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1、第五章 着火与熄火,要求：掌握不同着火方式的特点及影响着火、熄火的因素与规律，理解热自燃理论、强迫着火理论及熄火理论。,概述,研究着火与熄火的意义：,从无化学反应向稳定强烈的放热反应的过渡过程。,熄火,从稳定强烈的放热反应向无化学反应的过渡过程。,着火,迅速、可靠地点火稳定的燃烧防火、防爆,概述,点燃（强迫着火）：,链锁（化学）自燃：,不需要外界加热，在常温条件下依靠自身的化学反应发生的着火过程。,热自燃：,着火方式,将燃料和氧化剂混合物迅速而均匀地加热，当混合物被加热到某一温度出现火焰,用电火花、电弧、热板等高温源使混合气局部受到强烈地加热而先着火，然后火焰传播到整个空间。,概述,着火方式的
2、区别与联系,链锁自燃与热自燃均为整个空间的着火过程，链锁自燃基于链锁反应机理，热自燃基于热活化机理，但前者也有热的作用，后者也有活性中间产物的作用。热自燃与点燃的区别在于整体加热与局部加热，着火机理均基于热活化。,概述,影响着火与熄火的因素,化学动力学因素：燃料性质、混气成分、环境温度 流体力学因素：气流速度、燃烧室结构尺寸,5-1 热自燃理论,一、着火条件,在一定的初始条件（闭口系统）或边界条件（开口系统）下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某个瞬间或空间的某部分达到高温反应态（即燃烧态），那么实现这个过渡的初始条件或边界条件为“着火条件”。着火条件不是一个简单的初温条件，而是化学动力参
3、数和流体力学参数的综合函数。,闭口系统：,开口系统：,5-1 热自燃理论,一、着火条件,利于着火的因素：反应放热（放热量与放热速率） 不利于着火的因素：散热,着火、熄火的本质：,着火、熄火就是反应放热因素与散热因素相互作用的结果。如果在某一系统中反应放热占优势，则着火容易发生（或熄火不易发生），反之，则着火不易，熄火容易。,5-1 热自燃理论,一、着火条件,非稳态分析法稳态分析法,着火、熄火条件的分析方法：,着火前系统处于稳定状态，如果达到着火条件，则这种稳定态就不可能存在，在数学上表现为方程的解不存在。,着火是一个非稳态过程，考察过程随时间变化，确定着火条件,5-1 热自燃理论,一、着火条件
4、,能量方程：,闭口系统，e=CvT，有：,T不随时间变化，稳态理论； T不随空间变化，非稳态理论。,5-1 热自燃理论,二、非稳态分析法,分析对象：闭口系统 分析理论：热自燃理论,热自燃理论：,基本思想：,反应放热曲线与系统向环境散热曲线相切。,（范特霍夫、利恰及利耶、谢苗诺夫）,当反应系统与周围介质间热平衡被破坏时就发生着火。,着火临界条件：,二、非稳态分析法,分析模型：,在密闭容器中储存着具有一定初始温度的可燃混合气，在进行化学反应的同时，也通过容器向外界散热。,结果是在容器内形成了温度梯度和浓度梯度，即在容器中心，混气的温度较高、浓度较低；在器壁附近，混气的浓度较高、温度较低。,计算单位
5、容积内的放热速率,温度分布浓度分布,导热微分方程扩散微分方程,谢苗诺夫提出了一种简化的热理论，他认为容器内混气的温度和浓度是均匀的，它们只随时间变化。,二、非稳态分析法,简化：,（1）容器体积为V，表面积为A，内部充满了温度为 T0 ，浓度为 0 的可燃混气。,（2）开始时，混气的温度与外界环境温度一样为 T0 ，反应过程中，混气的温度为T，并且随时间而变化。这时容器内的温度和浓度仍是均匀的。,（3）外界和容器壁之间有对流换热，对流换热系数为 ，它不随温度变化。,二、非稳态分析法,热平衡方程：,着火成败取决于放热量与散热量的相互关系及其随温度而增长的性质。分析q1和q2随温度的变化，就可以得出
6、系统的着火特点，并导出着火的临界条件。,二、非稳态分析法,着火临界点：,C点：非稳定点，两种发展方向，对热自燃而言不可能出现的工况。,A点：稳定点，对应于一个反应速率很小的缓慢氧化工况。,B点：临界工况。,二、非稳态分析法,对流换热系数的影响：,二、非稳态分析法,着火温度：,二、非稳态分析法,着火温度：,若：E167200 kJ / kmol, T0=1000K, 则：,二、非稳态分析法,热自燃特性：,二、非稳态分析法,热自燃特性：,当n=2（二级反应）时，,谢苗诺夫方程,二、非稳态分析法,热自燃的浓度界限：,二、非稳态分析法,着火感应期i ：,当混气由初始状态达到温度急速上升所经历的时间。,
7、二、非稳态分析法,着火感应期i ：,在着火感应期内，反应物的浓度：,二、非稳态分析法,着火感应期i ：,对于烃类燃料，反应级数近似为二级：,压力、温度下降时，感应期增大。,相对于指数中的T0，其影响很小，可视为常数,二、非稳态分析法,着火感应期i ：,当温度和混气成分不变时：,5-1 热自燃理论,三、稳态分析法,弗朗克卡门涅茨斯提出稳定分析法：,容器内由于反应与热传导的结果形成稳定温度分布，如果达到着火条件，则容器中就不可能存在稳定的温度分布，在数学上表现为方程的解不存在。此方法着重于数学求解。 着火过程的基本方程为：,5-1 热自燃理论,三、稳态分析法,其中：,当：,定义：,5-1.5 链锁
8、自燃理论,我们已经知道着火的热自燃理论的主要观点是，热自燃的发生是由于在感应期内化学反应的结果使热量不断积累而造成反应速率的自动加速。这一理论可以解释很多现象，大多数碳氢化合物的作用都符合这个结论。但是也有很多实验结果是热理论所不能解释的，例如有的爆炸混气在低压下其着火界限呈“半岛”形，其着火界限不止一个，而有两个，甚至三个。这些实验结果对于双分子的热理论是无法解释的，这是因为有些反应是比双分子反应更为复杂的反应。而着火的链锁理论有可能揭示其中的一部分现象。,5-1.5 链锁自燃理论,如果假设w1位由于热的作用而生成活化中心的速度（即氢原子的链起始速度），fn为链分支使氢原子增殖的速度，gn为
9、链中断的速度，其中f和g分别是氢原子的增殖常数和中断常数，n为活性中心（即氢原子）的浓度。则活性中心随时间的变化为：,令f-g=，则上式可写成：,积分：,5-1.5 链锁自燃理论,实际上w1的数值很小，它对链的发展影响很小。因此链的分支与中断速度是影响链发展的主要因素。而g与f是随着外界条件（压力、温度、尺寸）的改变而改变的，且这些条件对f与g的影响有各不相同。例如链中断反应的活化能很小，因此事实上它与温度无关；但链分支则不然，因为其活化能很大，温度的升高对分支链反应速度的影响会明显增大。这样，随着温度的变化，由于f、g变化的速度不同，的符号和大小也将变化。 0： =0：,氢和氧的反应在不同温
10、度、压力下达到自燃爆炸的实验结果如图所示。由图可知混气的爆炸存在三个极限，虽然三个极限的解释并没有都被每个人所接受，但仍然可以通过合理假设得反应机构来解释。,首先在温度较低时，如400），由于热能水平提高，氢分子的化学键就可能被破坏而进行链的始发过程：a 链增殖： bCd链中断： 碰壁 e在压力很低时，由于反应e比较显著，所以反应无法加速到自燃。随着压力的升高，这些链载体的自由行程就大大的减小，以致能够到达容器壁面的链载体变得很小，而大部分链载体参与b、C、d得链增殖反应，从而使反应加速而达到自燃，这时出现图中的第一极限。,当压力升到很高时，分子很密集，就可能出现三分子反应：而代替原来的增殖反
11、应b，使链载体H与O2化合成相对寿命较长的分子HO2（用光谱仪测到），它向容器壁面扩散而碰壁终止，如：其结果是破坏了一个增殖链环，因此整个反应再次由速率很高的爆炸反应回复到稳定的反应。一般称此界限为爆炸高限或第二极限。,当压力再增加至更高使，又出现在返回爆炸的现象，有人认为其机理是：这两个反应又重新形成链增殖过程，可以再次出现高速反应的爆炸自燃。在实验中也证实了H2O2的存在。也有人用热爆炸机理来解释，认为在压力很高时，反应速率已经很大，因此反应生成热也很大，由于反应本身加热使温度提高，应使反应自动加速到自燃。总之，压力的进一步提高将导致爆炸的第三极限的出现。,5-2 强迫着火（点燃）,热自燃
12、与点燃的区别：,热自燃与点燃的本质没有差别，但在着火方式上有较大的区别：热自燃：整个混合气的温度较高，反应和着火是在容器的整个空间进行的。点燃：混合气的温度较低，混合气的部分气体受到高温点火源的加热而反应，而在混合气的大部分空间中其化学反应为零，其着火是在局部地区首先发生，然后向空间传播。,常见的点燃方式：,炽热固壁点火、火焰点火、电火花点等,5-2 强迫着火,一、热平板点燃理论,惰性混气流过炽热平板,燃料与氧化剂的均匀混气流过炽热平板,5-2 强迫着火,一、热平板点燃理论,5-2 强迫着火,一、热平板点燃理论,热平板点燃临界条件：温度梯度等于零。,若xiL，则点火成功； 若xiL，则点火失败
13、。,利用分区近似方法求解：,由这个距离开始，壁面附近的气体不再接受热板表面所给予的热量，反应将依靠气体自身的放热效应自动加速至着火,5-2 强迫着火,二、电火花点火,电火花点火的两个阶段,电火花加热预混气使混合气局部着火，形成初始的火焰中心初始的火焰中心向未着火的混合气传播,点火成功：1）初始的火焰中心形成；2）出现稳定的火焰传播 初始火焰中心的形成取决于：电极间隙距离、间隙内的混气比、压力、初温、流动状况、混气性质及火花能量。 稳定火焰传播取决于：传播区混气压力、温度、初温、混合比及流动状况等,二、电火花点火,最小点火能量：,电火花点燃混气需要一个最小的火花能量，低于这个能量，混气不能点燃。
14、这一最小能量是随混气成分、性质、压力、温度和电极间距而变化。,二、电火花点火,最小点火能量：,如果电火花已经点燃了某个最小火球尺寸的混气，并形成了稳定的火焰传播，则在传播的开始瞬间必然满足火球内混气化学反应放出的热量等于火球表面向外导走的热量。即,二、电火花点火,最小点火能量：,其中是火焰前锋宽度，若进一步假设焰锋宽度与最小火球半径成正比关系,令：,二、电火花点火,最小点火能量：,二、电火花点火,最小点火能量：,三、热射流点火,高温射流：d0、Tm、u0 周围环境为预混气：T、u,外边界01：T、YF, 内边界02：Tm、YF=0,三、热射流点火,xi为着火距离， xp为射流核心区长度,5-3
15、 熄火,一、理想燃烧室的着火、熄火现象的描述,着火完成后建立了燃烧工况，这时燃料的浓度会变小，放热规律也大不相同。以密闭容器为例，近似地认为在有散热时其中的浓度也按绝热燃烧的规律下降，则二级反应有：,散热：,放热：,5-3 熄火,一、理想燃烧室的着火、熄火现象的描述,这时的工作点可能有三个：缓慢的氧化工况、强烈反应的燃烧工况、不稳定的中间工况。,5-3 熄火,一、理想燃烧室的着火、熄火现象的描述,所有可能的工作点（q0，T0）画成曲线：（1）在缓慢氧化状况下有一个拐点I，为着火临界点；在剧烈的燃烧工况也有一个拐点E，为熄火临界点；（2）着火与熄火过程不可逆，熄火有滞后性,5-3 熄火,二、均匀搅拌反应器熄火理论,Longwell认为可燃混合气进入燃烧器后被强烈地搅拌，迅速进行反应，并与已燃的燃烧产物快速混合，使反应器内的温度、浓度均匀分布。,YOX T V,G YOX T YF,G YOXP Tm YFP,5-3 熄火,二、均匀搅拌反应器熄火理论,设反应为二级反应，则燃烧器内的质量平衡式：,令为按氧计算的反应程度：,5-3 熄火,二、均匀搅拌反应器熄火理论,
