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下一节:甲烷燃烧动力学

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刚才我们在讲

高碳氢化合物的时候

特别提到我们对

甲烷和乙烷

不能够用刚才那一套东西来解释

我们来看一看为什么

我们下面就开始讲

甲烷的燃烧

首先我们来看看甲烷

甲烷大家都非常熟悉

它是一个非常完美的

一个四面体

可以告诉大家

甲烷实际上

就是大家经常用的天然气 对吧

家里边也用

觉得挺好烧的对吧

也很容易

但是实际上告诉大家

所有的碳氢化合物

包括氢加上一氧化碳

所有的燃料当中

甲烷是最难烧的

如果大家对它的化学结构

理解的话也容易理解

由于四边形的结构

所以它的碳氢键的键能

实际上是非常高的

你要打断它不容易

当然这是相对而言

它本身当然还是

很容易出现燃烧和爆炸的

但是跟氢来比

或者是跟我们的

其他的碳氢化合物

高的碳氢化合物来比的话

它不容易燃烧

这是这么一个概念

所以它实际上是一个

四个键的这种

非常严格的这种结构

所以很不容易氧化

这是它的一个特征

所以它实际上是

它的反应的话

总是首先一个氢要脱掉

那氢脱掉比较难

好 我们在正式讲

甲烷的燃烧之前

我们自然界

实际上是存在很多很多的

天然气 甲烷 石油这种东西

那这东西怎么来的

那么实际上的话

不管是石油和天然气

它基本上是属于什么

是各种各样的长链的

或者是短链的

各种碳氢化合物

也就是说碳氢化合物

它的基本的结构

就是在碳的这种骨架的基础上

长出了好多氢

大概就是

这么一个碳氢化合物

那么它从哪里来

实际上它是早期的实际上从

海底的各种的

浮游的生物

各种各样的浮游生物

那么海洋当中

多数的石油天然气

都是从什么

微观的这种动植物的

慢慢的演变而来的

那么这种浮生的生物

实际上大家如果有印象的话

那么我们在夏天的时候

就会出现这种赤潮

或者像我们的湖泊里面

会出现蓝藻等等

这些实际上就是这种浮游生物

说明它如果一旦(水体)表面

营养丰富的时候

它会非常非常快速的成长

那么大量这种

长出来的这些东西

会怎么样

它死亡以后

沉到海底

沉到海底时间长了以后

它会形成一个有机层

而这些有机层的话

海底的也有些动物

那么就把这些有机层

作为它主要的食物

但这种有机层的话

因为海底的含氧量

非常非常低

所以并没有很多动物能够存活

去吃掉它

这样的话有机层怎么样

不断不断的积累

大概的概念

这种有机层

如果积累到超过了5%的话

那我们就把它叫做

黑色的页岩

黑色实际上

就是含有机的东西

页岩就是我们常常说的页岩

岩层 这种岩层就存在

而这种岩层的话就是含油的

实际上我们现在很多的

开采的包括页岩气也好

页岩油也好

包括甚至油和天然气

大概来源都是这么一个过程

那么接下来发生什么

就因为在底下沉积厚了以后

海底我们知道实际上是温度是

越埋的深怎么样

温度就越高

这种过程就像有一点像

在锅里面煮一样

它就是温度升高了以后

一煮的话

它就会出现分层

这个过程的话

温度高的那个地方

就会产生气体

温度低的地方

就是一些蜡类的东西

那中间的话

可能是一些油层

那么就慢慢的进行了

这样的分离

而且这种岩层的话

它因为不断的转化

所以你去看海底

或者是地底下的话

那么就可能既有油

又有页岩

又有气体存在

那么所以不同的温度的话

大概真正的温度

大概超过90度就会变成油

150度就会转换成天然气

当然时间是非常非常缓慢的

那么这种含油

含天然气的这种岩层

我们把它称为源岩

或者是叫Source Rock

那么实际上的话

由于这种岩石

由于我们知道石油天气的话

如果它特别特别致密的话

那么它长期存在

比如现在我们说的

像页岩气 页岩油

大概就是还存在在里边的

但实际上

它地壳变化了以后

它这里边有很多很多的缝隙

缝隙的话怎么样

油和气怎么样

就会不断的移动

那么油气如果再有缝隙

就会往上移 对不对

往上移的话

就会在某一些岩石里边

形成什么

形成非常完整的油田和气田

就是我们常规的

油气资源的样子

当然时间很长很长了

上亿年对吧

上亿年的这么一个过程

那么慢慢的话

总的来说这种油气岩

听下来的话

大概的一个基本的逻辑

一个的话

它应该是在比较温暖的这种

海水的区域

而且是浅海的

一般来说

这种水中

就必须要产生这种大量的

这种水华 或者赤潮

就是有这种浮生动物植物

能够生长的地方

而且水底又缺氧

也就是死亡沉积了以后

它又不会被动物吃掉

这就慢慢沉积

要这样的区域

你就可以找到这样的一些东西

那么全球现在总的来说

油气资源最丰富的是

在俄罗斯

第二的是伊朗还有卡塔尔

土库曼斯坦

沙特阿拉伯

包括美国

中国大概排在第15位

所以你就可以看

(石油)主要还是在中东和俄罗斯

那么好 这么多天然气

刚才说了除了这些

通过这种一定的条件

会变成这种非常大型的

这天然气的丰富的资源以后

天然气

在海底的话

还会形成一些其他的过程

一个比较典型的 大家都(知道)

现在非常热的

听说过的

就是所谓的可燃冰

或者叫天然气的水合物

它是一种天然气和水

在高压低温的条件下

结晶的这种物质

它里边的这种天然气

百分之八九十是甲烷

而这种甲烷的话

如果形成这种就像可燃冰

就是这种Hydrate

Methane Hydrate

或者是我们叫天然气水合物

叫甲烷水合物

那么它看上去

实际上就像冰一样

而且你可以把它点燃

很容易 一点就着

那么它的结构的话

大概是一个甲烷加六个水所组成的

大概六个水左右

大概在两到十个兆帕吧

或者严格的1.9到9.7个兆帕

大概就在常温底下

或者比较低的温度底下

就可以形成

而密度的话

跟水(冰)非常接近

它的很多的性质

跟水(冰)也非常接近

所以它真要去探测

现在还有相当的困难

不过告诉大家的一个(概念)

如果真的我们能把它开采出来

是相当令人兴奋的

告诉大家一个简单的概念

所有的可燃冰现在的碳储量

是现在我们所有的

传统的化石能源

包括煤 天然气 石油等

所有的(和的)大概两倍

也就是如果我们真的把可燃冰

如果能够开发出来的话

那我们化石能源的

可用的时间

就可以大大延长

当然开采非常之困难对吧

我刚才说了

包括探测也很困难

而且开采的话

它实际上最重要的是什么

变成常压

就是天然气和水要分离

但问题

它需要加热

又在海底

所以难度实际上相当大

到现在为止

还没有很好的开采方法

这当然已经有很多的这种

概念上的方法已经出现了

但是并没有成功

如果大家有印象的话

那么2013年就是去年的

春天的时候

日本宣布可能在一两年之内

就可以成功的

开采出来

当时实验的初始的时候非常成功

但是大概隔了不到一个月时间

实验的话实际上失败了

现在可能在重新研究方案

估计没有那么快就能够成功

这就是一些大家可以看到的

很漂亮的这些可燃冰的

这些样品和图片

非常漂亮

另外一个的话

大家可能也是这几年

特别特别是美国

在页岩气的开发方面的突破

使得整个全球的能源的形势

发生了非常深刻的变化

那么告诉大家的一个

比较好的消息

实际上中国在页岩气的

资源的

从资源的角度来讲

是比美国还大

是全球排在第一位的

当然实际上最近的研究发现

我们的开采的难度

可能也比他们大

当然至少从资源角度

我们是一个好消息

那么而且的话

基本上我们在整个国家的

所有的地区

都存在页岩气

非常有机会成为一个

非常好的一个资源

当然页岩气原来没有办法开发

但是现在的话

由于美国横向的

打井技术

以及水力法的技术

的产生的话

使得技术出现突破

这几年有非常好的发展

当然期待我们国家

也有很好的发展

当然也需要关注

它的环境问题

包括也要关注它对整个生态的影响

包括我们国家的页岩的

条件跟美国的不同

所带来的这种挑战

但是我们非常期待

我们国家的天然气的

消费和生产

能够有所增长

燃烧理论课程列表:

第一章 导论

-1.1 我们为什么要学习燃烧理论

--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

--1.2 什么是燃烧:定义与现象

-1.3 燃烧科学发展简史

--1.3 燃烧科学发展简史

-1.4 燃烧科学的研究方法

--1.4 燃烧科学的研究方法

-1.5 课程的结构

--1.5 课程的结构

第二章 燃烧与热化学

-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

--反应物与生成物的组成

--绝对(或标准)焓和生成焓

--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

--回热式和蓄热式交换器

--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

第三章 传质引论

-3.1 传质概述

--3.1.1传质概述

-3.2 传质理论基础

--3.2.1菲克扩散定律

--3.2.2扩散的分子基础-分子动力学

--3.2.3扩散系数的微观推导(选修)

--3.2.4组分守恒方程推导

-3.3 传质应用实例

--3.3.1应用实例一:液面蒸发

--3.3.2蒸汽界面边界条件

--3.3.3液滴蒸发

-3.4 小结

--3.4.1液滴质量守恒+小结

-第三章 传质引论--第三章作业

第四章 化学动力学

-4.1 概述

--概述

-4.2 总包反应与基元反应

--总包反应与基元反应

-4.3 基元反应速率

--双分子反应和碰撞理论

--其他基元反应

-4.4 多步反应机理的反应速率

--净生成率

--反应速率常数与平衡常数关系

--稳态近似

--单分子反应机理

--链式反应和链式分支反应(一)

--链式反应和链式分支反应(二)

--化学时间尺度(一)

--化学时间尺度(二)

--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)

--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

第五章 一些重要的化学机理

-5.1 概述

--概述

-5.2 H2-O2系统

--H2-O2系统

--H2-O2系统爆炸特性

-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

--总包反应和准总包机理

-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

--氮氧化物的形成(一)

--氮氧化物的形成(二)

--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

第六章 反应系统化学与热分析的耦合

-6.1 概述

--6.1 概述

-6.2 定压-定质量反应器

--6.2 定压-定质量反应器

-6.3 定容-定质量反应器

--6.3 定容-定质量反应器

-6.4 全混流反应器

--6.4 全混流反应器

-6.5 柱塞流反应器

--6.5 柱塞流反应器

-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结

--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

第七章 反应流的简化守恒方程

-7.1 概述和总质量守恒

--7.1 概述和总质量守恒

-7.2 组分质量守恒

--7.2 组分质量守恒

-7.3 多组分扩散(选修)

--7.3 多组分扩散(选修)

-7.4 动量守恒方程(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

--7.5 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

--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

第八章 层流预混火焰

-8.1 概述及物理描述

--8.1 定义及重要特征与实验室典型火焰

-8.2 层流火焰分析

--8.2.1 简化分析

--8.2.1 简化分析(续)

--8.2.2 详细分析

-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素

--8.3.1 温度、压力和当量比,燃料选型及火焰速度选型

--8.3.2 火焰速度测量

-8.4 熄火、可燃性和点火

--8.4.1 冷壁熄火

--8.4.2 可燃极限和点火

-8.5 火焰稳定及小结

--8.5 火焰稳定及小结

-第八章 层流预混火焰--第八章作业

第九章 层流非预混火焰

-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

--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

--各种不同的解法(一)(选修)

--9.4.5 各种不同的解法(二)(选修)

-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度

--圆口和槽型口燃烧器火焰长度

--火焰长度的影响因素

--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

第十章 液滴的蒸发与燃烧

-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

--质量守恒和组分守恒

--温度分布

--液滴表面能量守恒

--火焰面处能量守恒

--液气平衡 总结和求解

--燃烧速率常数和液滴寿命

--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

--液滴数目和液滴相守恒

--总守恒方程

--气相成分和气相能量守恒

--液滴动量守恒 模型总结

--例题

-10.5 小结

--小结

-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业

第十一章 固体燃烧

-11.1 概述及燃煤锅炉

--11.1.1 概述

--11.1.2 燃煤锅炉

-11.2 非均相反应

--11.2.1 非均相反应及表面化学反应

--11.2.2 碳反应的半总包机理反应

-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型

--11.3.1 模型建立

--11.3.2 质量与组分守恒与表面化学动力学

--11.3.3 电路比拟与碳燃烧控制

--11.3.4 能量守恒

-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型

--11.4.1 模型建立

--11.4.2 组分守恒、封闭性和表面化学反应

-11.5 颗粒燃烧速度

--11.5 颗粒燃烧速度

-11.6 煤的热解及燃烧

--11.6 煤的热解及燃烧

-第十一章 固体燃烧--第十一章作业

第十二章 湍流燃烧入门(选修)

-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

--湍流模型方法(1)

--湍流模型方法(2)

-12.5 湍流预混火焰

--湍流火焰速度

--湍流火焰结构与模式

--12.5.3 例题

--层流火焰折皱模式

--分布式反应区模式和漩涡小火焰模式

--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

--课程总结

复杂机理和起源笔记与讨论

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