Технические науки / отраслевое машиностоение

Скачков В.О., Іванов В.І., Нестеренко Т.М., Карпенко Г.В.

ДОСЛІДЖЕННЯ КІНЕТИКИ ПРОЦЕСУ ОСАДЖЕННЯ ПІРОЛІТИЧНОГО ВУГЛЕЦЮ

Запорізька державна інженерна академія

Процеси заповнення пористої структури жаростійких матеріалів і вуглецевої кераміки піролітичним вуглецем потребують точних розрахунків швидкостей осадження вуглецевого осаду з газового середовища. Як газове середовище використовують переважно природний газ (метан). Процеси гетерогенного розкладання метану з утворенням на нагрітих поверхнях піролітичного вуглецю достатньо досліджено [1].

У ряді технологічних варіантів доцільнішим є використання зріджених вуглеводнів, таких як пропан і бутан. Для експериментального визначення параметрів констант швидкостей осадження піролітичного вуглецю в середовищі зріджуваних вуглеводнів необхідно розробити методику, що враховує особливості їх піролізу.

Перш за все, необхідно реалізувати значну поверхню осадження піролітичного вуглецю, яку можна визначити з достатньою точністю. Тому як поверхню осадження піролітичного вуглецю використовували вуглецеві волокна діаметром 2,5 мкм. Волокна збирали у пучок заданої довжини та поміщали до трубчастого реактора, виготовленого з кварцового скла. Пучок складали так, щоб він повністю перекривав поперечний переріз реактора. Така компоновка реакційної зони дозволяє значно зменшити вплив гомогенних і дифузійних процесів у експериментах.

Вважали, що під час проведення експериментальних досліджень виконуються такі умови:

- швидкість перебігу реакційного газу (пропану) є значно більшою за швидкість його дифузії;

- концентрація реакційного газу за усім поперечним перерізом вільного простору реактора є однаковою;

- перебіг реакційного газу реактором наближається до умов ідеального витіснення.

Для першого порядку реакції осадження піролітичного вуглецю з важких вуглеводнів рівняння, що описує умови експерименту, можна подати у вигляді

, (1)

где W - лінійна швидкість перебігу газу реакційною зоною; ; Q - витрата реакційного газу; R_еф - приведений радіус прохідного перерізу реакційної зони ; R - внутрішній радіус реактора; m₀ - маса вуглецевих волокон до осадження піролітичного вуглецю; r - питома щільність волокон; L - довжина пучка волокон; C – концентрація реакційного газу; k - константа осадження піролітичного вуглецю; x - лінійна координата віссю реактора.

Вирішення рівняння (1) знаходять у вигляді

, (2)

де С₀ – початкова концентрація реакційного газу.

Процес осадження піролітичного вуглецю описують рівнянням

, (3)

де dm - приріст маси піролітичного вуглецю на ділянці реакційної зони довжиною dx; t - тривалість процесу осадження піролітичного вуглецю.

Після інтегрування рівняння (3) за довжиною реакційного простору х одержують

, (4)

де m_к - маса вуглецевих волокон після осадження піролітичного вуглецю.

Зі співвідношення (4) з урахуванням параметра W визначають константу швидкості осадження піролітичного вуглецю k

. (5)

Якщо константу швидкості осадження піролітичного вуглецю k, записати у вигляді співвідношення Арреніуса

, (6)

де R - універсальна газова стала, - значення енергії активації Е та передекспоненційного множника k₀ можна розраховувати за формулами:

; (7)

, (8)

де T_i - температура в i-ому досліді; t_i - тривалість процесу в i-ому досліді; N - кількість проведених дослідів.

; .

Згідно з результатами експериментів, використовуючи співвідношення (7) і (8), одержують значення параметрів константи швидкості осадження піролітичного вуглецю, що складають Е = 134,316 кДж/моль і k₀ = 4,47 10⁴. Маючи значення зазначених параметрів, далі нескладно розрахувати величину константи швидкості осадження піролітичного вуглецю з пропану в інтервалі температур 630…730 °С.

Література

1. Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой среды. – М.: Химия, 1972. – 135 с.