基于CHEMKIN软件的生物柴油燃烧化学反应过程仿真研究
基于CHEMKIN软件的生物柴油燃烧化学反应过程仿真研究[20200409091957]
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关键字:HCCI；生物柴油；化学反应动力学模型；CHEMKIN
目录
一、绪论 7
1.1 选题背景及意义 7
1.2 国内外的研究现状 8
1.2.1 生物柴油的来源及理化性质特点 8
（1）化学生产法 8
（2）生物酶合成法 9
（3）“工程微藻”法 10
1.2.2生物柴油的燃烧特性 11
1.2.3 生物柴油的燃烧化学动力学仿真 13
1.3 本文的主要工作 15
二、CHEMKIN软件介绍与化学反应动力学模型 17
2.1 软件运行及计算原理 17
2.2 子模块介绍 17
2.3 生物柴油燃烧反应过程 18
2.3.1 低温反应阶段 19
2.3.2 负温度系数区 19
2.3.3 高温反应阶段 20
2.4 生物柴油燃烧模型的建立与验证 20
2.4.1 模型建立 20
2.4.2 模型验证 21
2.5 本章小结 22
三、生物柴油的燃烧化学反应过程仿真与分析 23
3.1 计算边界条件 23
3.2 燃烧中间产物分析 24
3.2.1 氮气（N2） 24
3.2.2 氧气（O2） 24
3.2.3 甲醛（CH2O） 25
3.3 燃烧过程分析 26
3.4 燃烧污染物分析 28
3.4.1 碳氢化合物 28
3.4.2 一氧化碳（CO） 29
3.4.3 氮氧化物（NOX） 30
3.5 本章小结 31
四、结语 32
参考文献 34
致谢 35
一、绪论
1.1 选题背景及意义
自十九世纪以来，受三次科技革命的影响，全社会的生产力不断进步。我们的衣，食，住，行正在发生巨大变化，全体人民生活水平与以前相比不断提高。但是由于人类生活方式却并没有随着科学技术的发展有太大进步，在有些方面与科技的发展存在着一定的差异，这就为人类的生产与生活带来了一系列的环境问题。这些环境问题主要包括：全球变暖、大气污染、水污染以及固体废弃物污染等。由于我们的生活是以矿物能源为主，主要是石油等。随着开采的规模不断扩大石油等矿物资源不断枯竭。所以那些依靠矿物能源发展的传统行业就会面临这一系列的问题。我国的生产力发展水平比较低仍然以传统的生产方式为主，是传统能源消费大国，但是由于生产力发展水平不高，人口基数比较大。使得我们国家的人均资源占有量不到发达国家的20%，但是能源消耗总量及其废弃物排放却居世界前列。 中国能源消费的地方存在东部沿海地区，能源产地主要是在能源消费欠发达的西部地区， 能源运输的一系列问题的存在。随着中国改革开放和国民经济的不断深入的飞速发展，我们的资源，环境和发展过程中经济发展之间的矛盾不断加剧。因此，解决节能减排问题必须提上日程。节能减排既对我国的可持续发展有利，又将对减缓全球气候变暖作出突出贡献。解决能源供需矛盾已成为我国迫切需要解决的问题，尽快采取有效方式，节约能源，控制排放。
柴油是重要的动力燃料之一。由于柴油机自身的优点，所以在全球各地车辆的动力来源主要依靠柴油机，随着汽车行业的不断发展，柴油在未来的需求量也会不断增加。随着科技发展和人类环保意识的不断提高，也在一定程度上对柴油机的更替起到了推动作用。在上个世纪末期生物柴油不断得到推广使用，由于它的环保性比是有更好因此 受到了各国的关注。
我们必须面对一个现实的问题是，目前中国是世界上最大的发展中国家，随着改革开放，我们国家各方面的发展不断深入。由于我们国家的石油开采业起步比较晚，发展缓慢自上个世纪九十年代以来我国国内石油的消耗主要依靠进口，石油的进口数量也在随着我国经济的增长而不断增加，对外依存度较高。石油是重要的战略资源，如果单纯依靠进口将会对我国的国家安全构成威胁。因此，随着石油资源的不断短缺开发新能源，对我国未来的发展是十分重要的。
当前，世界各国都在开发新能源，目的是为了解决一旦石油开采完后，如何解决生产发展中所需的能源，目前各国开发的新能源主要以生物柴油等新型清洁能源为主为主。生物柴油是一种新能源，俗称燃料甲醇，是采用高科技在动物油和植物油中提取的新型燃料，科学界对生物柴油的定义是通过以不饱和油酸C18为主要组成部分的，通过对甘油脂进行分解获得高脂酸甲酯。生物柴油的性能和我们平常是用的0#柴油十分相近，生物柴油虽然是一种新能源，但是使用生物柴油时并不需要对原来的柴油机进行改造，现有的柴油机完全能够使用新能源生物柴油。在生物柴油燃烧过程中，燃烧主要有化学反应动力学控制。研究这种燃料燃烧的化学反应机理、燃烧特性一级影响因素是很有意义的。科学家们采用新的科技手段，在实验室里研究了新能源生物柴油在进行燃烧时的化学反应。通过分析得知，生物柴油的柴油分子是由碳连接构成的。通过研究得知，植物油分子的碳链接和柴油分子的碳链接的碳数是十分接近的。因此，生物柴油可以通过对植物油进行加工而获得。通过生物柴油的化学组成进行分析，我们可以知道，生物柴油是一种高级脂肪酸甲酯。
开展生物柴油的理化特性的研究，探究生物柴油的燃烧机理，考察生物柴油对供油系统的适用性, 探讨含氧燃料氧元素在燃烧过程的作用机理，迁移路径，分子结构特征对燃烧排放颗粒物的形响，具有重要学术价值。
1.2 国内外的研究现状
1.2.1 生物柴油的来源及理化性质特点
（1）化学生产法
化学方法是使用生物柴油和其他生物油与甲醇或乙醇，高级醇及其氢氧化钠或甲醇钠在酸性或碱性催化剂与高温下的催化剂，一般情况下温度要达到230 ?250℃的的情况下通过酯交换反应 来获得。但是，生物柴油的化学合成具有以下缺点：反应温度是比较高的，反应的复杂性相对较高;该反应的过量的甲醇中时，随后的过程中必须有适当的醇回收，处理变得复杂，高能耗; 原水和脂肪的游离脂肪酸会严重影响产品的质量，同时生产生物柴油，会产生很大的影响;由于产品在进行纯化的过程比较复杂， 酯化产物的回收利用难度比较大;反应难以去除的副产物，并使用大量的废酸催化剂，废碱（酸）很容易被排放到环境造成二次污染。
在进行生产时我们必须考虑生产成本的问题，生产成本包括很多方面，其中化学生产成本不可忽视的：原油在生产过程中通常被用作碱性催化剂的材料 ，例如我们生活中经常使用的菜籽油与大豆油，一般情况下占原料的总成本的75％。所以采取使用廉价的原材料的措施来降低成本，通过提高科技手段提高新能源的，那么所采取的这一系列的方法是否使用呢，这还要通过时间来证明。西方发达国家已经开始通过研究植物基因组成的办法来提高出油率，这种方法在有的国家已经得到推广。
（2）生物酶合成法
生物柴油的生产在西方发达国家已经从实验室走向了实际生产，实现了产业化的经营方式。目前，生产生物柴油大多采用生物酶合成法。但是使用化学的方法来生产生物柴油还不是很完美，这种生产方法还存在一系列的缺点，这一点我们必须正确看待，这些缺点主要有在化学反应过程中，如果使用的甲醇量过多，就有可能影响生物柴油的质量，而且还会影响他的得油率。反过来如果甲醇的使用量过少，就会达不到应有的效果。通过生物酶合成法来生产生物柴油具有许多方面的优点，包括醇用量相对于其他方式来说，用量比较少；生产出的生物柴油属于清洁能源无污染物排放；这种方法生产生物柴油所需要的条件并不苛刻，便于在实际中操作，因此这种方法不断的被人们所推广使用。另外，生物酶合成法还包括发酵法，人类也会通过发酵法来生产生物柴油，用发酵法生产的生物柴油游离脂酸与水对催化剂的影响可以忽略不计，等到反应结束后反应液在放置一段时间后，脂肪酸就可以自己分离。利用生物酶生产生物柴油的方法也存在着许多的不足之处，这些问题已经成为生产生物柴油所面临的主要方面的问题。
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关键字:HCCI；生物柴油；化学反应动力学模型；CHEMKIN
目录
一、绪论 7
1.1 选题背景及意义 7
1.2 国内外的研究现状 8
1.2.1 生物柴油的来源及理化性质特点 8
（1）化学生产法 8
（2）生物酶合成法 9
（3）“工程微藻”法 10
1.2.2生物柴油的燃烧特性 11
1.2.3 生物柴油的燃烧化学动力学仿真 13
1.3 本文的主要工作 15
二、CHEMKIN软件介绍与化学反应动力学模型 17
2.1 软件运行及计算原理 17
2.2 子模块介绍 17
2.3 生物柴油燃烧反应过程 18
2.3.1 低温反应阶段 19
2.3.2 负温度系数区 19
2.3.3 高温反应阶段 20
2.4 生物柴油燃烧模型的建立与验证 20
2.4.1 模型建立 20
2.4.2 模型验证 21
2.5 本章小结 22
三、生物柴油的燃烧化学反应过程仿真与分析 23
3.1 计算边界条件 23
3.2 燃烧中间产物分析 24
3.2.1 氮气（N2） 24
3.2.2 氧气（O2） 24
3.2.3 甲醛（CH2O） 25
3.3 燃烧过程分析 26
3.4 燃烧污染物分析 28
3.4.1 碳氢化合物 28
3.4.2 一氧化碳（CO） 29
3.4.3 氮氧化物（NOX） 30
3.5 本章小结 31
四、结语 32
参考文献 34
致谢 35
一、绪论
1.1 选题背景及意义
自十九世纪以来，受三次科技革命的影响，全社会的生产力不断进步。我们的衣，食，住，行正在发生巨大变化，全体人民生活水平与以前相比不断提高。但是由于人类生活方式却并没有随着科学技术的发展有太大进步，在有些方面与科技的发展存在着一定的差异，这就为人类的生产与生活带来了一系列的环境问题。这些环境问题主要包括：全球变暖、大气污染、水污染以及固体废弃物污染等。由于我们的生活是以矿物能源为主，主要是石油等。随着开采的规模不断扩大石油等矿物资源不断枯竭。所以那些依靠矿物能源发展的传统行业就会面临这一系列的问题。我国的生产力发展水平比较低仍然以传统的生产方式为主，是传统能源消费大国，但是由于生产力发展水平不高，人口基数比较大。使得我们国家的人均资源占有量不到发达国家的20%，但是能源消耗总量及其废弃物排放却居世界前列。 中国能源消费的地方存在东部沿海地区，能源产地主要是在能源消费欠发达的西部地区， 能源运输的一系列问题的存在。随着中国改革开放和国民经济的不断深入的飞速发展，我们的资源，环境和发展过程中经济发展之间的矛盾不断加剧。因此，解决节能减排问题必须提上日程。节能减排既对我国的可持续发展有利，又将对减缓全球气候变暖作出突出贡献。解决能源供需矛盾已成为我国迫切需要解决的问题，尽快采取有效方式，节约能源，控制排放。
柴油是重要的动力燃料之一。由于柴油机自身的优点，所以在全球各地车辆的动力来源主要依靠柴油机，随着汽车行业的不断发展，柴油在未来的需求量也会不断增加。随着科技发展和人类环保意识的不断提高，也在一定程度上对柴油机的更替起到了推动作用。在上个世纪末期生物柴油不断得到推广使用，由于它的环保性比是有更好因此 受到了各国的关注。
我们必须面对一个现实的问题是，目前中国是世界上最大的发展中国家，随着改革开放，我们国家各方面的发展不断深入。由于我们国家的石油开采业起步比较晚，发展缓慢自上个世纪九十年代以来我国国内石油的消耗主要依靠进口，石油的进口数量也在随着我国经济的增长而不断增加，对外依存度较高。石油是重要的战略资源，如果单纯依靠进口将会对我国的国家安全构成威胁。因此，随着石油资源的不断短缺开发新能源，对我国未来的发展是十分重要的。
当前，世界各国都在开发新能源，目的是为了解决一旦石油开采完后，如何解决生产发展中所需的能源，目前各国开发的新能源主要以生物柴油等新型清洁能源为主为主。生物柴油是一种新能源，俗称燃料甲醇，是采用高科技在动物油和植物油中提取的新型燃料，科学界对生物柴油的定义是通过以不饱和油酸C18为主要组成部分的，通过对甘油脂进行分解获得高脂酸甲酯。生物柴油的性能和我们平常是用的0#柴油十分相近，生物柴油虽然是一种新能源，但是使用生物柴油时并不需要对原来的柴油机进行改造，现有的柴油机完全能够使用新能源生物柴油。在生物柴油燃烧过程中，燃烧主要有化学反应动力学控制。研究这种燃料燃烧的化学反应机理、燃烧特性一级影响因素是很有意义的。科学家们采用新的科技手段，在实验室里研究了新能源生物柴油在进行燃烧时的化学反应。通过分析得知，生物柴油的柴油分子是由碳连接构成的。通过研究得知，植物油分子的碳链接和柴油分子的碳链接的碳数是十分接近的。因此，生物柴油可以通过对植物油进行加工而获得。通过生物柴油的化学组成进行分析，我们可以知道，生物柴油是一种高级脂肪酸甲酯。
开展生物柴油的理化特性的研究，探究生物柴油的燃烧机理，考察生物柴油对供油系统的适用性, 探讨含氧燃料氧元素在燃烧过程的作用机理，迁移路径，分子结构特征对燃烧排放颗粒物的形响，具有重要学术价值。
1.2 国内外的研究现状
1.2.1 生物柴油的来源及理化性质特点
（1）化学生产法
化学方法是使用生物柴油和其他生物油与甲醇或乙醇，高级醇及其氢氧化钠或甲醇钠在酸性或碱性催化剂与高温下的催化剂，一般情况下温度要达到230 ?250℃的的情况下通过酯交换反应 来获得。但是，生物柴油的化学合成具有以下缺点：反应温度是比较高的，反应的复杂性相对较高;该反应的过量的甲醇中时，随后的过程中必须有适当的醇回收，处理变得复杂，高能耗; 原水和脂肪的游离脂肪酸会严重影响产品的质量，同时生产生物柴油，会产生很大的影响;由于产品在进行纯化的过程比较复杂， 酯化产物的回收利用难度比较大;反应难以去除的副产物，并使用大量的废酸催化剂，废碱（酸）很容易被排放到环境造成二次污染。
在进行生产时我们必须考虑生产成本的问题，生产成本包括很多方面，其中化学生产成本不可忽视的：原油在生产过程中通常被用作碱性催化剂的材料 ，例如我们生活中经常使用的菜籽油与大豆油，一般情况下占原料的总成本的75％。所以采取使用廉价的原材料的措施来降低成本，通过提高科技手段提高新能源的，那么所采取的这一系列的方法是否使用呢，这还要通过时间来证明。西方发达国家已经开始通过研究植物基因组成的办法来提高出油率，这种方法在有的国家已经得到推广。
（2）生物酶合成法
生物柴油的生产在西方发达国家已经从实验室走向了实际生产，实现了产业化的经营方式。目前，生产生物柴油大多采用生物酶合成法。但是使用化学的方法来生产生物柴油还不是很完美，这种生产方法还存在一系列的缺点，这一点我们必须正确看待，这些缺点主要有在化学反应过程中，如果使用的甲醇量过多，就有可能影响生物柴油的质量，而且还会影响他的得油率。反过来如果甲醇的使用量过少，就会达不到应有的效果。通过生物酶合成法来生产生物柴油具有许多方面的优点，包括醇用量相对于其他方式来说，用量比较少；生产出的生物柴油属于清洁能源无污染物排放；这种方法生产生物柴油所需要的条件并不苛刻，便于在实际中操作，因此这种方法不断的被人们所推广使用。另外，生物酶合成法还包括发酵法，人类也会通过发酵法来生产生物柴油，用发酵法生产的生物柴油游离脂酸与水对催化剂的影响可以忽略不计，等到反应结束后反应液在放置一段时间后，脂肪酸就可以自己分离。利用生物酶生产生物柴油的方法也存在着许多的不足之处，这些问题已经成为生产生物柴油所面临的主要方面的问题。
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