Високотемпературні та гістерезисні режими тепломасообміну і кінетики хімічних реакцій твердих тіл з газами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

01.04.14 - теплофізика і молекулярна фізика

Високотемпературні та гістерезисні режими тепломасообміну і кінетики хімічних реакцій твердих тіл з газами

Пруднікова Юлія Володимирівна

Одеса

2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі теплофізики Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, Калінчак Валерій Володимирович, завідувач кафедрою теплофізики Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Флорко Олександр Володимирович, кафедра загальної фізики Одеського національного університету ім.І.І.Мечникова.

доктор фізико-математичних наук, професор Контуш Сергій Михайлович, завідувач кафедрою фізики Одеської державної академії холоду.

Провідна установа: Національний університет імені Тараса Шевченка Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 1 червня 2001 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.051.01 в Одеському національному університеті ім. І.І. Мечникова за адресою: 65026, м. Одеса, вул. Пастера, 27, Велика фізична аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова (м. Одеса, вул. Преображенська, 24).

Автореферат розіслано 28 квітня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат фізико-математичних наук, доцент О.П. Федчук.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Для розв'язку задачі високотемпературного тепломасообміну (ТМО) і кінетики гетерогенних і гетерогенно-каталітичних хімічних реакцій на поверхні твердих тіл необхідно використовувати комплексний підхід, який полягає в розгляданні стійких і критичних режимів, які визначаються геометричними розмірами тіла й відносною швидкістю руху газу. Це дозволяє вивчити роль різних механізмів у цих процесах, а також допомагає вирішувати коло екологічних проблем, пов'язаних із застосуванням в якості палива низькосортного вугілля в дисперсному вигляді, проводити дослідження по його більш ефективному спалюванню, зменшенню вживання й викидів шкідливих речовин в атмосферу. Для кількісного визначення шкідливих домішок у продуктах горіння, атмосфері рудників та інших газових сумішах використовуються термохімічні газоаналізатори. Поширеним методом розв'язку проблеми забруднення атмосфери є також розробка ефективних очисних приладів, які використовують високоактивні каталітичні контактні маси на основі благородних металів, для схоплення й переробки викидних газів промисловості.

Аналіз літературних джерел, присвячених дослідженню високотемпературних (горіння) і гістерезисних (горіння, окислення) режимів ТМО твердих тіл з газами показує, що роль конвекції (природної та вимушеної, стефанівської течії), випромінювання, термодифузії у процесах здійснення стійких і критичних режимів вивчена недостатньо. Часто розглядається лише верхній термічний режим без врахування кінетики хімічних перетворень на поверхні твердого тіла.

У спеціальній літературі залишається майже не вивченим питання впливу термокінетичних параметрів (енергії активації, передекспоненційного множника константи швидкості хімічних реакцій, теплових ефектів) на характеристики стійких та критичних режимів ТМО твердих тіл з газами. Найбільшу практичну цінність має рішення цієї задачі при умовах, що реалізуються в енергетичних установках та при використанні термокінетичних газоаналізаторів.

Зв'язок роботи з науковими планами, програмами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у межах науково-дослідницької роботи кафедри теплофізики, згідно з темами № 761 і № 762, та у межах міжнародної Соросівської програми ISSEP (номер контракту K6V100). Одержані результати увійшли до звіту по темам № 761, 762 (№ держреєстрації 0197U017691) за 1997/99 рр.

Мета роботи. Детальне дослідження високотемпературних і гістерезисних явищ тепломасообміну і кінетики екзотермічних хімічних перетворень на поверхні твердих тіл (вуглецева частинка, на поверхні якої протікають паралельні хімічні реакції з киснем повітря, та платиновий дротик каталізатору, який знаходиться у суміші повітря з воднем); вивчення ролі теплообміну випромінюванням зі стінками реакційного приладу і тепломасообміну з газом, обумовленого характерними розмірами твердого тіла й відносною швидкістю руху газової суміші; вивчення впливу стефанівської течії; визначення умов виродження гістерезисних петель на залежностях температури твердого тіла від режимних умов протікання хімічних реакцій на його поверхні.

Наукова новизна. Шляхом фізичного моделювання в роботі вперше отримано характеристики режимів ТМО рухомих вуглецевих частинок за різних початкових і зовнішніх умов з урахуванням тепловтрат випромінюванням до стінок реакційного приладу. Досліджено роль випромінювання, стефанівської течії, природної та вимушеної конвекції, а також вплив термокінетичних параметрів хімічних реакцій на характеристики гетерогенного спалахнення, горіння і потухання вуглецевих частинок. Виявлено механізм і встановлено умови гістерезисної поведінки температури вуглецевої частинки і зв'язаних з нею коефіцієнтів тепло- і масообміну, а також теплових і масових потоків і швидкостей хімічних перетворень, в залежності від режимних параметрів і зовнішніх умов.

Вперше детально розглянено гістерезисні процеси ТМО при гетерогенно-каталітичних реакціях. Показана можливість безкризової зміни теплових режимів каталізатора, який знаходиться у хімічно реагуючій газовій суміші, а також описані критичні переходи з одного стаціонарного стану поверхні каталізатора до іншого.

Головні наукові положення, що захищаються. Встановлений механізм високотемпературних та гістерезисних режимів тепломасообміну вуглецевих частинок та металевих дротиків при протіканні поверхневих гетерогенних та гетерогенно-каталітичних хімічних реакцій. наявність двопетлевого гістерезису на залежностях температури твердого тіла від відносної швидкості руху та характерного розміру з врахуванням теплообміну випромінюванням з холодними стінками реакційного приладу.

Практичне значення. Результати досліджень можуть бути використані при проектуванні енергетичних приладів з ціллю вибору оптимальних і екологічно безпечних режимів спалення диспергованого твердого палива, розробці й упровадження заходів пожаро- і вибухобезпеки при перевезенні легкоспалахуючих грузів, використанні пилоутворюючих промислових технологій, для створення ефективних очисних установок по переробці та утилізації відпрацьованих газів та термохімічних газоаналізаторів на основі каталітичного окислення.

Особистий внесок здобувача. Детальний аналіз стійких і критичних режимів ТМО рухомої вуглецевої частинки з врахуванням теплообміну випромінюванням. Дослідження розвитку процесів ТМО і кінетики хімічних перетворень з часом за різних початкових і зовнішніх умов; розробка фізико-математичної моделі стійких і критичних процесів ТМО і кінетики гетерогенно-каталітичних перетворень для сумішей з різною концентрацією реагуючих компонентів, а також комп'ютерний розрахунок фізичних характеристик процесів.

Апробація роботи. Результати роботи були представлені на науково-практичній конференції "Проблеми пожежної безпеки" (Київ, 1995), III Мінському Міжнародному Форумі з питань тепломасообміну (Мінськ, 1996), XVII конференції країн СНД "Дисперсні системи" (Одеса, 1996), III науково-практичній конференції "Пожежна безпека" (Київ, 1997), Другій Міжнародній Школі-Семінарі "Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем" (Санкт-Петербург, 1997). Результати роботи увійшли до звітів про науково-дослідницьку діяльність кафедри теплофізики Одеського національного університету; доповідалися і обговорювалися на семінарах кафедри теплофізики та конференціях викладацько-професорського складу Одеського університету.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 робіт у наукових журналах, працях і тезах семінарів і конференцій.

Об'єм і структура роботи. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку літератури з 94 найменувань. Загальний об'єм дисертації складає 146 сторінок, містить 27 рисунків, 6 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі наведено короткий літературний огляд теоретичних і експериментальних досліджень, присвячених питанням спалахнення, горіння й потухання вуглецевих і металевих частинок і дротиків. Але опис експерименту не завжди дає повну картину отриманих результатів. Проведений аналіз опублікованих робіт показує, що часто викладення теорії стаціонарної та нестаціонарної теплопровідності надано без урахування справжньої кінетики реакцій, внутрішньої структури речовини, стефанівської течії та теплообміну випромінюванням, розглядається лише верхній тепловий режим без урахування кінетики хімічних перетворень на поверхні твердого тіла, недостатньо вивчено вплив природної та вимушеної конвекції. Великий розбіг в літературі значень кінетичних констант реакцій вуглеця різних видів палива приводить до необхідності дослідження впливу термокінетичних властивостей на характеристики гетерогенного горіння вуглецевих частинок.

На основі літературного огляду сформульована мета роботи й обгрунтована її актуальність, наведені основні наукові положення, що виносяться на захист, їх наукова новизна, а також відомості про структуру і об'єм роботи.

У першому розділі в загальному вигляді розглядаються процеси ТМО і кінетики хімічних реакцій на поверхні твердого тіла, що знаходиться у хімічно реагуючій суміші. Фізико-математична модель включає нестаціонарні рівняння теплопровідності для даного тіла й газу, нестаціонарні рівняння дифузії для реагуючих компонентів і продуктів хімічних реакцій з врахуванням початкових і граничних умов. Для запису граничних умов для газу, з врахуванням конвекції, використана модель приведеної плівки, на поверхні якої задані параметри незбудженої суміші. Граничні умови для поверхні твердого тіла враховують густину хімічного тепловиділення за рахунок хімічних реакцій, протікаючих на поверхні твердого тіла, і густини теплового і масового потоків стефанівською течією.

Зміна температури твердого тіла з часом відбувається насамперед за рахунок теплопровідності, конвекції, випромінювання, стефанівської течії та хімічного реагування.

Дослідження проведено на прикладі реагуючої вуглецевої частинки, яка обдувається потоком повітря, і платинового дротику, що знаходиться в хімічно реагуючій суміші водню з повітрям і нагрівається електричним струмом. Це дозволяє вивчити відносну роль різних механізмів у процесах ТМО і кінетики гетерогенних і гетерогенно-каталітичних хімічних реакцій.

Другий розділ присвячено механізмам здійснення високотемпературних і гістерезисних режимів ТМО і кінетики хімічних реакцій в залежності від швидкості руху і діаметру сферичної вуглецевої частинки з урахуванням теплообміну випромінюванням зі стінками реакційного приладу. На практиці найбільш цікаві випадки, які реалізуються в енергетичних устроях: 1) частинка рухається уповільнено; 2) частинка вільно рухається з постійною швидкістю у потоці повітря, що підіймається вертикально. При цьому характерно протікання гетерогенних хімічних реакцій

(I) і (II).

Зміна температури, діаметру і швидкості руху частинки з часом визначається кінетикою хімічних реакцій і тепломасообміном:

Основні результати та висновки

Встановлено механізм здійснення гістерезисних залежностей кінетики хімічних реакцій та тепломасообміну на поверхні вуглецевих частинок та металевого дротику каталізатора від відносної швидкості руху, характерного розміру твердого тіла, температури газу і концентрації в ньому активного компонента. Виявлено роль випромінювання, природної та вимушеної конвекції, стефанівської течії, термодифузії, масообміну в процесах здійснення високотемпературного тепломасообміну.

Вперше доведено, що залежності густин теплових та масових потоків, швидкості хімічних реакцій на поверхні вуглецевої частинки з киснем повітря від її діаметру та відносної швидкості має двопетлевий гістерезисний характер, якщо температура газу вище значення, при якому густина хімічного тепловиділення зрівнюється з густиною тепловтрат за рахунок випромінювання до холодних стінок реакційного приладу.

В рамках моделі приведеної плівки наведено опис тепломасообміну та кінетики паралельних хімічних реакцій з урахуванням стефанівської течії та природної і вимушеної конвекції. Доведено необхідність врахування стефанівської течії при аналізі високотемпературних та гістерезисних режимів тепломасообміну вуглецевої частинки з газами. Одночасове врахування стефанівської течії та природної конвекції дає краще збігання з експериментальними результатами по часовим характеристикам горіння.

Наведено аналітичний опис залежностей діаметру та відносної швидкості від температури частинки, які визначають стійкі (горіння) та критичні (спалахнення і потухання) високо- і низькотемпературні режими тепломасообміну і кінетики хімічних реакцій, з врахуванням теплообміну випромінюванням з холодними стінками реакційного приладу.

Вперше виявлено умови здійснення гістерезису кінетики каталітичних хімічних реакцій та тепломасообміну дротику каталізатора в залежності від сили струму і концентрації активного газового компонента. Показана можливість безкризової зміни теплового режиму дротику - виродження критичних умов переходу від одного квазістаціонарного стану до іншого, коли гістерезисна область відсутня. Доведено, що зі зменшенням концентрації і наближенням до точки виродження процесів тепломасообміну і кінетики хімічних реакцій режим протікання реакції неможливо вважати суто дифузійним.

Основні результати дисертації опубліковано в роботах:

Калинчак В. В., Орловская С. Г., Прудникова Ю. В. Влияние кинетических факторов на характеристики горения углеродной частицы // Химическая физика. 1999. Т. 18, № 3. С. 104 - 106.

Калинчак В. В., Орловская С. Г., Прудникова Ю. В., Гануи И. Устойчивые и критические режимы тепломассообмена движущейся углеродной частицы // Физика горения и взрыва. 1998. Т. 34, № 1. С. 25 - 30.

Калинчак В. В., Орловская С. Г., Прудникова Ю. В., Гануи И. Влияние естественной и вынужденной конвекции на характеристики гетерогенного горения углеродной частицы // Инженерно-физический журнал. 1998. Т. 71, № 6. С. 1050 - 1055.

Прудникова Ю. В., Калинчак В. В. Критические режимы тепломассообмена и кинетики гетерогенно-каталитического окисления водорода на платине // Физика аэродисперсных систем. 1998. Выпуск 37. С. 114 - 117.

Калинчак В. В., Орловская С. Г., Прудникова Ю. В., Тарабанчук С. Ф. Влияние термокинетических параметров на характеристики гетерогенного воспламенения, горения и потухания углеродных частиц / Пожежна безпека: материали науково-практичної конференції. Київ: Укр. НДІПБ МВС України, 1997. C. 153 - 155.

Kalinchak V. V., Orlovskaya S. G., Prudnikova J. V., Lekhno D. A. The role of convection and heat exchange by radiation in processes of heterogeneous burning of a particle // Intra-chamber processes, combustion and Gas Dynamics of Dispersed Systems. Proceedings - Second International Seminar. Saint-Petersburg, 1997. P. 106 - 110.

Орловская С. Г., Калинчак В. В., Гануи И. Х., Прудникова Ю. В. Гистерезис горения движущихся углеродных частиц // Тепломассообмен - ММФ-96. III Минский международный форум. Т. 3. Тепломассообмен в химически реагирующих системах. Минск, 1996. С. 119 - 124.

Орловская С. Г., Калинчак В. В., Прудникова Ю. В., Гануи И. Х. Роль вынужденного и естественного конвективного тепломассообмена в процессах гетерогенного горения углеродной частицы // Дисперсные системы. Тезисы докладов XVII конференции стран СНГ. Одесса, 1996. С. 143 - 144.

Калинчак В. В., Орловская С. Г., Ибрагим Гануи, Прудникова Ю. В. Гистерезис горения движущейся частицы при протекании на ее поверхности параллельных реакций / Проблеми пожежної безпеки. Київ.: МВС України, 1995. C. 86 - 89.

Анотація

Пруднікова Ю. В. Високотемпературні та гістерезисні режими тепломасообміну і кінетики хімічних реакцій твердих тіл з газами. - Рукопис. тепломасообмін стефанівська течія конвекція

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.14 - теплофізика і молекулярна фізика. Одеський національний університет ім. І. І. Мечникова, Одеса, 2000.

У дисертації проведено детальний аналіз механізму здійснення високотемпературного і гістерезисного процесів тепломасообміну і кінетики гетерогенних і каталітичних хімічних реакцій на поверхні рухомих вуглецевих частинок і металів за різних початкових і зовнішніх умов. Досліджено роль у цих процесах випромінювання, стефанівської течії, природної та вимушеної конвекції, вплив термокінетичних параметрів на характеристики гетерогенного спалахнення, горіння і потухання вуглецевих частинок.

Розроблена фізико-математична модель стійких і критичних процесів тепломасообміну твердих тіл при гетерогенно-каталітичних перетвореннях для сумішей з різною концентрацією реагуючих компонентів (на прикладі окислення водню у присутньості платинового дротику).

Визначено критичні умови протікання хімічної реакції, що характеризують переходи з нижнього теплового режиму каталізатора, який знаходиться у хімічно реагуючій газовій суміші, до верхнього і навпаки. Показана можливість безкризової зміни теплових режимів, коли гістерезисна область відсутня, а також можливість існування гістерезисних режимів тепломасообміну в залежності від вмісту водню в суміші.

Ключові слова: вуглецева частинка, високотемпературний тепломасообмін, критичні умови, гістерезис тепломасообміну, стефанівська течія, випромінювання, вимушена та природна конвекція, кінетика гетерогенних хімічних реакцій, рухома частинка, каталіз.

Аннотация

Прудникова Ю. В. Высокотемпературные и гистерезисные режимы тепломассообмена и кинетики химических реакций твердых тел с газами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика. Одесский национальный университет им. И. И. Мечникова, Одесса, 2000.

В диссертации проведен детальный анализ механизма осуществления высокотемпературного и гистерезисного процессов тепломассообмена и кинетики гетерогенных и каталитических химических реакций на поверхности движущихся углеродных частиц и металлов при различных начальных и внешних условиях. Исследована роль в этих процессах излучения, стефановского течения, естественной и вынужденной конвекции, влияние термокинетических параметров на характеристики гетерогенного воспламенения, горения и потухания углеродных частиц.

Разработана физико-математическая модель устойчивых и критических процессов тепломассообмена твердых тел при гетерогенно-каталитических превращениях для смесей с различной концентрацией реагирующих компонентов (на примере окисления водорода в присутствии платиновой проволочки).

Определены критические условия протекания химической реакции, характеризующие переходы с нижнего теплового режима катализатора, находящегося в химически реагирующей газовой смеси, на верхний и наоборот. Показана возможность бескризисной смены тепловых режимов, когда гистерезисная область отсутствует, а также возможность существования гистерезиса тепломассообмена в зависимости от содержания водорода в смеси.

Ключевые слова: углеродная частица, высокотемпературный тепломассообмен, критические условия, гистерезис тепломассообмена, стефановское течение, излучение, вынужденная и естественная конвекция, кинетика гетерогенных химических реакций, движущаяся частица, катализ.

Abstract

Prudnikova Yu. V. High temperature and Hysteresis regimes of Heat and Mass Exchange and Kinetics of Chemical Reactions of Solids and Gases. - Manuscript.

The Thesis for the scientific degree of Candidate of science in Physics and Mathematics on speciality 01.04.14 - thermophysics and molecular physics. I. I. Mechnikov Odessa National University, Odessa, 2000.

In the Thesis a detailed analysis of the mechanism of realization of high temperature and hysteresis regimes of heat and mass transfer and kinetics of heterogeneous and catalytic chemical reactions on moving carbon particle and metal surfaces at different initial and external conditions has been carried out. The role at these processes of radiation, Stefan flow, natural and induced convection, the effect of thermal kinetic parameters on characteristics of heterogeneous ignition, burning and extinction of carbon particles have been investigated.

The physical and mathematical model of stable and critical processes of heat and mass transfer of solids at heterogeneous and catalytic transformations for mixtures with different reacting component concentrations (for example, oxidation of hydrogen in a platinum wire presence) has been worked up.

The critical chemical reaction proceeding conditions characterizing transitions from a low thermal regime of the catalyst, being in the chemically reacting gas mixture, to the upper one and vice versa have been determined. A possibility of crisis-free exchange of thermal regimes, when the hysteretic range is absent, has been shown, and so has a possibility of being of hysteresis of heat and mass transfer in dependences on hydrogen content in the mixture.

Key words: a carbon particle, high temperature heat and mass transfer, critical conditions, hysteresis of heat and mass transfer, Stefan flow, radiation, induced and natural convection, kinetics of heterogeneous chemical reactions, moving particle, catalysis.

Размещено на Allbest.ru