南京工業(yè)大學(xué)燃燒與爆炸理論第四章-預(yù)混氣體的著火理論課件

第四章預(yù)混氣體的著火理論

第四章預(yù)混氣體的著火理論1概述所謂著火，是指系統(tǒng)中的可燃預(yù)混氣因某種原因引起自動(dòng)升溫，反應(yīng)自動(dòng)加速，最后出現(xiàn)火焰的過(guò)程。火焰是著火的重要標(biāo)志。概述所謂著火，是指系統(tǒng)中的可燃預(yù)混氣因某種原因引起自動(dòng)升溫，2第一節(jié)謝苗諾夫熱自燃理論

一、概述

任何充滿(mǎn)預(yù)混氣的體系中，一方面體系中的預(yù)混氣會(huì)因緩慢氧化而放出熱量，使體系溫度升高；同時(shí)體系又會(huì)通過(guò)器壁向外散熱，使體系溫度下降。第一節(jié)謝苗諾夫熱自燃理論一、概述3熱自燃理論

著火是反應(yīng)放熱因素與散熱因素相互作用的結(jié)果。如果反應(yīng)放熱占優(yōu)勢(shì)，體系就會(huì)出現(xiàn)熱量積累，溫度升高，反應(yīng)加速，發(fā)生自燃；相反，如果散熱因素占優(yōu)勢(shì)，體系溫度下降，不能自燃。

熱自燃理論著火是反應(yīng)放熱因素與散熱因素相互作用的結(jié)果。4南京工業(yè)大學(xué)燃燒與爆炸理論第四章--預(yù)混氣體的著火理論P(yáng)PT課件5熱自燃理論系統(tǒng)的能量方程熱自燃理論系統(tǒng)的能量方程6南京工業(yè)大學(xué)燃燒與爆炸理論第四章--預(yù)混氣體的著火理論P(yáng)PT課件7二、熱自燃著火條件

著火臨界條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式

二、熱自燃著火條件著火臨界條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式8三、熱著火理論中的著火感應(yīng)期

在熱著火理論中，著火感應(yīng)期的定義是：當(dāng)混氣系統(tǒng)已達(dá)著火條件的情況下，由初始狀態(tài)達(dá)到溫度開(kāi)始驟升的瞬間所需的時(shí)間。

三、熱著火理論中的著火感應(yīng)期在熱著火理論中，著火感應(yīng)期的定9圖4-3不同初溫時(shí)的散熱曲線(xiàn)圖4-4不同初溫時(shí)的著火感應(yīng)期

圖4-3不同初溫時(shí)的散熱曲線(xiàn)10影響著火感應(yīng)期的因素

系統(tǒng)環(huán)境溫度越高，其著火感應(yīng)期越短；大的混氣發(fā)熱量和高的混氣反應(yīng)速度都會(huì)使著火感應(yīng)期變短；高的著火點(diǎn)以及高的反應(yīng)活化能都會(huì)使著火感應(yīng)期變長(zhǎng)。影響著火感應(yīng)期的因素系統(tǒng)環(huán)境溫度越高，其著火感應(yīng)期越短；11第二節(jié)鏈鎖自燃理論

一、鏈鎖自燃自燃之所以會(huì)產(chǎn)生主要由于在感應(yīng)期內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，使熱量不斷積累，活化分子不斷增加以致造成反應(yīng)的自行加速。這一理論可以闡明可燃混合氣自燃過(guò)程中不少現(xiàn)象。

第二節(jié)鏈鎖自燃理論一、鏈鎖自燃12一、鏈鎖自燃

但是，也有不少現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熱自燃理論是無(wú)法解釋?zhuān)鐨浜涂諝鉁睾蠚獾闹饾舛冉缦薜膶?shí)驗(yàn)結(jié)果正好與熱自燃理論對(duì)雙分子反應(yīng)的分析結(jié)果相反。

一、鏈鎖自燃但是，也有不少現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熱自燃理論是無(wú)法13圖4-5氫與空氣的可燃混合氣的壓力極限

圖4-5氫與空氣的可燃混合氣的壓力極限14一、鏈鎖自燃在低壓下一些可燃混合氣如H2+O2、OO+O2和CH4+O2等，其著火的臨界壓力與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)也不像熱自燃理論所提出的那樣單調(diào)地下降，而是呈S形，有著二個(gè)或二個(gè)以上的著火界跟，出現(xiàn)了所謂“著火半島”的現(xiàn)象。

一、鏈鎖自燃在低壓下一些可燃混合氣如H2+O2、OO+O2和15圖4-6著火半島現(xiàn)象（碳?xì)浠衔锱c空氣的混合氣的著火界限）

圖4-6著火半島現(xiàn)象（碳?xì)浠衔锱c空氣的混合氣的著火界限）16一、鏈鎖自燃這些情況都說(shuō)明著火并非在所有情況下都是由于放熱的積累而引起的。實(shí)際上，大多數(shù)碳?xì)浠衔锶剂系娜紵^(guò)程都是極復(fù)雜的鏈鎖反應(yīng)，真正簡(jiǎn)單的雙分子反應(yīng)卻是不多。

一、鏈鎖自燃這些情況都說(shuō)明著火并非在所有情況下都是由于放熱的17一、鏈鎖自燃鏈鎖自燃理論認(rèn)為，使反應(yīng)自行加速并不一定要依靠熱量積累，可以通過(guò)鏈鎖的分枝，迅速增殖活化中心來(lái)促使反應(yīng)不斷加速直至爆燃著火。

一、鏈鎖自燃鏈鎖自燃理論認(rèn)為，使反應(yīng)自行加速并不一定要依靠熱181．鏈鎖分枝反應(yīng)的發(fā)展條件

簡(jiǎn)單反應(yīng)的反應(yīng)速度隨時(shí)間的進(jìn)展由于反應(yīng)物濃度的不斷消耗而逐漸減小；但在某些復(fù)雜的反應(yīng)中，反應(yīng)速度卻隨著生成物濃度的增加而自行加速。這類(lèi)反應(yīng)稱(chēng)為自動(dòng)催化反應(yīng)，鏈鎖反應(yīng)就屬于這種更為廣義的自動(dòng)催化反應(yīng)。

1．鏈鎖分枝反應(yīng)的發(fā)展條件簡(jiǎn)單反應(yīng)的反應(yīng)速度隨時(shí)間的進(jìn)展由191．鏈鎖分枝反應(yīng)的發(fā)展條件鏈鎖反應(yīng)的速度受到中間某些不穩(wěn)定產(chǎn)物濃度的影響；在某種外加能量使反應(yīng)產(chǎn)生活化中心以后，鏈的傳播就不斷地進(jìn)行下去，活化中心的數(shù)目因分枝而不斷增多，反應(yīng)速度就急劇加快，直到最后形成爆炸。

1．鏈鎖分枝反應(yīng)的發(fā)展條件鏈鎖反應(yīng)的速度受到中間某些不穩(wěn)定產(chǎn)201．鏈鎖分枝反應(yīng)的發(fā)展條件在鏈鎖反應(yīng)過(guò)程中，不但有導(dǎo)致活化中心形成的反應(yīng)，也有使活化中心消滅和鏈鎖中斷的反應(yīng)，所以鏈鎖反應(yīng)的速度是否能得以增長(zhǎng)以致爆炸，還得取決于這兩者之間的關(guān)系。1．鏈鎖分枝反應(yīng)的發(fā)展條件在鏈鎖反應(yīng)過(guò)程中，不但有導(dǎo)致活化中21活化中心形成的速度

活化中心形成的速度22初始條件求解，得

初始條件23整個(gè)分枝鏈鎖反應(yīng)的速度

圖4-7分枝鏈鎖反應(yīng)速度在等溫下隨時(shí)間的變化規(guī)律

整個(gè)分枝鏈鎖反應(yīng)的速度圖4-7分枝鏈鎖反應(yīng)速度在等溫下隨242.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化

在低溫時(shí)，由于鏈的分枝速度很緩慢，而鏈的中斷速度卻很快，，則。2.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化在低溫時(shí)，由252.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，活化中心濃度和反應(yīng)速度都將趨于一個(gè)定值，即當(dāng)2.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)限262.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化隨著溫度的增高，鏈的分枝速度不斷增加而中斷速度卻幾乎沒(méi)有改變，值就逐漸增大，且成為正值，并隨著溫度升高愈大愈大。2.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化隨著溫度的增高272.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化這時(shí)，活化中心濃度和反應(yīng)速度卻隨著時(shí)間而急劇地增長(zhǎng)。當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，兩者都趨向于無(wú)限大，故反應(yīng)就會(huì)由于活化中心不斷積累而自行加速產(chǎn)生所謂“鏈鎖自燃”現(xiàn)象。

2.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化這時(shí)，活化中心282.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化因?yàn)閃1值很小，故感應(yīng)期內(nèi)反應(yīng)很緩慢，甚至觀(guān)察不出；而后由于活化中心迅速增殖導(dǎo)致速度猛烈地增長(zhǎng)形成爆燃；當(dāng)然在活化中心不斷積累，反應(yīng)自行加速的同時(shí)還伴隨著自行加熱。2.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化因?yàn)閃1值很小29圖4-7分枝鏈鎖反應(yīng)速度在等溫下隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖4-7分枝鏈鎖反應(yīng)速度在等溫下隨時(shí)間的變化規(guī)律302.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化當(dāng)溫度增加到某一數(shù)值時(shí)，卻好使鏈的分枝速度等于其中斷速度，即或，則此時(shí)活化中心濃度和反應(yīng)速度均以直線(xiàn)規(guī)律隨時(shí)間增長(zhǎng)。2.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化當(dāng)溫度增加到某312.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化在這種情況下，反應(yīng)是不會(huì)引起自燃的。若稍微提高一些溫度而使，則反應(yīng)就會(huì)因活化中心的不斷積累而致產(chǎn)生爆燃；但若溫度稍低一些，則會(huì)因，使反應(yīng)速度趨于一極限值而達(dá)到一穩(wěn)態(tài)反應(yīng)。所以這一情況正好代表由穩(wěn)態(tài)向自行加速的非穩(wěn)態(tài)過(guò)渡的臨界條件。2.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化在這種情況下，322.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化以（或）稱(chēng)為“鏈鎖著火條件”，而相當(dāng)于的混合氣溫度則稱(chēng)為“鏈鎖自燃溫度”。此時(shí)()的臨界壓力和溫度就是鏈鎖自燃的爆燃界限。對(duì)于氫氧混合氣來(lái)說(shuō)，鏈鎖自燃溫度T＝550℃。2.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化以33圖4-8不同值下分枝鏈鎖反應(yīng)的發(fā)展

圖4-8不同值下分枝鏈鎖反應(yīng)的發(fā)展342.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化鏈鎖自燃(或稱(chēng)鏈鎖著火)現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)中可以觀(guān)察到，例如在低壓、等溫下氫與氧可以無(wú)需反應(yīng)放熱而可由鏈鎖反應(yīng)的自行加速產(chǎn)生自燃，這就是所謂“冷焰”現(xiàn)象。2.不同溫度時(shí)，分枝鏈鎖反應(yīng)速度隨時(shí)間的變化鏈鎖自燃(或稱(chēng)35二、感應(yīng)期的確定

根據(jù)鏈鎖反應(yīng)的性質(zhì)，在反應(yīng)開(kāi)始時(shí)速度很低，過(guò)了一段時(shí)間后，速度才開(kāi)始上升到可被察覺(jué)出的程度。所謂感應(yīng)期就是指反應(yīng)速度由幾乎為零增大到可以察覺(jué)到的一定數(shù)值時(shí)所需的時(shí)間。二、感應(yīng)期的確定根據(jù)鏈鎖反應(yīng)的性質(zhì)，在反應(yīng)開(kāi)始時(shí)速度很低，36感應(yīng)期

當(dāng)時(shí)因在感應(yīng)期內(nèi)較大，故，同時(shí)可認(rèn)為，則上式就可寫(xiě)成或感應(yīng)期當(dāng)時(shí)37感應(yīng)期事實(shí)上，在一定組成、溫度和壓力下幾乎為定值，它受外界的影響變化很小，所以或感應(yīng)期事實(shí)上，在一定組成、溫度和壓力下幾乎為定值38感應(yīng)期這一結(jié)論已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。如對(duì)一般可燃混合氣著火而言，就有

感應(yīng)期這一結(jié)論已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。如對(duì)一般可燃混合氣著火而言，就39三、著火半島現(xiàn)象

著火半島的存在可以看作為鏈鎖反應(yīng)產(chǎn)生的明證。在壓力很低時(shí)，由于氣體很稀薄，分子向四周的擴(kuò)散速度很高，而且是壓力越低，擴(kuò)散越快。若此時(shí)容器的體積較小且壓力又低，則活化中心向器壁的擴(kuò)散就變得十分容易，因而就大大增加了與壁面碰撞失去活化的機(jī)會(huì)，這樣就提高了鏈鎖中斷的速度，而且壓力越低，中斷速度越大。

三、著火半島現(xiàn)象著火半島的存在可以看作為鏈鎖反應(yīng)產(chǎn)生的明證40三、著火半島現(xiàn)象故當(dāng)壓力降低到某一數(shù)值時(shí)，就有可能使中斷速度大于分枝速度，那時(shí)就出現(xiàn)了鏈鎖自燃的低界限。若提高容器內(nèi)混合氣的壓力，則由于分于濃度的增大，減少了活化中心與器壁的碰撞機(jī)會(huì)，則此時(shí)鏈鎖的中斷就主要發(fā)生在氣相內(nèi)部活化中心的相撞中。三、著火半島現(xiàn)象故當(dāng)壓力降低到某一數(shù)值時(shí)，就有可能使中斷速度41三、著火半島現(xiàn)象因此，隨著壓力的提高，這種機(jī)會(huì)越來(lái)越多，鏈的中斷速度亦就越來(lái)越大，因而當(dāng)壓力增大到某一數(shù)值時(shí)，又會(huì)遇到分枝速度與中斷速度相等的臨界情況，這時(shí)就出現(xiàn)鏈鎖自燃的著火高界限。三、著火半島現(xiàn)象因此，隨著壓力的提高，這種機(jī)會(huì)越來(lái)越多，鏈的42三、著火半島現(xiàn)象越過(guò)著火高界限后，若再繼續(xù)提高壓力，就會(huì)出現(xiàn)第三個(gè)爆燃界限，高于該界限后會(huì)再一次引起爆燃。第三界限的存在完全可用熱力著火理論來(lái)解釋。三、著火半島現(xiàn)象越過(guò)著火高界限后，若再繼續(xù)提高壓力，就會(huì)出現(xiàn)43三、著火半島現(xiàn)象因隨著壓力的增高，反應(yīng)放熱的現(xiàn)象越來(lái)越顯著，由于反應(yīng)放熱使熱量積累而引起反應(yīng)自動(dòng)加速的作用越來(lái)越重要。達(dá)到第三爆燃界限時(shí)，由于反應(yīng)放熱大于散熱而引起的升溫和加速已居支配地位，此時(shí)的爆燃就純粹是一種熱力爆燃，完全遵循熱自燃理論的規(guī)律。三、著火半島現(xiàn)象因隨著壓力的增高，反應(yīng)放熱的現(xiàn)象越來(lái)越顯著，44三、著火半島現(xiàn)象通過(guò)對(duì)碳?xì)浠衔锖脱酰諝猓┑闹饻y(cè)定實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們?cè)谥鹋R界壓力—溫度圖上有好幾個(gè)界限。三、著火半島現(xiàn)象通過(guò)對(duì)