燃料燃烧中氢提取反应动力学的理论研究

作     者：郭轩 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张欣

授予年度：2020年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：燃料燃烧 氢提取反应 宽温度范围 速率常数 分支比 

摘      要：如何实现高效、清洁的燃料燃烧过程一直是能源转化领域亟待解决的关键问题。量子化学方法为微观燃烧反应的研究提供了一条有效途径。本论文选取了燃料中三个重要组分开展了系统的燃烧反应动力学计算研究,具体研究内容如下:（1）丙醇与OH自由基氢提取反应的动力学研究:使用竞争规范统一统计（CCUS）模型和多结构扭转变分过渡态理论结合小曲率隧穿近似（MS-CVT/SCT）,计算了在63-2000K的宽温度范围内正丙醇和异丙醇与OH自由基发生氢提取反应的速率常数和分支比。结果表明,在高压和低压极限下,极低温时反应速率常数表现出显著的负温度依赖性。造成这种现象的原因包括隧穿、过渡态的高频振动非谐性及负的正反应能垒。进而,我们观察到在正丙醇T～400K或异丙醇T200K时速率常数与压力相关。具有较低势垒的Hα位氢提取过程并非在反应中总占主导地位。虽然异丙醇的Ht位具有较高的势垒,但在1000K以上占主导地位。在极低温度和高压极限下,由于隧穿效应的影响,正丙醇的Hβ位和异丙醇的HO位在反应中占主导地位。（2）环戊烷在宽温度范围内的氢提取反应动力学研究:选择大气中最常见的七个自由基（氢自由基（H）,羟基自由基（OH）,过氧化氢自由基（OOH）,甲基自由基（CH3）,乙基自由基（CH3CH2）,甲氧基自由基（CH3O））和甲酰基自由基（CHO）)研究了环戊烷的氢提取反应。我们使用MS-CVT/SCT理论计算了它们在150-3000K的宽温度范围及高压和低压极限下的速率常数。结果表明,乙基自由基氢提取反应的过渡态表现出最大的扭转非简谐效应。室温下,环戊烷和七个自由基的速率常数为kOHkHkCH3OkCH3kCH3CH2kOOHkCHO,其中OH自由基氢提取反应的速率常数远大于其他自由基。（3）邻二甲苯与OH自由基的燃烧反应动力学研究:使用SS-QRRK 和 MS-CVT/SCT 方法在 220-3000 K、1 Torr-500 atm 以及高压极限下对邻二甲苯与OH自由基的氢提取反应、加成反应和解离反应的反应势能面和速率常数进行了研究,并将结果与甲苯进行了对比。结果表明,加成反应的衰减效应引起了速率常数的负温度依赖性,并且衰减效应随温度升高而增加。在不同压力下,温度依赖效应的转变点在380到500K之间。邻二甲苯比甲苯对压力的依赖性更强,在中低温区域和较低压力下的速率常数低于甲苯。