当量与当量比φ(续)
•化学当量
–在化学反应过程中, 反应物能够全部消耗完毕
–燃料和空气的相对浓度在化学当量时燃烧强度最高
•当量比φ:
–燃空比 F/A—燃料和空气的质量之比
–F/O--燃料和氧化剂的质量之比
–φ=(F/A)实际的/(F/A)化学当量=(F/O)实际的/(F/O)化学当量
–化学当量时, φ=1
•这时, 燃料和空气经过燃烧反应之后, 反应物消耗完毕, 仅仅有燃
烧产物存在
•过量空气系数α:
–α=1/φ= (A/ F)实际的/(A/ F )化学当量
–化学当量时, α= φ=1
5
• 、反应热及燃烧热
–所有化学反应都伴随有能量的吸收或释放
•反应的热效应
–反应体系在等温条件下进行某一化学反应时, 除膨胀功外, 不
做其他功, 此时体系吸收或放出的热量, 称为该反应的热效应
–除特别注明, 都是指等压条件下的热效应
0
–标准热效应∆H 298 ----标准状态下的热效应
–标准状态—1atm, 298K
–热力学惯例----吸热为正,放热为负
6
•生成热
0
•标准生成热, ∆hf 298 , kJ/mol
–标准生成热的定义: 由最稳定的单质化合成标准状态下1摩尔
物质的反应热
–稳定单质的生成热都是0
–通过热化学手册可以查出某些物质的生成热
–(JANAF Thermo-chemical Tables)
•例如:
–(g)+(s) → HI(g)
0
–∆hf 298 = kJ/mol
0
–这里氢和碘都是稳定的单质, ∆hf 298= kJ/mol 是HI的标准
生成热
7
•再例如:
–CO(g)+(g) → CO2(g)
0
–∆h 298=- kJ/mol
–CO不是稳定的单质
–N2(g)+3H2(g) → 2NH3(g)
0
–∆h 298= kJ
–生成物NH3不是1摩尔
•这里所得到的反应热效应都不是右侧生成物的生成热
•因为有机化合物不能从稳定的单质直接生成, 因此有机
化合物的生成热不能直接测定, 可以通过计算得到
•一些物质的标准生成热可以通过热化学手册查到
8
•反应热
•反应热,∆HR---等温、等压条件下,反应物形成生成
物时吸收或放出的热量
0
–标准反应热, 标准状态下的反应热, ∆HR 298 , kJ
–标准反应热在数值上等于生成物的总焓(生成热)减去反应物的
总焓(生成热)
0 0 0
–∆HR 298=∑Ms ∆hf 298s - ∑Mj ∆hf 298j
– s=P j=R (1