WEB-ресурс научно-практических конференций

ОЦІНКА ТЕХНОЛОГІЧНИХ СХЕМ ПІРОУЩІЛЬНЕННЯ КАРБОНІЗОВАНИХ ЗАГОТОВОК

К.т.н . Скачков В.О., Іванов В.І., к.т.н . Нестеренко Т.М., Печеннікова В.М., Болюк С.В., Моісейко Ю.В.

Запорізька державна інженерна академія

Характерною особливістю завершальної стадії одержання вуглець-вуглецевих композитів із значною щільністю є заповнення пористої структури карбонізованих заготовок піровуглецем, що осідає з газової фази під час піролізу початкового вуглеводню.

Процес ущільнення реалізується в термохімічних реакторах проточного типу. Внаслідок проходження гомогенних процесів розкладання метану створюється комплекс межових вуглеводнів, та таких, що не є не межовими, а також ряд радикалів [1-3]. Продукти гомогенних реакцій і початковий вуглеводень дифундують до пористої структури заготовки та, розкладаючись на нагрітих стінках пір, утворюють твердий залишок - піровуглець .

Реалізацію процесів ущільнення пористих карбонізованих заготовок здійснюють різними технологічними схемами. Для аналізу таких схем складали та розглядали модельну задачу.

Пористу структуру вуглець-вуглецевих композитів уявляли гладкою, енергетично однорідною поверхнею з прямолінійною циліндровою порою ефективним радіусом r, що розташовується перпендикулярно до поверхні композитів.

Припускаючи постійність концентрації та швидкості течії реагуючих вуглеводнів в поперечному перерізі пори, а також відсутність гомогенних процесів в її обсязі, рівняння руху i-того вуглеводню по довжині пори у загальному вигляді записують як

 , (1)

де C _i - концентрація i - го вуглеводню; W _i - швидкість конвективної течії i - го вуглеводню по довжині пори; D _i - коефіцієнт дифузії i- го вуглеводню; k _i - константа швидкості створення піровуглецю з i- го вуглеводню; t ,   - відповідно час і координата по довжині пори.

Рівняння (1) припускає перенесення i- го вуглеводню по довжині пори за рахунок дифузії та вимушеної конвекції з урахуванням розкладання вуглеводню на поверхні пори та осадження піровуглецю.

Стаціонарний процес ізотерми без вимушеної конвекції реалізується в реакторі із зовнішнім нагріванням і рівномірним розподілом температури по товщині стінки карбонізованої заготовки.

Для вказаних умов рівняння (1) приймає вигляд

  .                                               (2)

Межові умови запишуться

  ;                                                   (3)

  .                                                     (4)

Стаціонарний процес ізотерми з вимушеною конвекцією характеризується наявністю вимушеного потоку реагуючих вуглеводнів з постійною швидкістю W _i .

Тоді рівняння (1) можна записати як

  .                                      (5)

Під час реалізації стаціонарного процесу термоградієнта температура збільшувалася від гирла пори по її довжині. Доступною для реакційного газу є поверхня з меншою температурою. В такому разі реакційний газ прямує до пори, як із швидкістю дифузії, що збільшується, так і зростаючою швидкістю розкладання на поверхні пори.

Змінювання температури по довжині пори має вигляд

  ,                                               (6)

де Т _н - температура в гирлі пори; ;   d - довжина пори; Т _В - температура на довжині пори d .

Коефіцієнт дифузії залежить від температури, тоді можна записати

  ,                                                (7)

де     - температура у точці пори з координатою ;     - коефіцієнт дифузії за температури Т _н .

Підставляючи співвідношення (6) до рівняння (7), одержують

  .                                              (8)

Враховуючи умови стаціонарності, а також залежності (6) та (8), можна записати:

  ,                             (9)

де   q = 1,5 ; .

Межові умови для рівняння (9) можна подати як

  ;                                                (10)

  .                                                (11)

Знак «рівність» за умови (11) відповідає жорсткому режиму термоградієнта, коли швидкість хімічного процесу піролізу вуглеводню перевищує швидкість дифузії; знак « нерівність » відповідає м’якому режиму, коли швидкість дифузії перевищує швидкість піролізу вуглеводню.

Для стаціонарного процесу термоградієнта з вимушеною конвекцією рівняння (1) з урахуванням умов (5)-(7) можна записати

          (12)

Нестаціонарний процес з пульсуючим тиском за умови ізотерми характеризується рівномірним розподілом температури по товщині стінки заготівки, що ущільнюють, але початковий реакційний газ подається за пульсуючим режимом.

Для таких умов рівняння (1) матиме вигляд

  ,                                             (13)

де   t - тривалість процесу.

Межові умови для рівняння (13) можна подати як

;                                        (14)

  ,                                               (15)

де     - кругова частота;   - амплітуда пульсацій; Т - період коливань.

Для нестаціонарного процесу з пульсуючим тиском за умови термоградієнта рівняння (1) з урахуванням співвідношень (6) і (8) має вигляд:

                        (16)

Нестаціонарний процес з пульсуючим тиском за умови термоградієнта з вимушеною конвекцією записують рівнянням

      (17)

Межові умови для процесів, що описуються рівнянням (16) і (17), відповідають співвідношенням (14) і (15).

Як свідчить аналіз різних схем заповнення піровуглецем пористої структури карбонізованої заготовки:

  - використання схем з пульсуючим тиском не супроводжується зниженням тривалості ущільнення та збільшенням обсягу відкладеного піровуглецю;

  - за умов ізотерми примусова подача реакційного газу до пористої структури із швидкістю W збільшує кількість піровуглецю, відкладеного в обсязі заготовки, проте ефективність процесу обмежується моментом заростання гирла пор;

  - за умов термоградієнта примусова подача реакційного газу із швидкістю W збільшує швидкість осадження піровуглецю по довжині пори та обумовлює зниження тривалості процесу ущільнення;

  - під час ущільнення тонкостінних заготовок з відкритим доступом реакційного газу до обох поверхонь процес ізотерми практично відповідає процесу термоградієнта, під час ущільненні товстостінних виробів переважнішим є процес термоградієнта .

Список використаних джерел:

1. Макаров К.И., Печик В.К. Исследование кинетики термохимического превращения метана. Гетерогенные реакции // Кинетика и катализ. - 1975. - Т. XVI. - Вып.6. - С.1484-1490.

2. Макаров К.И., Печик В.К. Исследование кинетики термохимического превращения метана. Гомогенно-гетерогенная реакция // Кинетика и катализ. - 1975. - Т. XVI. - Вып.6. - С.1491-1500.

3. Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. - М.: Химия, 1972. - 136 с .