燃烧学 复习重点概要

第三章着火和灭火理论一、谢苗诺夫自燃理论1.基本思想：某一反应体系在初始条件下，进行缓慢的氧化还原反应，反应产生的热量，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。2.着火的临界条件：放、散热曲线相切于C点。3.∆T=ER200BTTT4.改变体系自燃状态的方法①改变散热条件②增加放热二、区别弗兰克－卡门涅茨基热自燃理论与谢苗诺夫热自燃理论的异同点1.谢苗诺夫热自燃理论适用范围：适用于气体混合物，可以认为体系内部温度均一；对于比渥数Bi较小的堆积固体物质，也可认为物体内部温度大致相等；不适用于比渥数Bi大的固体。2.弗兰克－卡门涅茨基热自燃理论：适用于比渥数Bi大的固体（物质内部温度分布的不均匀性）；以体系最终是否能得到稳态温度分布作为自燃着火的判断准则；Tq1q2q降低αTq2q增加P自燃临界准则参数δcr取决于体系的几何形状。三、链锁自然理论1.反应速率与时间的关系2.运用链锁自燃理论解释着火半岛现象在第一、二极限之间的爆炸区内有一点P（1）保持系统温度不变而降低压力，P点则向下垂直移动自由基器壁消毁速度加快,当压力下降到某一数值后，fg,φ0----------------------第一极限（2）保持系统温度不变而升高压力，P点则向上垂直移动自由基气相消毁速度加快,当压力身高到某一数值后，fg,φ0----------------------第二极限（3）压力再增高，又会发生新的链锁反应导致自由基增长速度增大，于是又能发生爆炸。----------------------第三极限3.基于f（链传递过程中链分支引起的自由基增长速率）和g（链终止过程中自由基的消毁速率）分析链锁自燃着火条件000w0wt123图3-12氢氧着火半岛现象温度℃压力mmHg0101001000360400440480520560600非爆炸区爆炸区·PMHOMOH22OHOHHHO222a.在低温时，f较小（受温度影响较大），相比而言，g显得较大，故：这表明，在的情况下，自由基数目不能积累，反应速率不会自动加速，反应速率随着时间的增加只能趋势某一微小的定值，因此，fg系统不会着火。b.随着系统温度升高，f增大，g不变，在时因此，随着时间的增加，反应速率呈指数级加速，系统会发生着火C.在时，反应速率随时间增加呈线性加速，系统处于临界状态四、强迫着火1.最小点火能：能在给定的可燃混气中引起着火的最小火花能2.电极熄火距离定义：不能引燃混合气的电极间的最大距离成为电极熄火距离。五．灭火措施（注意两者差别）1.基于热理论的灭火措施（1）降低系统氧或者可燃气浓度；（2）降低系统环境温度；（3）改善系统的散热条件，使系统的热量更容易散发出去。2.灭火措施总结1.降低系统着火温度。2.断绝可燃物。3.稀释空气中的氧浓度。4.抑制着火区内的链锁反应。第四章：可燃气体的燃烧1.解释缓燃与爆震（预混气两种火焰传播形式）火焰传播机理缓燃（正常火焰传播）火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反应区而引起化学反应，导致火焰传播爆震（爆轰）火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应的，从而使燃烧波不断向未燃混合气中推进。2.缓燃与爆震的特点在爆震区经过燃烧后气体压力增加、燃烧后气体密度增加、燃烧以超音速传播（M∞1）在缓燃区经过燃烧后气体压力减小或接近不变、气体密度减小、燃烧以亚音速进行（M∞1）3.火焰前沿的定义火焰前沿（前锋、波前）：一层一层的混合气依次着火，薄薄的化学反应区开始由点燃的地方向未燃混合气传播，它使已燃区与未燃区之间形成了明显的分界线，称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿（锋面）。4.火焰位移速度及火焰法向传播速度火焰位移速度是火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系的前进速度，其前沿的法向指向未燃气体。火焰法向传播速度是指火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法线方向上的速度。0fg0fgfg0fgfg05.可燃混气爆炸压力的计算爆炸前：n1、T1、P1、V1，爆炸后：n2、T2、P2、V2（＝V1）则有：P1V1＝n1RT1，P2V1＝n2RT2两式相除得：以乙醚为例：C4H10O+6(O2+3.76N2)=4CO2+5H2O+6×3.76N2n1=29.6n2=31.6爆炸时的升压速度P—瞬时压力，Pa；Sl—火焰传播速度，cm/s；Kd—系数；K—系数，Cp/Cv=1.4；t—时间，s例：某容器中装有甲烷和空气预混气，体积为9L，甲烷的体积浓度为9.5%，爆炸前初温T1=298K，初始压力P1=1.01325×105Pa，爆炸时温度为T2=2300K，最大爆炸压力P2=8.0756×105Pa，甲烷火焰传播速度为Sl=34.7cm/s，热容比K=1.4，求甲烷爆炸时平均升压速度。解：甲烷燃烧反应式为：CH4+2O2+7.5N2CO2+2H2O+7.5N2n1=n2=10.5(kmol)由得：9MPa9.0)25273(6.29)2500273(6.311.0112212TnTnPP11331PVtSPKPldKTnTnTnTnKd134112221122(Pa/s)12tPPv86.23454.112985.1023005.102985.1023005.1014.3341342112221122KTnTnTnTnKd11331PVtSPKPld)(086.07.341001325.186.23459000)1001325.1100756.8(11)1(3355533sSPKVPPtld平均升压速度为第四章爆炸极限的影响因素（1）初始温度爆炸性混合物的初始温度越高，则爆炸极限范围越大，即爆炸下限降低而爆炸上限增高（2）初始压力一般压力增大，爆炸极限扩大；压力降低，则爆炸极限范围缩小待压力降至某值时，其下限与上限重合，将此时的最低压力称为爆炸的临界压力。若压力降至临界压力以下，系统便成为不爆炸（3）惰性介质即杂质若混合物中含惰性气体的百分数增加，爆炸极限的范围缩小，惰性气体的浓度提高到某一数值，可使混合物不爆炸（4）容器容器管子直径越小、爆炸极限范围越小。（5）点火能源火花的能量、热表面的面积、火源与混合物的接触时间等，对爆炸极限均有影响7.莱—夏特尔公式的证明与应用莱—夏特尔公式的证明如下：指导思想：将可燃混合气体中的各种可燃气与空气组成一组，其组成符合爆炸下限时的比例，可燃混气与空气组成的总的混合气体为各组之和。4.设各种可燃气体积为：V1，V2，V3，……，Vi。则总的可燃气体积为V＝V1+V2+V3+……+Vi2）设各组可燃气—空气在爆炸下限时的体积为：V’1，V’2，V’3，……，V’I则总的可燃混气—空气体积为V′＝V’1+V’2+V’3，……，V’I3）设各种可燃气爆炸下限为：x1下，x2下，x3下，…xi下。则4）（4）设总的可燃混气的爆炸下限为x下。则有)/(12.8286.01001325.1100756.855sPav100V'Viiix＝下100V'V333＝下x100V'V111＝下x100V'V222＝下x100xVV'iii下＝100xVV'111下＝100xVV'222下＝100xVV'333下＝%100/100/100/100/100332211下下下下iixVVxVVxVVxVV100%'VxV下＝（5）设证毕例题1.可燃气体含C2H640%，C4H1060%，取1m3该燃气与19m3空气混合。该混合气体遇明火是否有爆炸危险？（C2H6和C4H10在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限为3.0%、1.6%）五、含有惰性气体的可燃混气爆炸极限的计算方法如果可燃混气中含有惰性气体，如N2、CO2等，计算其爆炸极限时，仍然利用莱—夏特尔公式，但需将每种惰性气体与一种可燃气编为一组，将该组气体看成一种可燃气体成分。比如：H2+N2,CO+CO2,CH4该组在混合气体中的体积百分含量为该组中惰性气体和可燃气体体积百分含量之和。而该组气体的爆炸极限可先列出该组惰性气体与可燃气的组合比值，再从图中查出该组气体的爆炸极限，然后代入莱—夏特尔公式进行计算。%xPxPxPxP100ii332211下下下下下＝x100VViiP＝100VV11＝P100VV22＝P100VV33＝P%0.2%1.660340100＝下x%9.7%8.56012.540100＝上x混合气中可燃气浓度：1/（1+19）=5%2.0%5%9.7%故，该混合气体遇火爆炸。解：乙烷：P1=40%丁烷：P2=60%图4-25氢、一氧化碳、甲烷与氮、二氧化碳混合气体在空气中的爆炸极限例4－1求煤气的爆炸极限。煤气组成为：H2一12.4％；CO一27.3％；CO2一6.2％；O2一0％；CH4一0.7％；N2一53.4％。解：分组：CO2+H2；N2+CO；CH4CO2+H2：6.2％+12.4％＝18.6％；N2+CO：27.3％+53.4％＝80.7％；CH4：0.77％。从图4－25查得：H2＋CO2组的爆炸极限为：6.0％～70％；CO＋N2组的爆炸极限为：40％～73％。CH4的爆炸极限为：5％～15％8.F-S-I体系爆炸浓度极限图以可燃气—氧气—氮气体系为例5.04.122.6HCO22＝％％＝96.13.274.53CON2＝％％＝％＝下19%0.57.0407.800.66.18100x％＝上53.70%157.030.77.80706.18100x例题：已知乙烯在氧气中的爆炸浓度极限为3～80%，氮气惰化时的爆炸临界点为（氧气10%，氮气87%，乙烯3％）。（1）请绘出乙烯—氧气—氮气体系的爆炸浓度极限图。（2）用图解法计算乙烯在空气中的爆炸浓度极限。（3）在1m3的混合气（乙烯20%，其余为空气）中，至少掺入多少m3的氮气后遇明火不会爆炸。（4）激波的形成过程；爆轰的发生过程、形成条件A.激波的形成过程同理，后面的压缩波的波速都将比前面的压缩波的传播速度快，不难想象，经过一段时间后，这些压缩波将会叠加在一起，波的能量也将迅速增大，即形成所谓的“激波”。激波前后气体的参数（压力、温度、密度等）发生了显著的变化。B.爆轰的发生过程C.爆轰的形成条件1．初始正常火焰传播能形成压缩扰动2．管子要足够长或自由空间的预混气体积要足够大3．可燃气浓度要处于爆轰极限范围内4．管子直径大于爆轰临界直径10.预防可燃气爆炸的方法①严格控制火源；②防止预混可燃气的产生；③用惰性气体预防气体爆炸；④切断爆炸传播的途径。11.湍流火焰区别于层流火焰的明显特征火焰长度短，厚度较厚，发光区模糊，有明显噪音等12.火焰高度随流速的变化流速比较低时，处于层流状态，火焰高度随流速增加成正比提高，在流速比较高时，处于湍流状态，火焰高度几乎与流速无关。例题：为什么1mol可燃气完全燃烧所需氧气摩尔数越大，扩散火焰高度越高？答：1mol可燃气完全燃烧所需氧气摩尔数越大，则对氧气的需求就更加强烈，通过增加火焰高度以获得更充足的氧气供应。第五章总结1.根据液体燃料蒸发与汽化的特点，可将其燃烧形式分为液面燃烧,灯芯燃烧,蒸发燃烧,雾化燃烧2.蒸发热：在一定的温度和压力下，单位质量的液体完全蒸发所吸收的热量。液体蒸发过程中，高能量的分子离开液面进入空间，使剩余液体的内能越来越低，液体的温度会越来越低，欲使液体的温度保持不变，液体须从外界吸收能量。也即：要使液体处于恒温恒压下蒸发，液体须从外界吸收的能量。液体蒸发吸热的原因：主要为了增加液体