当前课程知识点:燃烧理论 > 第四章 化学动力学 > 4.4 多步反应机理的反应速率 > 链式反应和链式分支反应(二)
好 同学们 刚才我们把
什么是链式反应
链式分支反应
以及它们各自的特征
做了一个介绍
下面的话
我们就用两个例子
我们来进一步的来
理解一下这种链式反应的
这样一个特点
那我们还是拿
在大气当中的氮
氧化形成氮氧化物的
这么一个(例子)
这是一个标准的链式的
这样一个反应
那么这个的话
链式反应的话
我们把它称之为
热力学基理
或者又叫做
Zeldovich机理
那么它的过程的话
实际上是特别简单的
就是实际上是N2 加上一个O
那么反应的话
变成NO 加上一个N
N的话
再去冲击O2
变成一个NO加上一个O
也就是说一个氧的原子
一个自由基
去轰击氮气
那反应生成氮氧化物
再会产生一个氮的原子
一个自由基
这是一个链式反应
接下来的话
一个氮去冲击一个氧的分子
变成NO加上一个氧
这也是一个
链式反应
所以这是一个典型的链式反应
那么由于这两个反应的话
第二个反应
一般来说
要比第一个反应要快的很多
所以我们通常
就是可以用稳态近似
来计算N的原子的浓度
这是我们上一次
在一讲里边已经讲到
有一个例子我们来计算
那么在高温底下的话
通常氮氧化物的形成
要比其他的反应
比如氢氧
这种反应性要低很多
所以它的氧原子的
那么反应的话
我们常常认为它是处于一个
局部平衡当中
那么就是O2会跟
变成两个氧
这是一个平衡的反应
实际上我们现在
已经说到平衡
实际上我们真正什么是局部平衡
还没有说
我们只是说
现在我们就知道结论
氧的分子变成了两个氧的原子
那么实际上
我们把它称之为
可以把它假设是一个
链的激发反应
那我们来构建一个
最终的一个总的反应的话
是N2+O2=2NO
这是一个总包反应
那么实际上我们来表示的话
我们就可以来看一下
怎么样
d[NO] 或者我们氮氧化物的
形成速度
应该等于是
KG[N2]m [O2]n
也就是说 m n
那么我们来看一看
怎么样利用刚才
我们这样一个详细的基元反应
能获得KG
还有两个反应级数
这是一个很有趣的一个例子
那我们就从最基本的基元出发
而且我们现在先忽略
忽略逆反应
这样的话
我们就能够把一氧化氮的
生成的速度
实际上就是
是第一和第二两个的反应对吧
就是两个传递反应都会有
所以它是两项之和
也就是K1f[N2][O]
那么下面的话
是K2f[N][O2] 这个是标准的
那我们同样可以写出来
氮的原子的dt是吧
那么也是等于第一个是产生的
是K1f[N2][O]-K2f[N][O2]
那么我们知道
我们忽略它的逆反应
通过刚才的理解
我们实际上第二项怎么样
就会用稳态近似
假设它等于0对不对
这样我们就得到了
它的就是steady state的
氮的浓度
实际上前面
我们已经知道了
这样把它代进去
代到第一个式子里边去
d[NO]/dt
我们就可以得到一个什么
是跟氧的分子跟氮的分子
以及氧原子相关的
那我们就一定要知道
氧的原子浓度怎么获得
那么现在就氧原子浓度
我们就很简单的
就能够获得什么
通过刚才那个
O2等于两个O
这样一个
局部平衡
局部平衡我们用平衡常数Kp
来给它算出来
我们的氧的原子的浓度
就可以算出来
就下面式子
是等于它跟氧的浓度
跟Kp RT相关联
那么有了这样一个式子的话
我们把它代进去
就得到了d[NO]/dt的
这么一个关系式
大家看到这个就很有趣了
大家发现什么
发现我得到了什么
KG=2K1f(KP P<\i>^0/RuT )^(1/2)
那么也就是说我通过
详细的化学反应动力学
通过稳态近似
可以获得总包反应的什么
总包反应的速度系数
而且我还得到了什么
我跟N2的(反应)速度
实际上是跟N2的浓度
也就是说跟N的分子的浓度
成正比
也就是说它的反应阶数是一阶的
而跟氧气的浓度是什么
二分之一成正比
也就是跟氧气的浓度的是
二分之一阶
也就是0.5阶的
那总包的反应的
反应阶数是什么
是1.5阶的
所以我们通过一个基元反应
实际上可以获得总包反应的
反应的参数
包括KG包括反应级数
这就是这一节
所给大家带来的一个
很有趣的这么一个结果
所以今后的话
大家就知道了
所以说总包反应
不是说它的所有的参数
必须要通过实验去确定
我也可以通过基元反应
通过适当的简化
能够获得它这样一些
最基本的过程
大家可能注意到
我这里边
没有做定量的分析
所以感觉到的话
我这样很自然
就得到了这样的关系
实际上在这里边
很重要的实际上
我们是忽略了它的逆反应
但实际上
你们以后会注意到
氮氧化物的形成的逆反应
实际上在一个很短的时间以后
由于氮氧化物形成
它的逆反应就变得很重要
这当然会是很大的影响
那么下面
就用下面一个例题的话
就让大家理解一下
这么一个过程
那么我们现在的话
就利用刚才我们所获得的
这样一个关系式
来获得什么
我们假设用一个激波
来加热空气
空气当然刚好是什么
有21%的氧 79的氮
把它的温度加热到很高
2500K和3个大气压
那么采用刚才的
计算的结果
来分析一下
我们看看氮氧化物的
在里边的形成速度
同时我们要计算一下
在非常短的时间
就是0.25毫秒的
这么一个条件底下
形成的氮氧化物的量
到底有多少
那么我们有速度系数K1f
我们已经知道了
那么通过这样的话
我们就很容易
来根据刚才我们推导的
关系式
这需要怎么样
这需要把它的压力
我们已经知道
3大气压对吧
这需要把它氮的氧的
摩尔分数的浓度
给它写出来
摩尔分数我们已经给了
一个0.79 一个0.21
我们把它的摩尔浓度给算出来
就可以了
那么的话
就一开始
我们假设氧
氮氧化物 氮
这种都很少
都很少的话
我们直接就可以
认为它就是氮分子
和氧分子的一个浓度
那么我们两个就算出来
算出来直接就代进去
代进去当然需要Kp对吧
我们需要氧的反应的
在2500k
和3个大气压底下的
它的平衡常数
那么把平衡常数
把所谓的平衡常数
当然计算大家非常熟悉
我就不再重复
公式都摆在这
它的结果也摆在这
有了这样一个结果的话
你会发现
是什么
它的速度是相当的快
这样的话
我们就能够去计算
把所有的数据代到
就是氮氧化物的
形成速度的
公式里边的话
就获得的d[NO]/dt
那么等于0.0505千摩尔
每立方米每秒
就这么一个
非常快速的
非常快速的一个结果
所以这样的话
就有一个最简单的
我们如果把它算成一个
它的就是摩尔分数的
变化率
就是dXNO/dtt的话
实际上每秒多少
3.45乘10的6次方个ppm
10的6次方乘ppm
实际上就是1了
也就是说实际上
如果真的按照这个速度的话
实际上也就是说
只要三分之一秒不到吧
它就全部消耗完了应该是
因为它最大的摩尔浓度
应该是1 对吧
所以很快就可以消耗完
给大家一个速度的概念
也就是说在高温底下
我们按照刚才
计算方法的话
也就是0.3秒左右
氮氧化物氧气
真的高温在2500k
3个大气压
我用激波去加热的话
全部形成了氮氧化物
速度是非常快的
那我们先来看一看
当然我们不可能那么长时间
就算一下0.25毫秒
我们大概是多少
那实际上就很容易了
大家直接去算就行了
那么就可以看出来多少
过程就不说
就给一下大家一个结果
实际上就是多少
是8.64乘10的负4次方
那么也就是864乘10的6次方
或者叫864ppm
那么用这样一个关系式
就是0.25毫秒
实际上就产生了
大量的氮氧化物 864ppm
如果你要真的是100个毫秒
那就不得了对吧
所以实际上
从也反映出来什么
实际上是逆反应
实际上是非常重要的
所以是必须要考虑它的逆反应的
这种合理性
要不然就会大大的高估
氮氧化物的量
实际的过程当中
大家也理解
并不会产生这么大量的
氮氧化物
它实际上氮氧化物通常
即使在秒(量级)的时间里边
也就是产生个几百个ppm
那么原因实际上就是
逆反应的作用
而我们这里边
没有考虑逆反应的作用
-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