Kinetika spalovacích reakcí

HTML
DOWNLOAD

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Kinetika spalovacích reakcí"

Ilona Bláhová
před 6 lety
Počet zobrazení:

1 Knetka spalovacích reakcí

2 Základy knetky spalování - nauka o průběhu spalovacích reakcí a závslost rychlost reakcí na různých faktorech Hlavní faktory: - koncentrace reagujících látek - teplota - tlak -přítomnost katalyzátorů Knetka spalování

3 Pro přpomenutí: Statka spalování je nauka zabývající kvanttatvní stránkou spalovacích reakcí, bez ohledu na dobu jejího trvání a její průběh. Knetka spalování

4 o ovlvňuje knetka spalování? - Intenztu technologckého děje - Velkost zařízení - Produkc za časovou jednotku apod. Knetka spalování

5 o vlastně je rychlost reakce??? Knetka spalování

6 o vlastně je rychlost reakce??? Rychlostí reakce se rozumí rychlost změny koncentrace reagentů nebo produktů chemcké reakce. Koncentrace produktů s časem roste, koncentrace reagentů s časem pochoptelně klesá. Koncentrace může být vyjádřena několka způsoby: -počtem molů v jednotce objemu... - molovým zlomkem. n γ [] 1 Vn - objemovou koncentrací - parcálním tlakem.. p p - hmotnostní koncentrací Knetka spalování [ Pa] n V V V m V 3 [ kmol. m ] [] 1 3 [ kg. m ]

7 Podmínkou chemckých reakcí jsou srážky molekul. Srážky musejí mít takovou energ energe srážek, aby se elektrony jednotlvých atomů dostaly do vzájemného působení a došlo tak ke vznku nových molekul. Ne každá srážka skončí reakcí. Čím větší je koncentrace reagentů, tím je větší pravděpodobnost srážek molekul, a tedy reakce. Knetka spalování

8 Představme s reakc mez látkam a B př vznku látek a D. V níže uvedené rovnc jsou α, β, χ, δ jsou počty molů vstupujících do reakce. Z předchozí úvahy vyplývá, že rychlost reakce je úměrná koncentracím složek reagentů. Koncentrace jsou však umocněny hodnotou počtu molů. (α+βη řád reakce) Kde k je konstanta rychlost reakce. Z prvotní úvahy o rychlost reakce : -střední rychlost reakce - okamžtá rychlost reakce α. + β.b χ. + δ.d Záporné znaménko představuje úbytek koncentrace reagentu, rovnce nemají udán rozměr, záleží na použté koncentrac. Knetka spalování w w w R R R α β k.. B τ d dτ 0 0 τ 1 1

hemcká rovnováha Představme s uzavřenou soustavu s látkam a B, které jsou však odděleny stěnou, takže spolu nereagují. Po odstranění stěny, dojde k reakc R1 a koncentrace reagujících složek klesá.

9 hemcká rovnováha Představme s uzavřenou soustavu s látkam a B, které jsou však odděleny stěnou, takže spolu nereagují. Po odstranění stěny, dojde k reakc R1 a koncentrace reagujících složek klesá. Narůstá koncentrace produktů a D, které spolu také reagují R2, a vytvářejí původní látky a B. Po čase dojde k ustálení, kdy se rychlost obou reakcí vyrovnají. Tento stav je nazýván jako rovnovážný (R). α. + β.b χ. + δ.d Knetka spalování

10 Rychlost přímé reakce: Rychlost opačné reakce: w w R1 R2 α β k1.. B χ δ k2.. D Tato reakce je tzv. zvratná, může probíhat oběma směry, ale exstují reakce nezvratné, které probíhají pouze jedním směrem. V rovnovážném stavu (ndex R) se tedy rychlost obou reakcí vyrovnají a platí: k w RR1 w RR2 α β χ δ 1. R. BR k2. R. DR Z této rovnce můžeme dostat rovnc chemcké rovnováhy, kde K je konstanta chemcké rovnováhy. K k k 1 2 χ R α R.. Knetka spalování δ DR β BR K je závslé na teplotě, př konstantní teplotě je konstantní.

11 Konstanty chemcké rovnováhy vyjádřené pomocí různých koncentrací se nerovnají. K K γ K p Velkost rovnovážné konstanty ovlvňuje tlak a teplota, př kterých reakce probíhá. Závslost na teplotě udává Van t Hoffova rovnce. d ln K d T K e Q R T Q R T 2 [ 1 ] Q reakční teplo [kj.kmol -1 ] R unverzální pl.konstanta [kj.kmol -1.K -1 ] T termodynamcká teplota [K] Pro endotermcké reakce Q<0 platí: s rostoucí teplotou roste hodnota K. Pro exotermcké reakce Q>0 platí: s rostoucí teplotou klesá hodnota K. Knetka spalování

12 Spalování je exotermcká reakce, a př vyšších teplotách se začínají projevovat opačné reakce, klesá hodnota K P, jelkož roste hodnota k 2. Reakce log K P 500 K 1000 K 1500 K 2000 K + O 2 O 2 41,04 20,42 13,55 10,11 2O + O 2 2O 2 50,02 20,16 10,28 5,38 + O 2 2O -8,98 0,26 3,27 4,74 + 2H 2 H 4 3,31-0,98-2,35-2,92 Vysoké hodnoty K znamenají, že reakce př dané teplotě probíhají převážně a reakce opačné se téměř nevyskytují. Nízké hodnoty K znamenají, že př dané teplotě probíhá reakce spíše opačně. Knetka spalování

13 Knetka spalování Na rovnovážnou konstantu má vlv tlak, jeho vlv je však třeba řešt pro každou reakc zvlášť. Pro vysvětlení několk rovnc. V n n n V n V n γ T R p T R n V p γ χ+δ α β γ χ+δ α β β α δ χ β α δ χ γ γ γ γ p T R K K T R p.... K B D B D Koncentrace v kmol/m 3 : Pak rovnovážná konstanta: Stavová rovnce: Po dosazení za Kγ a za α, β, χ a δ můžeme vyjádřt K pro určtou rovnc. Místo molárních zlomků můžeme dosazovat objemové koncentrace, jelkož se díky vogadrovu zákonu obě hodnoty číselně rovnají. Můžeme vyjádřt závslost koncentrace některé složky na tlaku.

14 Dsocace produktů hoření Dsocační reakce jsou reakce rozkladu produktů hoření, především O 2 a H 2 O. Tyto reakce jsou endotermcké a odebírají teplo spalnám, projevují se až od teplot O + 2 2O + O2 2H 2O 2H 2 O2 Konstanta dsocace je obrácenou hodnotou rovnovážné konstanty přímé reakce. Množství dsocované látky udává stupeň dsocace α [1]. K DIS 1 K [1] Dsocační teplo: Q DIS O 2 α O 2 Q O + H Oα 2 H 2 O Q H 2 [ MJ m 3 ] Stupeň dsocace O 2 t α O2 % 0, Knetka spalování

15 Rychlost chemckých reakcí Jak jž bylo řečeno v úvodu, ne každá srážka molekul skončí reakcí. Pokud by došlo ke srážce a k reakc všech molekul, byla by rychlost maxmální. Maxmální hodnotu by také měla konstanta rychlost reakce k 0. w Rmax α β k0.. B Molekuly musejí mít dostatečnou energ, aby byly schopny překonat slové vazby mez sebou. Molekuly je třeba aktvovat energí z vnějšku, tzv. aktvační energí E [kj/kmol]. Po reakc se molekula dostává do nžší energetcké hladny, stává se tak stablnější. Knetka spalování

16 Podíl aktvovaných molekul je dán vztahem: a n e E RT Jestl je rychlost bmolekulární reakce: Pak s použtím vztahu nahoře: a je podíl aktvovaných molekul [kmol/m 3 ] kde n je celkový počet molekul [kmol/m 3 ] Pokud jsou všechny molekuly aktvovány, a n : w Rmax k a k ab 0 e a ΣE RT ab k 0 w w R R k a n d dτ k ab nb a k ab e n E + E RT nb B Knetka spalování

17 Úpravou předchozí rovnce dostaneme vztah, známý jako rrhenův zákon, který popsuje závslost konstanty rychlost reakce na teplotě. k k 0 e ΣE RT V předchozí rovnc jsou k 0 a E [kj.kmol -1 ], tzv. knetcké konstanty. Křvka je exponencální a má nflexní bod v oblast teplot př spalování nedosažtelných. Vlv tlaku na rychlost reakce lze znázornt pomocí koncentrace vyjádřené počtem molů v objemové jednotce a pomocí předcházejících vzorců. γ p RT [kmol.m 3 ] Pro jednomolekulární reakc B+ je rychlost reakce: d p 3 k k [kmol.m.s 1 γ ] dt RT Knetka spalování

18 Pro bmolekulární reakc +B +D je rychlost reakce: d p 3 k k [kmol.m.s 1 B γ γ B dt RT 2 ] Tedy obecně pro reakc -tého řádu: d p dt Knetka spalování

19 Skutečný průběh spalovacích reakcí Spalovací reakce rozhodně neprobíhají dle stechometrckých rovnc. Stechometrcké rovnce vyjadřuj pouze kvanttatvní stránku reakce, reakce však neprobíhá najednou, ale několka dílčím (přechodovým) reakcem. Reakce vyšších řádů by podle uvedené teore probíhaly velce pomalu případně by vůbec proběhly. Proto se předpokládá, že reakce probíhají pomocí dílčích reakcí nízkého řádu. Příkladem může být hoření uhlíku, který hoří velm neochotně bez přítomnost vody. Jelkož se voda obvykle vyskytuje v palvu ve vzduchu, reakce probíhá a kvanttatvně j můžeme popsat stechometrckou rovncí: + O 2 O 2 Knetka spalování

20 Schéma hoření uhlíku Knetka spalování

21 Děkuj za pozornost. Knetka spalování

Podobné dokumenty

3 Základní modely reaktorů

3 Základní modely reaktorů Rovnce popsující chování reakční směs v reaktoru (v čase a prostoru) vycházejí z blančních rovnc pro hmotu, energ a hybnost. Blanc lze formulovat pro extenzvní velčnu B v obecném