Введение к работе
Актуальность темы.
Работа посвящена теоретическому и .экспериментальному исследованию самовоспламенения и сжшапия традиционных гоплив Этим вопросам уделялось дос таї очно мною внимания, и, в час пюсіи, кипеїике воспламенения томлив Однако до сих пор не существуем теорешчески обоснованного подхода к решению задачи ускорения задержки воспламенения активными добавками
Рафабспка теории промоіироваппою воспламенения позволит ор-іапігюваїь целенаправленный поиск оптимальных активных добавок Важнейшая кинеїичес кал характеристика- задержка вое пламеиеиия го-ю или иною топлива в воздушной смеси имеет чрезвычайно важное практическое значение Она необходима для оценки взрывоопасноеги смеси, для определения минимальной энергии инициирования детонации и смесях топлива с воздухом, а іакже для моделирования переходных процессов дес{)лаірациоиноіо юреиия в детонацию Последнее чрезвычайно важно для разработки нового поколения пульсирущих детонационных двигаї елей и силовых усіаиовок па их основе, что позволит реши 1ь ряд зпернтических проблем за счет повышения КПД и экономии юплнва В с вязи с пим необходима информация о значениях задержек воспламенения традиционных гоплив в широком диапазоне давлений и ісмперагур для разработки кинетических механизмов, адекватно описывающих -ніеріовьіделеиие в топливо-воздушных смесях
Друїая зперіетическая проблема связана с истощением нефтяных мо-с юрождеиий и уменьшением запасов нефти Частично -на проблема может быть решена за счет синтеза жидких моторных і оплив из сишез-газа Наиболее дешевым способом получения синтез-таза представляется искаїалит ическая реакция парциального окисления метана (основного компонента природною газа), реализуемая в некаїалитических режимах юреиия На пути промышленной реализации этой реакции стоит прежде всего оісуїствие информации о закономерностях юреиия в сверхбогатых смесях метана с воздухом или кислородом Крупнотоннажное производство синтез-газа возможно в некаталитических режимах юре-НШІ Однако для реализации атого процесса необходимо сжигать смеси, в которых концентрация топлива превышает верхний концентрационный предел воспламенения при нормальных условиях Горение таких смесей практически не изученная область науки о горении, н ее и необходимо исследовать альтернативное сжигание юплив, понимая под ІГИМ сжигание с целью получения не знерісіичсского, а химического эффекта
Таким образом, работа посвящена исследованию научных задач, связанных с ускорением самовоспламенения, определением кинсіических харакіерисгик самовоспламенения и алілериаіивиою сжигания традиционных юплив в различных режимах, необходимых для решения ряда энергетических проблем
Цели работы
На примере простейшей кинетической модели воспламенения угле водородных , учитывающей все основные длемешарпые реакции зарождение цепи, продолжение цепи, разветвление цени, квадратичный обрыв цени, а также реакции с промотирующей добавкой, участвующей в зарождении и продолжении цепи, получить аналитическое решение системы дифференциальных уравнений, соответствующей рассматриваемому механизму
2 Получить аналитическое соошошоние для задержки воспламенения как функции скоростей элементарных стадий и начальных условий (температуры, концепграции и тд)
3 Применить полученное решение для выяснения роли копе таи ты скорое J и разложения промотора в случаях прямых и разветвленных цепей
4 Применить полученное решение для задачи дискретного ускорения сие іем с прямыми цепями
5 Измерить задержки воспламенения воздушных смесей пропана и разработай» детальный кинетический механизм окисления углеводородов Сі - Сз
6 Разработать меюдику экспериментального исследования воепламе ІІС1ШЯ ЖИДКИХ
7 Измерить воспламенения жидких нормальных ал капов (пешап, кч«ан, декан), бензола, и авиационного керосина ТС-1 в воздушных смесях в диапазонах давлении от 1 аіа до 9 аіа и jc.Miiepaiyp от 550К до 1000/Г
8 Провести аналитическое сравнение результатов эксиеримешов с лшерагуриыми данными
9 Исходя из юрмодипамических и кинетических расчетов оцепшь ожидаемые парамечры при сжигании сверхбогатых смесей мегапа с кислородом или воздухом, а именно, оцепить температуру пламени, равновесный сосіав продуктов сгорания, возможное влияние начальных условий (давление и температура) на указанные параметры Оцепи і ь время выхода продуктов сюрапия па равновесный сослав и указать возможные пути сокращения этого времени
10 Экспериментальными методами измерить скорости нормального рас и рос гранения пламени в богатых смесях метана с кислородом и воздухом Экспериментально установить роль турбулентного горения в рас опрос ранении пламени в сверхбогатых смесях Исследовать режимы самовоспламенения Установи выход целевых продуктов в различных режимах горения.
Определить выход сажи и указать возможные ну и ее подавления Исследовать свойства сажи .
Научная новизна
Проблема ускорения воспламенения реагирующих газовых смесей с помощью активных добавок (промоторов) долгое время привлекала внимание шеледоваїслей Было исследовано влияние различных классов химических соединений на ускорение воспламенения тех или иных ре-аінруюишх сисіем Была установлена различная степень воздействия промоторов на сокращение задержки воспламенения Сложилось мнение, 41 о, чем выше собственная скорость разложения промотора, тем дффекппшее его воздействие на самовоспламеняющуюся сік іему Но существовало матсмаїической модели, хотя бы формально описывающей влияние активных добавок па прогскапие цепного воспламенения В работе впервые предложена математическая модель цепного самовоспламенения реагирующей среды с прямыми и разветвленными цепями в присутствии промотора В результате решения системы дифференциальных уравнений, соответствующей упрощенному кинетическому механизму в присутствии промоторов разного класса, получено авали іи-ческое решение, позволяющее оценивать характер поведения задержки воспламенения в зависимости о і начальных условий, коне і анты скорости реакции, в которой расходуется промотор, и констант скоростей элементарных падай
Аналитическое решение позволяет утверждать, что в зависимости от собстеппых термодинамических и кипсіических свойств системы воз можиы различные режимы промоіироваиия Так, например, в системах ( пи жим тепловым эффектом и высокой скоростью рекомбинации центров возможно существование оптимальною промотора В этом случае существует оптимальный промотор, обеспечивающий максимальную скорое гь воспламенения Для систем, обладающих высоким тепловыделением и низкой скоростью рекомбинации активных центров, не существует оптимальной активной добавки Однако и в пом случае задержка воспламенения системы имеет ограниченное значение
Впервые проведено измерение задержек воспламенения жидких углеводородных топлив в воздушных смесях в широком температурном диапазоне от 550/v до 103(Ж и давлениях от 1ата до 9ата Во всех случаях обнаружены области отрицательного температурного коэффициента Сравнение с литературными данными позволяет утверждать, что для традиционных топлив повышение давления приводит к смещению областной отрицательного температурного коэффициента в более высокий температурный диапазон На начальном участке низкотемпературного воспламенения начальное давление практически не влияет па величину периода индукции В области отрицательного температурного коэффициента начальное давление оказывает значительное воздействие на величину задержки воспламенения, в то время, как па юг параметр
Экспернмешальпые исследования впервые показали, что суррогатые топлива па основе п—гексаиа, а—декана и бензола в определенных іем-нерагурпьтх условиях воспламеняются аналогично авиационному керосину
Горение сиерхбоытых смесей углеводородов, те смесей, в коюрых содержание юплива превышает верхний копцои і рационный предел воспламенения при нормальных условиях, остаемся практически не изученным, как с іеорсіической, так и эксперимешальиой точек фения
Впервые проведено -женеримсптадьпое ж следование сжиіаиия сверх-боииых смесей мечаиа в воздухе и кислороде Измерены скорости ла-мипариот трения таких смесей, исследовано самовос иламспепие и их О рбулеш пое сжшаиие Определен выход продуктов сгорания в различ-иі іх режимах горения Ус выход сажи при смесей мегапа с кислородом Показано подавляющее дейсвие паров воды и сиикм-іаза па выход сажи
Впервые изучены сажи, возникающей при сжигании сверхбогатых смесей Показана возможносіь формирования углеродных наноструктур при метана
Теоретическое и прикладное значение
Математическая модель иромотироваииого воспламенения сие іем дает тгредегавлетше о роли отдельных стадий в общем процессе воспламенения Теоренческое решение даст возможное целенаправленного поиска оптимальных паромоторов
Экс-перимепталыю измеренные задержки воспламенения дают представление о воспламенении традиционных углеводородных топлив в широком диапазоне температур и давлений Кроме того, измеренные значения задержек воспламенения пополняют -экспериментальную базу данных но задержкам воспламенения, необходимую для отладки детальных и глобальных кинетических механизмов воспламенения углеводородов
Ре -же исследования воздухом и кислородом, во-первых, даю і представление о ранее не изученной области пауки о горении, а, во-вторых, позволя-Ю1 разработать рекомендации для промышленной реализации реакции парциальной) окисления метана и некаталитических режимах горения Основные положения, представленные к защите
1 Анапигичеекое решение системы дифференциальных уравнений, соответствующей кинетической модели воспламенения с прямыми и рашсшлейными цепями
2 аналитическим решением возможность существования режимов оптимальною иромотироваиия
3 Установленный аналитическим решением криіерий определения оптимальною промотора, который формулируется равенеівом характерного времени реакции расходования промотора и характерного времени выхода системы па уровень квазистациопарпой концентрации активных цепі ров
4 Эмииричсское глобальное соотношение для задержки воспламенения воздушных смесей пропана в широком диапазоне температур и давлений
5 Медика измерения задержек воспламенения жидких углеводородных тогглив в условиях статической установки перепускною типа
6 Результат экспериментального исследования воспламенения жидких углеводородных топлив
7 Результаты аналитического сравнения собственных экспериментов и литературных данных
8 Термодинамических и кинетических расчетов смесей метана в кислороде и воздухе
9 Результаты экспериментального исследования сжигания сверх богатых смесей метана с кислородом и воздухом в различных режимах горения
10 Результаты экспериментальною исследования сажеобразовапия и углеродных наноструктур при горении сверхбогатых смесей метана с кислородом и по ідухом
Апробация результатов работы.
Рсмульташ, представленные в диссертации докладывались на следующих научных конференциях и симпозиумах
Весе сжиная научная конференция "Проблемы совершеш пювания рабочих процессов в внутреннею поранил" Москва, 198G
Всероссийская конференция "Физико-химические проблемы сжигания углеводородных і оплив1 Москва, 1998
Третья Международная конференция Углерод фундаментальные проблемы пауки, материаловедение, технология " Москва, 2004 Физико-химические основы новейших технологий XXI пока Международная конференция, посвященная 60-летию создания Иж іитуїа физической химии Российской академии паук Москва, 2005
The Second International Symposium on Noncquihbiium Piocchscs Combustion and Atmospheric Phenomena Sochi, 2005
The Fifth International Colloquium on Pulsed and Continuous Detonation Moscow, 2006
Химическая технология Международная конференция по химической технологии ХТ07 (посвяіцасіся ЮО-лсшю со дня рождения Николая Михайловича Жаворонкова) Мое ква, 2007
The Thud Intel national Symposium on Noncqiuhbiium Processes Combustion, Plasma and Atmospheric Phenomena Sochi, 2007
21h International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems Poitieis, France, 2007
XVIII съезд по общей и прикладной химии Москва, 2007
Результаты диссертации неоднократно докладывались на научных конференциях химической физики им Н Н Семенова Российской академии наук, а также на "Межинститутском семинаре по катализу 3 в ноябре 2007 г
Публикации. Основные получены лично и опубликованы в 51 работе, список которых приведен в конце автореферата
Структура и объем диссертации. из 9 і лав, введения и выводов Объем работы составляет 357 страниц, включая 78 рисунков, 16 таблиц и списка лиісраіурьі, содержащего 144 работ