LYÙ THUYEÁT CHAÙY
(Combustion: Theory and Equipment)
TS. Bùi Tuyên
1/ Teân hoïc phaàn: Lyù thuyeát chaùy
2/ Soá ñôn vò hoïc trình: 02 (30 tieát)
3/ Trình ñoä sinh vieân: naêm thöù 3, 4
4/ Phaân phoái thôøi gian: Lyù thuyeát: 28 tieát, Thí nghieäm: 2 tieát?
5/ Moân hoïc tröôùc: Nhieät ñoäng, Truyeàn nhieät.
6/ Moâ taû hoïc phaàn:
Moân hoïc naøy giôùi thieäu veà cô sôû nhieät ñoäng hoùa hoïc lieân quan ñeán toác ñoä phaûn öùng
chaùy; cô cheá töï baét löûa vaø moài löûa cuûa hoãn hôïp khí, quaù trình lan truyeàn ngoïn löûa trong hoãn
hôïp tröôùc, ngoïn löûa trong doøng vaø söï oån ñònh cuûa ngoïn löûa; quaù trình ñoát chaùy caùc loaïi nhieân
lieäu loûng vaø raén. Ngoaøi ra, caùc loaïi thieát bò ñoát coâng nghieäp cuõng ñöôïc giôùi thieäu qua.
7/ Muïc tieâu hoïc phaàn:
Hieåu vaø bieát caùch phaân tích ñeå löïa choïn phöông phaùp ñoát chaùy coù hieäu quaû ñoái vôùi töøng
loaïi thieát bò vaø töøng loaïi nhieân lieäu.
8/ Nhieäm vuï sinh vieân:
- Döï lôùp: tham döï treân 80% thôøi gian ñeå ñuû ñieàu kieän döï thi
- Tham gia thí nghieäm
- Thaûo luaän
9/ Taøi lieäu hoïc taäp:
Traàn Gia Myõ, Kyõ thuaät chaùy, NXB KH&KT, Haø Noäi 2005
Nguyeãn Só Maõo, Lyù thuyeát vaø Thieát bò chaùy, NXB KH&KT Haø Noäi, 2002.
10/ Ñaùnh giaù keát quaû hoï:
- Thi giöõa kyø: chieám 40% ñieåm ñaùnh giaù
-Thi cuoái hoïc kyø: chieám 60% ñieåm ñaùnh giaù
11/ Thang ñieåm:
- Gioûi: 9 -10ñ
- Khaù: 7-8ñ
- Trung bình: 5-6ñ
- Keùm:< 5ñ
12/ Noäi dung moân hoïc:
Chöông 1. Cô sôû nhieät hoùa hoïc (8 tiết)
1.1 Giới thiệu về nhiệt-hóa
1.2 Toác ñoä phaûn öùng hoaù hoïc.
1.3 AÛnh höôûng cuûa noàng ñoä ñeán toác ñoä phaûn öùng hoaù hoïc
1.4 AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä ñeán toác ñoä phaûn öùng hoaù hoïc
1.5 AÛnh höôûng cuûa aùp suaát ñeán toác ñoä phaûn öùng hoaù hoïc
1.6 Phaûn öùng daây chuyeàn
1.7 Caân baèng hoaù hoïc
1.8 Enthalpy taïo chaát
1.9 Enthalpy phaûn öùng hoaù hoïc
1.10 Enthalpy phaûn öùng chaùy
1.11 Ñònh luaät Lavoisier veà nhieät phaûn öùng
1.12 Ñònh luaät Hess veà toång nhieät naêng caùc böôùc phaûn öùng
1.13 Nhiên liệu
Chöông 2. Vaät lyù quaù trình chaùy (6 tiết)
2.1 Ñònh luaät Newton veà ñoä nhôùt
2.2 Ñònh luaät Fick veà khueách taùn
2.3 Khaùi nieäm veà lôùp bieân
2.4 Truyeàn nhieät qua lôùp bieân
2.5 Caùc ñònh luaät baûo toaøn
Chöông 3. Chaùy nhieân lieäu khí (8 tiết)
3.1 Phaân loaïi ngoïn löûa
3.2 Moài löûa vaø löûa moài
3.3 Giôùi haïn noàng ñoä baét löûa; maët nguoäi
3.4 Söï lan truyeàn ngoïn löûa
3.4 Oån ñònh ngoïn löûa
3.5 Tính löôïng khoâng khí lyù thuyeát vaø löôïng khoùi
3.6 Caùc boä ñoát gas
Chöông 4: Chaùy nhieân lieäu loûng (4 tiết)
4.1 Ñaëc ñieåm chaùy nhieân lieäu loûng
4.2. Nhieät ñoä chôùp chaùy vaø nhieät ñoä baét löûa
4.3 Chaùy gioït nhieân lieäu loûng
4.4 Bieán buïi daàu
4.3 Caùc voøi ñoát daàu coâng nghieäp
Chöông 5. Chaùy nhieân lieäu raén (4 tiết)
5.1 Giôùi thieäu chung
5.2 Tính chaát nhieân lieäu raén
5.3 Tính toaùn löôïng khoâng khí lyù thuyeát vaø khoùi
5.4 Nghieàn than
5.5 Caùc buoàng ñoát than
Chöông 1. CÔ SÔÛ NHIEÄT ÑOÄNG HOÙA HOÏC
1.1 Giới thiệu về nhiệt hoá (thermochemistry)
Nhiệt động của hỗn hợp khí không phản ứng
Hỗn hợp các chất khí không phản ứng hoá học với nhau (hỗn hợp cơ học tức là trộn lẫn thuần tuý,
ví dụ không khí quanh ta) tuân theo định luật Gibbs-Dalton như sau:
a. Áp suất của hỗn hợp bằng tổng áp suất riêng phần của từng chất khí thành phần nếu như
chỉ mình khí đó chiếm nguyên thể tích hỗn hợp ở cùng nhiệt độ. Áp suất riêng còn gọi là phân áp
suất.
b. Nội năng, enthalpy, entropy của hỗn hợp sẽ tương ứng với tổng của nội năng, enthalpy,
entropy của các khí thành phần nếu như chỉ mình khí đó chiếm nguyên thể tích hỗn hợp ở cùng
nhiệt độ.
Giả sử ta có a,b,c…i loại chất khí lý tưởng trộn cơ học với nhau, số kmol tương ứng là na, nb…ni.
Hỗn hợp này ở áp suất p, nhiệt độ T và chiếm thể tích V. Hỗn hợp tuân theo phương trình khí lý
tưởng: pV=nRT trong đó n là số kmol của hỗn hợp.
n = na + nb + … ni
do ñoù p = (na + nb + … ni)RT/V = naRT/V + nbRT/V + … niRT/V (1)
töùc laø ñoái vôùi khí thaønh phaàn j baát kyø thì phaân aùp suaát cuûa noù pj = njRT/V (là áp suất mà giá
như chỉ có 1 mình khí j chiếm trọn thể tích của hỗn hợp V ở cùng nhiệt độ T)
Áp suất chung của hỗn hợp là
p = pa + pb + … + pi
Thaønh phaàn mol cuûa töøng khí laø Xj = nj/n, suy ra Xa + Xb + … Xi = 1
Nhieät ñoä laø chung: T = Ta = Tb = … = Ti
Theå tích thaønh phaàn là nhö nhau: V = Va = Vb = … = Vi (mọi khí đếu khuyếch tán đều khắp thể
tích chung V, không quan trọng có bao nhiêu loại khí trong hỗn hợp). Thể tích riêng phần hay
phân thể tích là khái niệm khác. Đó là thể tích chất khí thứ i chiếm riêng nó khi ở áp suất và nhiệt
độ như của hỗn hợp.
Hỗn hợp cơ học của các khí lý tưởng có các tính chất của khí lý tưởng, tuân theo phương trình vạn
năng (phổ biến) ở dạng (1). Các tính chất nhiệt học cụ thể (nhiệt dung riêng, khối lượng riêng ...)
của hỗn hợp phụ thuộc vào các khí thành phần, theo tỷ lệ mol.
Chuùng ta chæ ño ñöôïc caùc khí thaønh phaàn khi chöa coù phaûn öùng hay trong caùc traïng thaùi caân
baèng. Luùc phaûn öùng hoaù hoïc ñang xaåy ra thì coù söï chuyeån hoaù lieân tuïc töø chaát naøy sang chaát
kia. Đo các giá trị tức thời là rất khó. Ta thường dùng caùc kieán thöùc neâu treân laøm cô sôû ñeå suy
dieãn.
Nhiệt hoá học nghiên cứu về năng lượng xuất hiện khi xẩy ra phản ứng hoá học và gắn liền với
phản ứng đó. Đốt tờ giấy là một loại phản ứng hoá học. Nó phát ra nhiệt. Ta cũng đoán được rằng
đốt hai tờ giấy như nhau thì nhiệt lượng giải phóng ra 2 lần nhiều hơn nhiệt khi đốt 1 tờ. Có những
phản ứng khác thì tiêu hao nhiệt , khác hẳn với phản ứng cháy vừa nói. Năng lượng của phản ứng
do vậy mà có thể mang các dấu khác nhau. Chi tiết ta sẽ nói ở dưới.
1.2 Toác ñoä phaûn öùng hoaù hoïc (Chemical reaction rate)
Toác ñoä phaûn öùng hoaù học bieåu thò söï thay ñoåi noàng ñoä vaät chaát tham gia phaûn öùng (hay saûn
phaåm) trong 1 đơn vị thôøi gian.
Ví duï vôùi phản ứng ñôn giaûn A + B → E + F
Toác ñoä phản ứng töùc thôøi ñöôïc định nghĩa và bieåu thò (C có gốc từ concentration):
v = - dCA/dτ = - dCB/dτ = dCE/dτ = dCF/dτ mol/(cm3.s) (2)
tức là tốc độ tiêu hao các chất tham gia ban đầu hay là tốc độ xuất hiện các chất sản phẩm.
Tuy nhieân, ñoái vôùi phaûn öùng thuaän, tieán trình phaûn öùng chæ phuï thuoäc vaøo caùc chaát tham gia
phaûn öùng, nhöng toác ñoä phaûn öùng vaãn ño nhö treân.
Trường hợp phản ứng có dạng chung hơn:
aA + bB → pP + qQ
Các hệ số a, b, p, và q là các hệ số cân bằng phương trình.
Tốc độ phản ứng này ở áp suất không đổi được định nghĩa theo công thức:
(để ý cách viết thể hiện nồng độ)
Phản ứng rỉ/sét (tốc độ chậm)
Phản ứng cháy (tốc độ nhanh)
Giá trị của tốc độ các phản ứng chỉ đo được qua thực nghiệm.
1.3 AÛnh höôûng cuûa noàng ñoä ñeán toác ñoä phaûn öùng hoá học
Toác ñoä phản ứng bò aûnh höôûng bôûi nhieàu yeáu toá, trước hết là vào bản chất của phản ứng.
Khi phản ứng là của các chất đã biết, thuộc loại đã biết thì tốc độ phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ,
áp suất, cấu hình và chất lượng bề mặt lò phản ứng, và các chất xúc tác.
Ñònh luaät khoái löôïng taùc duïng
Đôn giaûn trong phản ứng
aA + bB → eE + fF toác ñoä phuï thuoäc vaøo noàng ñoä caùc chaát phản ứng, thoâng thöôøng theo
quan heä (C có gốc từ concentration, hoặc viết khác nhưng cũng có nghĩa là nồng độ)):
v = k CpACqB hay v = k [A]p[B]q (3)
Söï phuï thuoäc naøy noùi chung laø phi tuyeán, tuy nhiên có những trường hợp p=q=0 hay p=q=1.
Hệ số k goïi laø heä soá toác ñoä phaûn öùng, k laø haèng soá neáu nhieät ñoä khoâng ñoåi, noù coù 1 giaù trò ôû
moãi 1 nhieät ñoä T=const.
Baäc phaûn öùng
Trong phương trình (3) các giá trị p và q gọi là bậc phản ứng đối với chất A và B; p, q có thể
tương ứng bằng a, b nhưng không nhất thiết phải bằng. Toång caùc soá muõ cuûa caùc noàng ñoä goïi laø
baäc phản ứng chung n = p + q + …
Bậc phản ứng có thể bằng không (zêrô) tức là tốc độ phản ứng không phụ thuộc vào nồng độ
(lượng) chất tham gia, chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Baäc phaûn öùng vaø heä soá toác ñoä phaûn öùng ñeàu phaûi xaùc ñònh qua thöïc nghieäm. Không có phương
pháp xác định giá trị của chúng bằng lý thuyết.
Baäc phaûn öùng chung thöôøng laø leû thaäp phaân, caùc phản ứng chaùy coù baäc trong khoaûng 1,7 – 2,2
Phaûn öùng baäc 0 (zêrô):
v = k0
-dC/ dτ = k0 → C = C0 - k0τ → thôøi gian ñeå tieâu hao heát 1/2 noàng ñoä (baùn kyø suy giaûm)
C0/C = 0,5 là
τ1/2 = C0/(2k0)
Ví dụ :
Phaûn öùng baäc 1:
v = - dC/dτ = k1C
k1 laø heä soá phản ứng coù thöù nguyeân 1/s. Tích phaân vôùi ñieàu kieän ban ñaàu C = C0 taïi τ = 0 ta
ñöôïc
ln(C0/C) = k1τ (4)
lnC = lnC0 – k1τ, (5)
ñaây laø 1 ptrình tuyeán tính, duøng ñeå xaùc ñònh k1 qua thöïc nghieäm. Qua 2 laàn ño: C1 taïi thôøi ñieåm
τ1 vaø C2 taïi τ2 ta tính ñöôïc k1 = (lnC1 - lnC2)/(τ2 – τ1)
töø (4) → C = C0 exp(-k1τ) (6)
thôøi gian ñeå tieâu hao heát 1/2 noàng ñoä (baùn kyø suy giaûm) C0/C = ½ là
τ1/2 = ln(2)/k1 = 0,693/k1
Ví dụ phản ứng bậc một:
Phaûn öùng baäc 2:
v = - dC/dτ = k2C2 (7)
Tích phaân vôùi ñieàu kieän ban ñaàu C = C0 taïi τ = 0 ta ñöôïc
1/C – 1/C0 = k2τ (8)
(8) laø phöông trình tuyeán tính, töø ñoù k2 = (1/τ)(1/C – 1/C0) (9)
vaø τ1/2 = 1/(k2C0) (10)
Ví dụ phản ứng bậc hai :