采礦專業(yè)燃燒學(xué)

采礦專業(yè)燃燒學(xué)2第5章可燃液體的燃燒5.1液體燃料的燃燒特點液體燃料的燃燒是先蒸發(fā)，生成燃料蒸氣，然后與空氣相混合，進而發(fā)生燃燒。重質(zhì)液體燃料受熱裂解成輕質(zhì)碳氫化合物和碳黑，其中輕質(zhì)碳氫化合物以氣態(tài)形態(tài)燃燒，碳黑以固相燃燒形式燃燒。熱能蒸發(fā)混合空氣熱能可燃液體可燃氣體可燃性混合氣體著火燃燒第1頁/共39頁3

根據(jù)液體燃料蒸發(fā)與汽化的特點，可將其燃燒形式分為液面燃燒---災(zāi)害燃燒燈芯燃燒蒸發(fā)燃燒霧化燃燒霧化燃燒是液體工程燃燒的主要方式。第2頁/共39頁4200180160140120100806040200-1004080120160200240123456781－（C2H5）2O；2－CH3OH；3－C6H5OH；4－C6H6；5－H2O；6－n-C7H16；7－C6H5Cl；8－C6H5I溫度/℃飽和蒸氣壓ps（kPa）圖5-1某些液體的飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系5.2液體蒸發(fā)蒸發(fā)和沸騰都是液體的氣化現(xiàn)象蒸發(fā)（在液體表面進行，低于沸點）沸騰（在液體表面和內(nèi)部同時汽化，快速蒸發(fā)，在沸點時）第3頁/共39頁5

單位時間內(nèi)從液面逸出分子的數(shù)量恰好等于返回液面分子的數(shù)量，此時液相與氣相保持相對的氣液平衡，稱之為飽和狀態(tài)。飽和蒸汽壓PS:飽和蒸氣所產(chǎn)生的壓力。一種物質(zhì)在一定溫度下的飽和蒸氣壓是不變的飽和蒸氣壓隨溫度升高而增大Ps第4頁/共39頁65.2.2蒸發(fā)的動力學(xué)基礎(chǔ)蒸發(fā)的形式：靜蒸發(fā)和動蒸發(fā)液體的蒸發(fā)實際上包括三個過程：①氣化過程——液體分子從液面逸出成為蒸氣分子；②擴散過程——逸出的蒸氣分子在氣相介質(zhì)中分散開來；③凝結(jié)過程——部分逸出的蒸氣分子經(jīng)碰撞后重新被液面吸收。第5頁/共39頁7

燃料蒸發(fā)的程度，決定于逸出液面的分子數(shù)與重新被吸回液面的分子數(shù)之差。燃料的蒸發(fā)速度則不僅決定于該燃料的氣化和凝結(jié)過程，而且和逸出分子的擴散過程有密切關(guān)系。第6頁/共39頁8液體分子蒸發(fā)的條件

m表示液體分子的質(zhì)量，ux表示垂直于液面的x軸上分子運動的速度分量（即法向分量），ε為液體分子逸出表面層所作的功，則可以看出，液體分子蒸發(fā)時必須滿足下列條件：第7頁/共39頁9

自由蒸發(fā)：當蒸汽壓為零時液體的蒸發(fā)在自由蒸發(fā)時，液體分子蒸發(fā)的速度，即每秒內(nèi)自每平方厘米液面上蒸發(fā)出去的分子數(shù)n0應(yīng)為N—阿佛加得羅常數(shù)；γ′—液體的比體積（單位質(zhì)量的體積）；μ—液體的摩爾質(zhì)量；R—氣體常數(shù)；li—每摩爾液體的蒸發(fā)潛熱；T—絕對溫度，K。第8頁/共39頁10

在自由蒸發(fā)時，單位時間內(nèi)自單位面積上蒸發(fā)出的液體質(zhì)量w應(yīng)為

假設(shè)在液體表面每立方厘米氣相層中有C0個蒸氣分子，則單位時間內(nèi)在單位面積液面上所發(fā)生的蒸氣分子撞擊次數(shù)為Z。（5-3）第9頁/共39頁11

假定在每ξ次撞擊中有一次被吸回液面，則在單位時間內(nèi)每平方厘米表面上被吸回液面的分子數(shù)為第10頁/共39頁12

在飽和狀態(tài)下，此時，在液體表面每立方厘米氣相層中有CS個蒸氣分子可以得出或第11頁/共39頁13

在不飽和情況下，單位時間內(nèi)在液體表面層每平方厘米表面內(nèi)蒸發(fā)出去的分子數(shù)n，此時第12頁/共39頁14寫成蒸氣壓形式：蒸發(fā)速度

蒸發(fā)速度隨液體溫度的升高、密度的增大而增大;隨摩爾質(zhì)量的增大及蒸發(fā)潛熱的增大而減小。飽和蒸氣壓愈大或氣相中的分壓愈低，蒸發(fā)速度愈大。

第13頁/共39頁15

在液體溫度一定的條件下，公式中ρ、R、T、μ、及l(fā)i均為常數(shù)在一定溫度下液體的飽和蒸氣壓是不變的液體蒸發(fā)的基本定律--道爾頓蒸發(fā)定律

在一定溫度下，液體蒸發(fā)的速度決定于該液體的飽和蒸氣壓與液面上該液體蒸氣壓之差。

第14頁/共39頁165.2.3靜蒸發(fā)靜蒸發(fā):液體在容器中處于靜止狀態(tài)，液面空氣不流動時液體的蒸發(fā)封閉條件下，液體靜蒸發(fā)：

常數(shù)A實際上與外界壓力（液面氣體總壓力）P外成反比，用公式表示之為第15頁/共39頁17

單位時間內(nèi)的總蒸發(fā)量總是與液體蒸發(fā)的表面積成正比，而與液體的質(zhì)量無關(guān)，用公式表示之為第16頁/共39頁18

當外界壓力減小，溫度增加或液體表面積增大時，液體的蒸發(fā)量都有增加。小呼吸就是貯油容器內(nèi)蒸氣由于晝夜溫差而引起周期性的膨脹和收縮。要減少液體燃料的蒸發(fā)損失，最有效的途徑是降低液體的貯存溫度，使液體在完全密封條件下貯存。減少液體蒸發(fā)的表面，減少液體液面上部空間的容積。減少小呼吸的次數(shù)。第17頁/共39頁195.2.4動蒸發(fā)動蒸發(fā)：液體在流動的氣流中分散為細小顆粒的蒸發(fā)稱為動蒸發(fā)評定液體燃料在貯存運輸和抽注過程中的蒸發(fā)損失的傾向，應(yīng)采用標準方法SH／T0235。在往油罐等容器注油時會有大量燃料蒸氣逸出，卸油時會有大量新鮮空氣進入，這種現(xiàn)象叫做大呼吸第18頁/共39頁20

液體在動蒸發(fā)時的蒸發(fā)速度遠遠超過在靜蒸發(fā)時的蒸發(fā)速度.

因為，在動蒸發(fā)時，和液體表面相鄰的空氣中液體的蒸氣壓很難達到飽和狀態(tài)。第19頁/共39頁21影響動蒸發(fā)的因素：（1）液體性質(zhì)如液體燃料的沸點和蒸氣壓，蒸氣的擴散系數(shù)，液體的蒸發(fā)潛熱、粘度和表面張力等。（2）環(huán)境因素，周圍空氣的溫度和壓力、空氣流動速度、與蒸發(fā)表面有關(guān)的燃料霧化程度和分散情況（液體分散的顆粒大小與數(shù)量）以及噴嘴的構(gòu)造和噴油壓力等。主要影響因素如下：第20頁/共39頁22（1）燃料的沸點和飽和蒸氣壓圖5-3烴的碳原子數(shù)和沸點的關(guān)系1—環(huán)烷烴；2—芳香烴；3—正烷烴；4—烯烴；5—異構(gòu)烷烴第21頁/共39頁23

純凈物質(zhì)的飽和蒸氣壓為定值。當碳原子數(shù)相同時，各種烴類中芳香烴的沸點最高，環(huán)烷烴和正烷烴次之，烯烴和異構(gòu)烷烴的沸點最低。異構(gòu)體分支愈多，沸點也愈低。在同一烴類系列中，沸點隨碳原子數(shù)增加而升高。同系物中含碳原子數(shù)愈多，沸點也愈高石油產(chǎn)品的蒸發(fā)性通常用沸點范圍或餾程來表示第22頁/共39頁24表5-3不同碳原子分子的沸點和蒸氣壓名稱分子式沸點/℃60℃時的飽和蒸氣壓甲苯C6H5CH3110.618.5乙基環(huán)戊烷C5H9C2H5103.524.3甲基環(huán)己烷C6H11CH3100.927.0正庚烷C7H1698.428.0正庚烯C7H1493.633.22-甲基己烷C6H13CH390.137.52，2-二甲基戊烷C5H10（CH3）279.254.7乙苯C6H5C2H5136.27.4乙基環(huán)己烷C6H11C2H5131.89.2正辛烷C8H18125.710.51-正辛烷C8H16121.312.42，2，4-三甲基戊烷C5H9（CH3）399.232.2第23頁/共39頁25表5-4幾種常見燃料的沸點范圍液體燃料沸點范圍/℃液體燃料℃航空汽油（79號、95號）40～180輕柴油（-35號，專用及直餾）180～350車用汽油35～205燃料油（重油）300以上航空煤油（1號、2號）150～250石油醚30號30～60魚雷燃料160～250石油醚60號60～9燈用煤油200～300酒精（工業(yè)純乙醇95.6％）78輕柴油（一般）200～365

第24頁/共39頁26克勞修斯—克拉佩龍

式中△H為液體的蒸發(fā)潛熱，V1為1mol該物質(zhì)的液相容積，V2為氣相容積。

V1遠遠小于V2（即：V2－V1≈V2）則上述方程經(jīng)積分后可得

沸點越低，蒸發(fā)性越高；蒸汽壓越大，蒸發(fā)性越高第25頁/共39頁27表5-5幾種常見有機化合物的LV和C′值?；衔锓肿邮絃V蒸發(fā)(J/mol)C′溫度范圍(℃)正-戊烷n-C5H12275679.6116-77～191甲苯C6H5CH3358669.8443-28～31正-癸烷n-C10H224561210.373017～173甲醇CH3OH3753110.7647-44～224乙醇C2H5OH4043610.9523-31～242苯n-C6H634.0529.9586-37～290第26頁/共39頁28安頓（Anloine）方程在一般壓力下的正戊烷，安頓方程為圖5-4液體燃料的蒸氣壓與溫度的關(guān)系1—航空汽油；2—航空煤油；3—車用汽油；4—裂化汽油；5—輕煤油；6—重煤油第27頁/共39頁29（2）擴散系數(shù)

液體燃料在靜止的蒸發(fā)的速度很大程度上決定于蒸氣分子在空間內(nèi)的擴散速度。當液體燃料在空氣流速很大或強烈渦流條件下蒸發(fā)時，對蒸發(fā)速度起決定作用的是氣流的速度和渦流強度。單位時間內(nèi)通過垂直于擴散途徑單位截面積的蒸氣量稱為擴散速率。

擴散系數(shù)愈大，蒸氣的擴散速率愈大，液體蒸發(fā)性越高。第28頁/共39頁30表5-6液體燃料在不同溫度下的擴散系數(shù)液體燃料擴散系數(shù)D/（cm2/s）0℃15℃20℃30℃正己烷－－0.0755－正庚烷－－0.0737－苯0.0770.0850.0880.095甲苯0.070－0.080－鄰二甲苯0.062－－－間二甲苯0.059－－－對二甲苯0.056－－－乙苯0.065－－－航空汽油0.0790.0900.0930.101裂化汽油－0.090－0.100

第29頁/共39頁31表5-7壓力對燃料蒸氣擴散系數(shù)的影響燃料15℃時的擴散系數(shù)/（cm2/s）101.3kPa5065kPa航空汽油0.0900.00198乙醚0.1100.00242苯0.0850.00187第30頁/共39頁32（3）蒸發(fā)潛熱蒸發(fā)潛熱：單位重量的液體在溫度保持不變的情況下轉(zhuǎn)化為蒸氣時所吸收的熱量蒸發(fā)潛熱（摩爾蒸發(fā)熱H）與該液體的沸點（絕對溫度Tb）成正比，即石油產(chǎn)品的蒸發(fā)潛熱經(jīng)驗公式計算：第31頁/共39頁33式中H—蒸發(fā)潛熱，kJ/kg；

d—15℃時燃料的密度；

t—燃料的平均沸點，即平均分子沸點，℃。液體燃料的蒸發(fā)潛熱除決定于燃料的化學(xué)組成以外，還和燃料的溫度及外界壓力有關(guān)。組成燃料的烴類中，以芳香烴的蒸發(fā)潛熱最高，異構(gòu)烷烴的最低。在同系物中，液體的蒸發(fā)潛熱隨相對分子質(zhì)量的增加而減少。第32頁/共39頁34表5-8溫度對烴類蒸發(fā)潛熱的影響燃料沸點/℃蒸發(fā)潛熱/（kJ/kg）0℃20℃40℃60℃80℃100℃正戊烷36.0391368355334316292正己烷68.5380367351337325306正庚烷98.3376367358346332316正辛烷125.2374362348337323311苯80.1447434421408394379

當液體蒸發(fā)時，不僅分子的內(nèi)能增加，而且由于體積膨脹需對外界做功，因此，必須消耗熱能。如液體不從外界取得熱量，本身的溫度要降低。