К. т. н. Скачков В. А., Иванов В. И., к. п. н. Мосейко Ю. В., Карпенко А. В.

Запорожская государственная инженерная академия , Украина

Низкотемпературное УПЛОТНЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ пироуглеродОМ ПРИ РАЗЛОЖЕНИИ ПРОПАНА

Заполнение пористой структуры карбонизованных материалов пироуглеродом обеспечивает повышение их плотности и прочности, а также увеличение теплоемкости и термостойкости.

Изотермический процесс уплотнения пористых углеродных композитов в среде природного газа при температурах 900…1300 ° С в проточном термохимическом реакторе характеризуется достаточно высокой стоимостью. Решение проблемы конкурентоспособности данных композитов предполагает снижение энергозатрат , обусловленных понижением температуры при реализации про цесса. Поэтому использование пропана в качестве реакционного газа позволит значительно снизить температуру пироуплотнения композитов.

Рассматривают прямолинейную пору, расположенную перпендикулярно к поверхности композита с эффективным радиусом r . Кинетическую модель, описывающую процесс диффузионного переноса пропана по длине поры и разложение его на нагретых поверхностях с осаждением твердого осадка – пироуглерода , представляют как:

, (1)

где r – радиус поры; D – коэффициент диффузии для пропана; С – концентрация пропана; – координата по длине поры; k – константа скорости образования пироуглерода , , k ₀ – предэкспоненциальный множитель; Е – энергия активации; Т – температура процесса пироуплотнения ; f ( С ) – концентрационная функция; R – универсальная газовая постоянная.

Граничные условия для уравнения (1) задаются в виде:

; (2)

, (3)

где С ₀ – концентрация реакционного газа у поверхности композита; h – толщина уплотняемого композита.

Первое условие показывает соответствие концентрации реакционного газа в устье поры и в потоке данного газа из объема реактора на стенку пористого углеродного композита, второе условие – симметрию процесса уплотнения.

Решение уравнения (1) с учетом граничных условий (2) и (3) имеет вид:

, (4)

Процесс осаждения пироуглерода в порах композита сопровождается двумя конкурирующими процессами: первый определяется скоростью диффузии реакционного газа в пористую структуру, второй – скоростью его разложения на нагретой поверхности поры с образованием пироуглерода . Оба процесса в значительной степени зависят от температуры, а второй процесс – и от концентрации реакционного газа.

Скорость осаждения пироуглерода определяется соотношением

(5)

Интерес представляет зависимость скорости осаждения пироуглерода от температуры в центре стенки углеродного композита ( = 0,5 h ).

Для этого необходимо определить коэффициент диффузии в виде функции, зависящей от температуры:

, (6)

где D ₀ – коэффициент диффузии при температуре Т ₀ .

Исследования процесса уплотнения пористых композитов пироуглеродом , получаемым при разложении пропана, выполняли на специально разработанной установке. В качестве экспериментального материала использовали карбонизованный углепластик с порами от 0,1 до 100 мкм. Распределение пористости задавали двойным Гамма-распределением

, (7)

где a _i , b _i – параметры распределения.

Соотношения параметров распределения a _i и b _i устанавливали согласно требованию:

. (8)

Образцы карбонизованного углепластика имели толщину 9,8 мм и кажущуюся плотность d _к = 1,08 ± 0,01 г/см ³ . Пироуплотнение исследуемых образцов в реакторе осуществляли при давлении реакционного газа-пропана (101,6 ± 10) кПа и его расходе (0,08 ± 0,20) × 10 ^-5 м ³ / c . Относительную массовую скорость осаждения пироуглерода представляли формулой:

, (9)

где a = ( D m / m _i ) × 100%; t – длительность процесса; D m – увеличение массы образца за счет осаждения пироуглерода ; m _i – начальная масса образца.

В соответствии с результатами проведенных исследований приемлемыми параметрами для процесса пироуплотнения углеродных композитов пропаном являются: температура 630 ° C, давление 101,6 кПа и расход данного газа 0,1 × 10 ^-5 м ³ / с .

Расчетно-экспериментальным методом определены основные температурно-временные параметры уплотнения углеродных композитов с мелкопористой структурой. Полученные решения могут быть использованы для промышленной реализации технологии низкотемпературного уплотнения углеродных материалов.