Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом Рябов Андрей Юрьевич

Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом
<
Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом
>

Данный автореферат диссертации должен поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - 240 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Рябов Андрей Юрьевич. Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом : диссертация ... кандидата химических наук : 02.00.13.- Томск, 2003.- 92 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-2/572-2

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Плазмохимическое окисление углеводородов в электрических разрядах 8

1.1 .Физико-химические характеристики барьерного разряда 9

1.2. Окисление углеводородов в электрических разрядах 11

ГЛАВА 2. Экспериментальная часть 22

2.1. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента 22

2.2. Анализ продуктов окисления олефиновых углеводородов 23

2.3. Измерительное и аналитическое оборудование 26

2.4. Характеристика исходных веществ 27

ГЛАВА 3. Окисление олефиновых углеводородов в реакторе с барьерным электрическим разрядом 28

3.1. Окисление гексена-1 и циклогексена 28

3.1.1 .Влияние параметров эксперимента на процесс окисления гексена-1 и циклогексена 31

3.2. Окисление смесей олефин-алкан 41

3.2.1.Окисление смесей циклогексен-алкан 41

3.2.2.Изменение массовой доли олефинав смеси с алканом 45

3.2.3.Окисление С3,С4 олефинов 49

3.3. Заключение 53

ГЛАВА 4. Математическое моделирование кинетики окисления циклогексена в реакторе с барьерным разрядом 57

4.1. Возможный механизм окисления циклогексена 57

4.2. Методика моделирования кинетики окисления циклогексена в реакторе с барьерным разрядом 63

Выводы 83

Литература 84

Введение к работе

Первые эксперименты по исследованию электрических разрядов выполнены еще в XVIII в. Майклом Фарадеєм и Уильямсом Круком. Ранние работы посвящены выяснению условий возникновения разряда и изучению электрической сопротивляемости газа. Крупным достижением в области использования электрического разряда для осуществления химических превращений стало получение озона в барьерном разряде (Сименс, 1857 г.).

Однако регулярные систематические исследования электрических разрядов начинаются лишь во второй половине XX в. Развитие плазмохимии в этот период можно проследить по опубликованным книгам, имеющим фундаментальное значение [1-4]. Успешно разработаны и осуществляются в промышленном масштабе процессы получения озона, синильной и азотной кислот, сажи, перекиси водорода, загущения масел, синтеза ацетилена из метана, гидрогенизации и дегидрогенизации растительных масел и животных жиров.

В настоящее время накоплены определенные представления о природе и характере электрических разрядов, достигнуты значительные успехи в области использования плазмохимических методов очистки воздуха от неорганических и органических загрязнителей, получения различных полимерных пленок и покрытий. Активно исследуется возможность применения плазмы электрических разрядов для окисления углеводородов в ценные химические продукты.

Применение электрических разрядов при атмосферном давлении, в частности барьерного или коронного, для осуществления нефтехимического синтеза имеет ряд технических и экологических преимуществ перед традиционными термокаталитическими методами: отсутствие технического оформления, связанного с высокими температурами и давлением, исключение катализатора (этапы его подготовки и утилизации).

Однако данных о превращении органических веществ в электрических разрядах в литературе недостаточно, что существенно сдерживает развитие плазмохимических методов переработки углеводородного сырья. Подробное изучение кинетики протекающих процессов и возможностей управления плазмохимической реакцией расширило бы представление о плазме электрических разрядов и могло бы послужить основой для создания новых процессов превращения углеводородов.

Целью настоящей работы является изучение закономерностей окисления олефиновых углеводородов в реакторе с барьерным разрядом и исследование возможностей управления плазмохимической реакцией. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

Изучить закономерности окисления гексена-1 и циклогексена в реакторе с барьерным разрядом.

Исследовать возможность окисления легких олефинов в барьерном разряде в ценные продукты реакции.

Предложить возможный механизм окисления олефиновых углеводородов.

Научная новизна работы: 1. Впервые в условиях эффективного вывода продуктов реакции из разрядной зоны плазмохимического реактора изучено окисление олефиновых углеводородов и показано, что реакция протекает с образованием эпоксидных, карбонильных и гидроксильных соединений. На основе изученных закономерностей окисления олефиновых углеводородов в барьерном разряде (температура реактора, концентрация кислорода в парогазовой смеси и разбавление исходного олефина алканом) выявлен способ управления плазмохимической реакцией путем варьирования в газовой фазе мольного отношения кислорода к олефину.

Исследовано окисление смесей олефин-алкан и установлено, что совместное окисление приводит к образованию тех же продуктов, что и при раздельном их окислении. Выявлено, что использование алканов с большей молекулярной массой, чем окисляемый олефин, приводит к увеличению выхода окиси олефина более чем в 1,5 раза. По результатам работы получен патент РФ [5].

Совместное окисление пропилена или изобутилена с октаном позволяет провести их превращение в ценные продукты без характерных для плазмохимии процессов полного окисления и осмолення веществ.

Предложен механизм окисления циклогексена в реакторе с барьерным разрядом, включающий активацию электронным ударом исходных молекул (кислорода и олефина) с образованием радикалов и возбужденных молекул. Выявлено, что образование продуктов реакции происходит по двум направлениям: 1) активация кислорода и последующее образование окиси циклогексена, циклогексанона и циклопентилметаналя; 2) активация олефина с последующим образованием циклогексенона, циклогексенола и бициклогексенила.

Практическая ценность работы:

Полученные экспериментальные результаты по окислению циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в барьерном разряде и их смесей с алканами могут служить основой для разработки новых нетрадиционных способов переработки углеводородного сырья, что подтверждается патентом РФ (№ 2000 116 166. от 19.06.2000. Способ получения окисей олефинов.).

На защиту выносятся следующие положения: 1. Закономерности окисления олефиновых углеводородов и их смесей с алканами в реакторе с барьерным разрядом.

Способ управления плазмохимической реакцией окисления циклогексена.

Возможный механизм окисления циклогексена в реакторе с барьерным разрядом.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на IV Международной конференции "Химия нефти и Газа" (Томск, 2000 г); "Химия и химическая технология на рубеже тысячелетия" (Томск, 2000 г); 5 Корейско-Российском международной конференции "KORUS" (Томск 2001 г).

Публикации. По материалам диссертации получен 1 патент РФ, опубликованы 2 статьи в центральной печати и тезисы 9 докладов.

Окисление углеводородов в электрических разрядах

Процессы окисления углеводородов играют важную роль в нефтехимии. Образующиеся продукты реакций (спирты, альдегиды, окиси и др.) являются как товарным сырьем, так и ценными полупродуктами для дальнейшего нефтехимического синтеза. Из обзора публикаций последних лет видно, что исследования по окислению углеводородов в электрических разрядах ведутся, в основном, по двум направлениям: разработка методов эффективной очистки воздуха от органических загрязнителей и превращение углеводородов, главным образом низших, в ценные продукты. Загрязнение атмосферы вредными выбросами органических веществ является наиболее распространенным видом загрязнения. И большая часть исследований в плазмохимии посвящена очистке воздуха и промышленных газов от органических веществ (ацетона, ацетальдегида, фенола и других ароматических соединений) [11,19-30]. Так, в работе [19] предлагается метод очистки воздуха от примесей ксилола с помощью плазмы БР. Согласно авторам степень очистки воздуха от органических веществ в реакторе с БР определяется как вложенной энергией, так и начальной концентрацией углеводорода. Окисление ксилола до СО, СО2 и Н20 достигает 99,8 %. В работе также приведена сравнительная характеристика энергетической эффективности термокаталитических методов очистки воздуха и различных видов разряда. Отмечается, что в области начальных концентраций менее 0,5 мг м очистка атмосферы от органических примесей в БР становится конкурентоспособной с традиционными термокаталитическими методами очистки [31]. В результате воздействия электрических разрядов на воздушные смеси с содержанием органических веществ больше чем 0,5 мг-м" разными авторами отмечается образование не только СО, СОг, НгО, но и продуктов неполного окисления, а так же смолообразных веществ.

Так, в работе [23] исследовано влияние плазмы БР на пары ацетона, толуола и этилового спирта в воздухе с целью изучения возможности деструкции органических веществ. Авторами показано, что промежуточными продуктами окисления являются ацетальдегид, метанол и этилформиат. Во всех экспериментах отмечается образование на стенках реактора смолообразной массы. На основе приведенных работ по очистке воздуха от органических примесей в электрических разрядах, можно сделать следующие выводы: определяющим условием для полной очистки воздуха является начальная концентрация исходных веществ; основным управляемым параметром процесса - мощность разряда. К сожалению, кинетика данных процессов практически не изучена. К достоинствам плазмохимического метода очистки следует отнести неспецифичность процесса по отношению к органическим загрязнителям, а также возможность работы с малыми концентрациями загрязнителя. Следует отметить, что несмотря на привлекательность технического оформления процесса, основным сдерживающим фактором для широкого применения плазмохимических методов очистки является в большинстве случаев высокая энергетическая стоимость процесса и образующаяся полимерная масса (смола), которая может приводить к изменению физических характеристик разряда и затрудняет повторное использование реактора. Процессы неполного окисления углеводородов в электрических разрядах являются наиболее интересными и перспективными, поскольку приводят к образованию продуктов, имеющих прикладное значение. В плазмохимии количественный выход продуктов реакции принято оценивать затраченной на синтез энергией (энергозатраты или энерговыход), т.к. согласно закону Васильева-Кобызева-Еремина - степень превращения веществ в электрическом разряде пропорциональна его мощности [1]. Под энергозатратами понимают количество энергии израсходованной на получение единицы продукции (кВтчкг" или эВ-молекулу"1), а под энерговыходом - количество образовавшегося продукта на единицу вложенной энергии (кг-кВт"1-ч"! или молекул-эВ"1). В большинстве случаев энергетическая эффективность плазмохимических методов окисления ниже, чем при традиционных термокаталитических. Одной из причин такой ситуации является -недостаточное знание кинетики и механизмов протекающих реакций, и как следствие, отсутствие возможности управления плазмохимической реакцией. Рассмотрим некоторые работы, посвященные плазмохимическому окислению углеводородов в ценные соединения, изучению механизмов и исследованию экспериментальных зависимостей, влияющих на образование продуктов реакции [32-42].

Так, в работе [36] авторы исследовали окисление пропилена в реакторе с коронным разрядом с целью получения окиси пропилена. Показано, что с коронирующим анодом происходит глубокое окисление пропилена до СО, СОг и ИЬО, а в случае с коронирующим катодом наблюдается образование органических соединений. Авторами идентифицированы окись пропилена, пропионовый альдегид, ацетон, СО, СОг и Н2О, отмечается образование полимерных продуктов на стенках реактора. Конверсия пропилена составляет 10 - 40 % масс, при обработке исходной смеси с содержанием пропилена 10 - 0,5 %, доля СзН60 продуктов достигает 60 %, селективность по окиси пропилена 40 %. Суммарный выход продуктов СзНбО (окись пропилена, пропионовый альдегид и ацетон) зависит от концентрации пропилена в исходной смеси. Основываясь на полученных результатах, авторы предполагают, что образование окиси пропилена возможно как в результате реакций пропилена с атомами О ( D) или О ( Р), так и с ионами Оз_. Образования других продуктов реакции, авторами не анализируется. В работе [37] изучалось окисление циклогексена, октена-1, 2,3-диметил-бутена-2 в ВЧ-разряде. Реакцию окисления чистых олефинов и их растворов в ацетоне проводили при температуре -78 С. В таблице 1.2 представлены конверсия и состав продуктов окисления циклогексена. Видно, что соотношение продуктов реакции существенно изменяется при увеличении конверсии, что и в работе [36]. Уменьшение выхода окиси циклогексена сопровождается увеличением выхода преимущественно циклогексанона и циклогександиола. Следует отметить, что в процессе окисления не наблюдается деструкции олефина и осмолення веществ, как это отмечалось в работе [36].

Измерительное и аналитическое оборудование

В экспериментах по окислению олефиновых углеводородов применялись технический кислород и гелий марки "Б" ТУ 51-940-80 с содержанием примесей не более 1 и 0.01 об. % соответственно. Оба газа использовались без дополнительной очистки. Олефиновые углеводороды гексен-1 и циклогексен марки "ч" очищали методом двойной ректификации над едким натрием. Чистоту веществ перед синтезом контролировали хроматографическим методом, при этом концентрация примесей в жидких углеводородах не превышала 0.3 %масс. для циклогексена и 0.1 % масс, для гексена-1. Олефины С3,С4 получали в лабораторных условиях дегидратацией спиртов над АЬОз по методике [53,54]. Чистота газов контролировалась хроматографическим методом, концентрация примесей не превышала 0.2 % об..

С целью сравнения результатов окисления олефиновых углеводородов с результатами окисления алканов в БР [42] эксперименты выполнены в аналогичных условиях на лабораторной установке, описанной в главе 2. Окисление олефиновых углеводородов в реакторе с БР выполнено на примере гексена-1 и циклогексена. На рисунке 3.1 приведены хроматограммы продуктов окисления гексена-1 и циклогексена. Состав продуктов окисления олефинов и конверсия представлены в таблице 3.1, значения получены при амплитуде питающего напряжения 12 кВ, частоте повторений импульсов 400 Гц, температуре реактора 20 С и, постоянном во всех экспериментах, объемном расходе кислорода и олефина 3.6 л-ч"1 и 0.03 л-ч"1, соответственно. В таблице 3.1 в строке "Другие" подразумевается суммарное количество не идентифицированных веществ с низкой интенсивностью хроматографических пиков. Несмотря на достаточно широкий набор соединений в результате окисления гексена-1 и циклогексена, образование соответствующих окисей и кетонов идет с суммарным выходом 80 и 70 % масс, соответственно. При этом в составе продуктов реакции не обнаружено смолистых веществ и продуктов полного окисления, о которых сказано в большинстве ранних работ [34-36]. Кислоты и гидроперекиси - соединения, образующиеся при аутоокислении окислении также не были идентифицированы. Данный способ окисления олефиновых углеводородов в реакторе с БР приводит к селективному образованию продуктов неполного окисления за счет эффективного вывода веществ из зоны действия разряда путем растворения их в углеводородной пленке, образовавшейся в результате конденсации перенасыщенных паров олефина. С целью выявления закономерностей окисления олефиновых углеводородов в БР нами варьировались следующие экспериментальные параметры: амплитуда и частота повторения импульсов напряжения, концентрация исходных веществ в парогазовой смеси и разбавление олефина алканом.

Амплитуда а частота повторения импульсов напряженая Инициирование реакции окисления в реакторе с БР происходит за счет активных частиц плазмы разряда. Согласно закону Васильева-Кобозева-Еремина скорость химической реакции в электрических разрядах пропорциональна мощности данного разряда [1]. Удельная энергия разряда (Вт-ч-л1) является отношением мощности разряда (Вт) к объемной скорости прокачки газа (л-ч"1) [1]. где f - частота следования импульсов напряжения (Гц), Cj и Cg - емкость диэлектрического барьера и газового промежутка (Ф), Vj и Vo -напряжение горения разряда и рабочее напряжение (кВ), соответственно. Из уравнения видно, что значение мощности разряда зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения, емкости барьеров и газового промежутка реактора. При постоянных геометрии реактора определяющим для конверсии углеводорода будут амплитуда питающего напряжения и частота повторения импульсов. Зависимости конверсии гексена-1 и циклогексена от амплитуды и частоты повторения импульсов напряжения представлены на рисунках 3.2 и 3.3, соответственно. В таблицах 3.2 и 3.3 представлен состав образующихся продуктов реакции.

Окисление смесей олефин-алкан

Эксперименты по окислению выполнены на смесях циклогексена и алканов ряда н-Сб-Сю, циклогексана при амплитуде питающего напряжения 12 кВ и частоте повторения импульсов напряжения 400 Гц. Соотношение в исходной смеси циклогексен-алкан во всех экспериментах было равным 50 : 50 % масс. Результаты окисления смесей олефин-алкан представлены в таблице 3.4. Видно, что окисление приводит к образованию тех же продуктов реакции, что и окисление индивидуальных алкана [42] и олефина. Во всех экспериментах не было зафиксировано образования новых продуктов реакции. Образование значительного количества продуктов окисления алкана явилось неожиданностью, поскольку известно, что значения констант скоростей реакций атомарного кислорода с С=С связью олефина и С-Н связью алкана различается более чем на два порядка (так, для циклогексена - 2.2 10"и, для циклогексана -1.3-10" см-молекула"-с" [58]). Можно предположить, что окисление алканов происходит в результате высокой концентрации их в газовой фазе разрядной зоны (превышение концентрации олефина минимум на два порядка выравнивает вероятность взаимодействия атомарного кислорода с молекулой циклогексана и циклогексена) или же увеличивается скорость реакции атомарного кислорода с алканом. В смеси углеводородов концентрация их в газовой фазе определяется давлением насыщенного пара в соответствии с их мольной долей. В таблице 3.5 представлено мольный состав веществ в газовой фазе разрядной зоны при окислении смеси циклогексен-алкан (50 : 50 % масс). Видно, что в случаях с циклогексаном или гексаном, концентрации олефина и алкана в газовой фазе сравнимы, что не объясняет факт окисления алкана. Суммарные выходы продуктов окисления циклогексена и гексана в смеси составили 81.8 и 18.2 % масс, соответственно. Полученные результаты позволили оценить величину интегральной константы скорости реакции 0( Р) с гексаном равной «1.4-10"12 см3-молекула"1-с"1, что на порядок выше литературных данных (1.2-10"13 см3-молекула"1-с"1). Данное значение оценено с использованием известной константы скорости реакции 0(3Р) с циклогексеном [58]. Маловероятно, что увеличение константы скорости реакции 0(3Р) и С-Н-связь алкана связано с разогревом газа в канале микроразряда. Для достижения соответствующего значения константы скорости средняя температура в канале микроразряда должна быть не менее 200 С [58].

В настоящее время установлено, что в реакторе с БР средняя температура газа в канале микроразряда не превышает температуры стенок реактора 20 С [12]. В экспериментах не было зафиксировано сколько-нибудь значительного разогрева стенок реактора. Другим объяснением увеличения константы реакции могла бы быть реакция атомарного кислорода с колебательно-возбужденной молекулой алкана. В условиях БР пороговые энергии радикал-молекулярных реакций могут быть снижены при взаимодействии атомов/радикалов с возбужденными молекулами [60]. Допустим, что в наших условиях образование продуктов окисления алкана в смеси циклогексен-гексан происходит за счет быстрой реакции между атомом кислорода и возбужденной молекулой гексана: со средним значением константы реакции (3.5) не менее 1.4-10"12 см3-молекула-1 -с"1. Факт образования продуктов окисления алканов при окислении смесей циклогексен-циклогексан и циклогексен-гексан показывают возможное участие в механизме окисления олефинов возбужденных частиц. Подробнее остановимся на этом в главе 4. Варьирование массовой доли олефина в смеси с алканом представляет интерес с точки зрения увеличения конверсии и выхода окиси олефина. Эксперименты по изменению массовой доли олефина были выполнены на примере смеси циклогексен-октан, результаты представлены на рисунках 3.10 и 3.11. На рисунке 3.10 представлена зависимость конверсии от массовой доли циклогексена в октане. Наблюдается значительное увеличение конверсии циклогексена при уменьшении его доли в смеси. С уменьшением массовой доли циклогексена в октане снижается образование суммарного количества циклогексенона, циклогексенола, бициклогексенила и увеличивается выход окиси циклогексена и достигает 72 % масс, (рисунок 3.11). Таким образом, разбавление циклогексена углеводородом с большей молекулярной массой приводит к значительному увеличению конверсии циклогексена и выхода окиси. Окисление октана наблюдается в экспериментах с концентрацией олефина в октане 4 и 11 % масс, (рисунок 3.11). Продукты окисления октана содержат гидроксильные и карбонильные соединения, аналогичные соединениям, полученным в работе [42].

В таблице 3.6 представлен состав исходной смеси в газовой фазе разрядной зоны в зависимости от концентрации циклогексена в октане. Видно, что разбавление циклогексена октаном приводит к уменьшению его концентрации в разрядном промежутке. Рисунок 3.11. Содержание продуктов окисления смеси циклогексен-октан в зависимости от массовой доли циклогексена в октане: О - окись циклогексена; — циклогексанон; Л - циклопентилметаналь; X - суммарное количество циклогексенона, циклогексенола, бициклогексенила; - сумма продуктов окисления октана. Уменьшение концентрации в газовой фазе циклогексена снижает вероятность его диссоциации электронным ударом и образования циклогексенона, циклогексенола, бициклогексенила, что наблюдается на рисунке 3.11 и одновременно увеличивает концентрацию октана в газовой фазе, вероятность его диссоциации электронным ударом и образования продуктов окисления октана. Результаты экспериментов (изменение концентрации кислорода в разрядном промежутке, температуры стенок реактора и окисление циклогексена при разной концентрации циклогексена в октане) показывают, что варьирование концентраций олефина или кислорода в газовой фазе разрядной зоны влияет на ход окисления циклогексена, в частности, на выход циклогексенона, циклогексенола, бициклогексенила и окиси циклогексена. Полученные экспериментальные данные показывают, что образование продуктов окисления циклогексена происходит по двум направлениям предпочтительность того или иного направления зависит от концентрации в газовой фазе кислорода или олефина. На рисунке 3.12 показана зависимость образования окиси циклогексена и суммарного количества циклогексенона, циклогексенола и бициклогексенила в зависимости от мольного отношения кислорода и циклогексена в газовой фазе разрядной зоны.

Методика моделирования кинетики окисления циклогексена в реакторе с барьерным разрядом

Полная математическая модель химического процесса описывает химическое превращение, тепло-массообмен и т.д. Модель кинетики химических реакций играет первоочередную роль в построении полной математической модели протекающего процесса. Существует несколько подходов к моделированию кинетики химических реакций в БР: 1) Описание кинетики химической реакции классическим методом, но с заменой в кинетических уравнениях времени реакции на величину удельной энергии [1]. Фактор удельной энергии отображает протекание реакции в разряде и позволяет избежать моделирования самого разряда. Детального рассмотрения механизма реакции данный подход не предусматривает. 2) Построение математической модели кинетики химической реакции в БР с учетом физических процессов в разряде и химических превращений. Модель предусматривает решение уравнений электромагнитного поля, распределения по скоростям активных частиц и изменения концентрации всех веществ в разряде, что является трудоемкой задачей [10,14]. 3) Наиболее удобным способом описания кинетики химических реакций в БР является подход, в котором предполагается разделение физических и химических процессов. Протекающие процессы в плазме БР представляют в виде двух последовательных стадий: 1 стадия - пробой разрядного промежутка, появление активных частиц и 2 стадия -химические реакции с участием образовавшихся частиц [11,16,23,77]. Это значительно упрощает моделирование кинетики в разряде. Ранее в работе [77] нами использовался третий подход для построения математической модели кинетики окисления циклогексана в БР. Получено хорошее соответствие теоретических и экспериментальных результатов.

Построение математической модели кинетики окисления циклогексена в БР в данной работе выполнено аналогично. Кинетика образования продуктов окисления циклогексена в БР представлена в виде двух последовательных стадий: 1) пробой разрядного промежутка и появление в его объеме активных частиц (атомов, радикалов и частиц в возбужденном состоянии); 2) химические реакции с участием образовавшихся частиц и исходных молекул. Экспериментально нами показано, что повторного воздействия БР на продукты реакции не происходит и, следовательно, состав и селективность образования продуктов реакции, образующихся за один импульс напряжения такие же, как и за все время воздействия разряда. Поэтому моделирование кинетики химических реакций проводили для случая однократного инициирования реакционной смеси высоковольтным импульсом напряжения без учета диффузионных процессов. На первой стадии моделирования конечной целью является нахождение начальных концентраций атомов и радикалов 0(3Р), 0(1 D), СбНп", Н , инициирующих дальнейшие химические реакции. При этом нет необходимости в детальном моделировании физических процессов разряда. Для оценки начальных концентраций активных частиц можно использовать дискретную модель образования атомарного кислорода в микроразряде, которая подробно описана в [12]. В качестве основного параметра модели принимается отношение концентраций атомарного и молекулярного кислорода в микроразряде %ю: Образование атомарного кислорода в микроразряде связывают преимущественно с реакциями [12]: Учитывая реакции (1,2) и данные работы [12], для %10 можно записать следующее выражение: где ео - элементарный заряд электрона, удрейф. - дрейфовая скорость электронов, (Е/по)Эфф. - эффективная приведенная напряженность электрического поля, по - число частиц в см3, сімкр - объем канала микроразряда, V/мкр. - энергия, вложенная в канал микроразряда, кь к2 -константы скорости соответствующих реакций. можно записать аналогичные выражения для [С,Н„ ], [Н ]. Расчет концентраций по формуле (VI.3) для моделирования кинетики окисления циклогексена затруднителен, так как необходимы сведения об энергии, вложенной в канал микроразряда, и его объеме. На практике более удобно пользоваться величиной энергетического выхода атомов (радикалов) л, (молекула/эВ). Согласно [11] выражение для rj легко получить из (VI.3) разделив его на энергию, вложенную в канал микроразряда WMKp., и умножив на объем dMKp.. Например, для ц Поскольку моделирование кинетики окисления циклогексена проводили для одиночного импульса напряжения, начальные концентрации атомов и радикалов С (см"), инициирующих дальнейшую химическую реакцию, можно представить как произведения удельной энергии БР за импульс напряжения WHMu. (эВ/см3) на г\:

Похожие диссертации на Окисление циклогексена, гексена-1, пропилена и изобутилена в реакторе с барьерным электрическим разрядом