当前课程知识点:燃烧理论 > 第二章 燃烧与热化学 > 2.7 燃烧的平衡产物 > 水煤气反应的平衡
刚才的话
我们用一个非常详细的
热力学的计算
把丙烷的燃烧的所有的产物
最终平衡
包括它的氮氧化物
二氧化碳 一氧化碳 水
包括甚至是羟基
氢原子 氧原子 氮原子等等
这些的产物的最终
在某一个特定的Φ的条件底下
它的平衡的产物的组成
包括它的温度
我们都能够算出来
但是这个计算相当的复杂
它几乎一定要交给计算机算
那么在燃烧过程当中呢
有一些特殊的反应
就显得特别重要
我们并不需要去研究所有的组分
都要搞清楚
这件事情不一定是需要的
那么在燃烧过程当中
有一个特殊的反应
是非常非常重要
也就是我们接下来要讲的
水煤气的反应
那么水煤气的反应
是什么意思呢
是实际上就是一氧化碳加水
变成二氧化碳加氢
这个又叫一氧化碳的变换反应
水煤气的变换反应
这个就非常非常重要
实际上某种意义上
我们用合成气制氢
也是这么一个反应
那我们如果未来呢
比如像煤气化以后
再去实行更高水平的
这个氢能等等
那这个反应就显得非常重要
那么我们针对这样的反应的话呢
我们就可以用一个
比较简单的方法
来进行实现
那么怎么样的方法呢
我们发展一个计算方法
可以用于贫燃料里边
我们来实现
这个反应的话呢
是研究的是一氧化碳和氢的
不完全燃烧
也就是说一氧化碳加水
变成二氧化碳加氢
这是一个反应
这个反应的话呢
我们就可以进行特别的研究
那么我们知道
在没有分解的条件底下
所有的碳氢化合物的完全燃烧的
最后的一个平衡的产物
是什么呢
是二氧化碳 一氧化碳
水 氢加氧气
就这五个物质
当然还要加上氮气了
氮气不参与反应
这五个都是会在
参与反应的
那么如果是贫燃料
那是什么样呢
一氧化碳 氢就没了
也就是三个产物
二氧化碳 水和氧气
而对于富燃料的情况下
就不一样了
这五种物质全部存在
当然这里边它的这个
跟Φ有关 对不对
那么Φ大于1就是富燃料
那么在给定的条件底下
Φ的条件底下
我们就可以获得所有的产物的
摩尔分数关系
这个摩尔分数关系怎么来获得
实际上就是它的
所谓的元素的平衡
那么我们可以建立起
Φ x和y之间的关系
好 这个我们建立起来了以后
就很简单
那么产物的总的摩尔数
就可以进行计算了
这个计算跟Φ有关
我们来看一看
总的N_tot
这个的话实际上是什么
变成了一个Φ的函数
应该x y是确定的
燃料确定了它就确定了
所以它是一个Φ的函数
总的N_tot
就能够计算出来
好 那我们在贫燃料也好
化学当量也好
那么Φ是小于等于1的
那我就可以每一个组分
通通可以算出来
比如二氧化碳多少
贫燃料就是二氧化碳 水
加上氮气嘛
三个东西就可以算出来
当然还有氧气了
这样的话呢我们全部可以算出来
就很简单
但是富燃料的时候呢
你会发现怎么样
f等于0氧气就没了
但是其他的b c d e
也就是说有二氧化碳 有水
有一氧化碳 有氢
有这四个东西
那么这四个东西的话呢
你光用元素平衡就算不出来了
那怎么办呢
我们就要把上面的那个
水气变换的这个反应
拿热力学第二定律
或者用平衡常数
把它放进去
增加一个方程
我们就能把它算出来了
那么这个方程实际上是一个
非线性的方程
大家可以看出来
K可以算出来
等于b*e/(c*d)
那么这是一个非线性方程
那么都是用各种参数
a和b d e 包括x y
就可以表达什么呢
是表达出
所有每一个组分的成分
组分成分我们把它代到
代到我们刚才那个Kp
也就是平衡常数里边去
我们就得到了一个
完整的方程式
这个方程呢
实际上是可以求解的
那么这个N_tot的话就出来了
我们求出来了以后
所有的都可以表达成b的函数
那么包括富燃料的结果
我们就全部有了
包括x y b
N_tot 当然也是可以算的
我们每一个物质
包括一氧化碳
包括二氧化碳
包括水蒸气
包括氢 包括氧气和氮气
通通可以
当然氧气就等于0嘛对吧
氮气我们通通可以算出来
这样的话呢
不同的a 不同的x y呢
可以求出上面的所有的值
这个Kp呢
是一个特别的是温度的函数
而我们通常知道
燃烧的典型温度大概多少
在2000K左右对不对
所以我们在2000K的前提底下
你可以看一看
我们整个的水气变换的
这个Kp值
我们最高
大概2000K的是Kp等于多少
0.22
我们也看一下
低温的时候会怎么样
Kp怎么样
一定是大 对吧
低温的时候怎么样
一定会容易变成二氧化碳
待会儿我们可能又有感觉
怎么低温一氧化碳
反而会更容易反应啊
在我们的概念当中
低温反应速度慢了
这个实际上是一个动力学概念
而从热力学的角度来讲
越低温怎么样
越容易生成二氧化碳
二氧化碳和氢气
那么你就看到这个表
你看在298K的时候是
十万多Kp
到了什么
到了1000K的时候
就只有1点几了 1.433
那么到了比如3000多K的时候
3500K吧
最后0.1241了
也就是说很高温的时候
它主要的成分怎么样
是一氧化碳了
这个就是这么一个概念
所以说我们要制氢怎么样
某种意义上温度要低
就变成二氧化碳加氢了
但它的问题在哪里
温度低它的反应速度会变慢
所以这种水气的变换反应
通常需要合适的温度
压力的范围
下面的话呢我们来比较一下
刚才那个方法
实际上是用一个非常简单的
近似的方法
就拿一个水气变换反应
来代替整个的平衡
我们呢也用前面的办法
我们已经全平衡也会算了对吧
我们就拿丙烷
丙烷我们前面算过
我们来看看
它们的计算的结果
有多大的差别
这个就是我们表里边所获得的
丙烷和空气
在富燃料燃料条件底下
一氧化碳和氢的
摩尔组分的情况
你可以看出来
一个是Φ的变化
一个是什么
一个是它的两个组分
那么左边这个是完全平衡
也就是说完全用刚才
全部的方程全部去算
而右边这一行的话
就是水气的变换反应
看看两个怎么样
差别不是很大对吧
它的差别只在百分之几
所以这个温度当然是2200K
2200K的情况底下计算的
可以说明什么呢
我可以用非常简单的一个
水气的变换反应
加上这个热力学第一定律
和元素的平衡
就可以很快的用手算
实际上就可以算出来
这个跟用全部反应
用计算器算
速度又快
特别是在我们做一些经验判断
和正确的估计的时候
工程上应用
就特别管用
下面的话呢
我们再来算一算
Φ等于1的时候
我们看一看
用这两种方法算出来的
它这个二氧化碳
和水的分解率
会怎么样子
那么这个就是用水气平衡
和无分解的计算
就发现什么
全平衡和无分解的
二氧化碳的分解率达到了
百分之11.7
而水的分解率的话呢
百分之4.3
这是在一个大气压Φ等于1
也就是我们常规的前提底下
也就是什么意思呢
也就是说
我们实际上在
如果是用化学当量比
在常压计算的话
实际上一氧化碳
不可能全部变化二氧化碳
那么氢也不可能
全部氧化成
水蒸气
这也是为什么
我们通常燃烧的时候
总是空气需要一点过量
才能保证它
减少它的分解率
-1.1 我们为什么要学习燃烧理论
-1.2 什么是燃烧:定义与现象
-1.3 燃烧科学发展简史
-1.4 燃烧科学的研究方法
-1.5 课程的结构
-2.1 概述
--概述
-2.2 状态参数复习
--状态参数复习
-2.3 热力学第一定律
--热力学第一定律
-2.4 反应物和生成物的混合物
--燃烧焓与热值
--例题
-2.5 绝热燃烧温度
--定压绝热燃烧温度
--定容绝热燃烧温度
-2.6 化学平衡
--第二定律的讨论
--吉布斯函数
--复杂系统(选修)
-2.7 燃烧的平衡产物
--全平衡(选修)
--水煤气反应的平衡
--压力影响
-2.8 应用
--例题
--烟气再循环
-2.9 小结
--小结
-第二章 燃烧与热化学--第二章作业
-3.1 传质概述
-3.2 传质理论基础
-3.3 传质应用实例
-3.4 小结
-第三章 传质引论--第三章作业
-4.1 概述
--概述
-4.2 总包反应与基元反应
-4.3 基元反应速率
--其他基元反应
-4.4 多步反应机理的反应速率
--净生成率
--稳态近似
--单分子反应机理
--部分平衡
-4.5 简化机理(选修)
--简化机理(选修)
-4.6 催化和非均相反应(选修)
-4.7 小结
--小结
-第四章 化学动力学--第四章作业
-5.1 概述
--概述
-5.2 H2-O2系统
--H2-O2系统
-5.3 一氧化碳的氧化
--一氧化碳的氧化
-5.4 高链烷烃的氧化
--三步机理
--八步机理
-5.5 甲烷燃烧
--复杂机理和起源
--甲烷燃烧动力学
--高温反应途径分析
--低温反应途径分析
-5.6 氮氧化物
--氮氧化物的危害
-5.7 小结
--小结
-第五章 一些重要的化学机理--第五章作业
-6.1 概述
--6.1 概述
-6.2 定压-定质量反应器
-6.3 定容-定质量反应器
-6.4 全混流反应器
-6.5 柱塞流反应器
-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结
-第六章 反应系统化学与热分析的耦合--第六章作业
-7.1 概述和总质量守恒
-7.2 组分质量守恒
-7.3 多组分扩散(选修)
-7.4 动量守恒方程(选修)
-7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式
-7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义
-第七章 反应流的简化守恒方程--第七章作业
-8.1 概述及物理描述
-8.2 层流火焰分析
-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素
-8.4 熄火、可燃性和点火
-8.5 火焰稳定及小结
-第八章 层流预混火焰--第八章作业
-9.1 概述
--概述
-9.2 无反应的恒定密度层流射流
--物理描述
--求解
--两个例子
-9.3 射流火焰的物理描述
-9.4 简化理论描述
--概述
--守恒标量
--状态关系式
-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度
--两个例子
-9.6 碳烟的形成和分解
--碳烟的形成和分解
-9.7 对冲火焰(选修)
--对冲火焰(选修)
-9.8 小结
--小结
-第九章 层流非预混火焰--第九章作业
-10.1 概述
--概述
-10.2 液滴蒸发的简单模型
--基本假设
--气相分析
--气液界面能量平衡
--液滴寿命
-10.3 液滴燃烧的简化模型
--假设
--温度分布
--液滴表面能量守恒
--火焰面处能量守恒
--例题
--扩展到对流条件
-10.4 一维蒸发控制燃烧
--物理模型和假设
--总守恒方程
--例题
-10.5 小结
--小结
-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业
-11.1 概述及燃煤锅炉
-11.2 非均相反应
-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型
-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型
-11.5 颗粒燃烧速度
-11.6 煤的热解及燃烧
-第十一章 固体燃烧--第十一章作业
-12.1 概述
--概述
-12.2 湍流现象与描述
--湍流的现象与描述
-12.3 湍流尺度
--湍流尺度
-12.4 湍流模型
-12.5 湍流预混火焰
--湍流火焰速度
--层流火焰折皱模式
--火焰稳定
-12.6 湍流非预混火焰
--射流火焰
--火焰长度
-12.7 湍流燃烧小结
--湍流燃烧小结
-课程总结
--课程总结