научная статья по теме ЦЕПНОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ СМЕСЕЙ ПРОПАНА И ПЕНТАНА С ВОЗДУХОМ В НАГРЕТОМ СОСУДЕ Химия

Текст научной статьи на тему «ЦЕПНОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ СМЕСЕЙ ПРОПАНА И ПЕНТАНА С ВОЗДУХОМ В НАГРЕТОМ СОСУДЕ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2011, том 85, № 10, с. 1845-1851

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ

УДК 621.762.212.001

ЦЕПНОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ СМЕСЕЙ ПРОПАНА И ПЕНТАНА С ВОЗДУХОМ В НАГРЕТОМ СОСУДЕ © 2011 г. Н. М. Рубцов, Б. С. Сеплярский, К. Я. Трошин, Г. И. Цветков, В. И. Черныш

*Российская академия наук, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения,

Московская область, г. Черноголовка **Российская академия наук, Институт химической физики им. Н.Н. Семенова, Москва

E-mail: nmrubtss@mtu-net.ru Поступила в редакцию 15.06.2010 г.

Методом скоростной цветной киносъемки изучено пространственное развитие цепного воспламенения смесей пропана и пентана с воздухом кислородом при общем давлении 1 атм Т = 600—800 К. Установлено, что особенности пространственного развития цепного процесса воспламенения определяются состоянием поверхности реактора. Показано, что очаг (или очаги) воспламенения возникает у поверхности реакционного сосуда; фронт пламени от очага распространяется в объем с нормальной скоростью, соответствующей температуре реактора и составу горючей смеси.

Ключевые слова: цепное воспламенение, пропан, пентан, кислород, фронт пламени, горючая смесь, метод скоростной киносъемки.

Данные о пространственном развитии процесса самовоспламенения горючих газов при контакте с нагретой поверхностью представляют практический и научный интерес в связи с использованием углеводородов в качестве топлива в двигателях и силовых установках. Экспериментальные исследования процессов воспламенения топлив проводят, как правило, в статических условиях, когда исследуемая смесь нагревается стенками реактора. Самовоспламенение водорода при низких давлениях (~1 Торр) в районе нижнего предела полагают пространственно однородным по объему реактора [1]. При повышении общего давления горючей смеси следует, однако, ожидать увеличения времени прогрева газа из-за уменьшения коэффициента температуропроводности с ростом давления, что увеличивает вероятность воспламенения горючей смеси вблизи поверхности реактора. Это означает, что с ростом давления нераспределенная задача о самовоспламенении может трансформироваться в задачу о зажигании горючей смеси нагретой поверхностью [2—4].

В литературе данные о пространственном развитии процесса воспламенения горючих газов представлены крайне скудно. В работе [5] при изучении режима двукратного самовоспламенения моносилана при низких давлениях методом раздельного фотометрирования установлена ло-кализованность первого самовоспламенения у стенок реактора. Из этого авторы сделали вывод, что в разветвлении цепей или в стадии, лимитирующей разветвление, участвует компонент, находящийся на поверхности. В [6] методом скоростной шлирен-киносъемки изучено развитие

процесса самовоспламенения дихлорсилана в кислороде в интервале давлений 4—500 Торр и начальных температур 300—400 К. Показано, что процесс воспламенения начинается на поверхности реактора с участием адсорбированных активных центров.

В работе [7] методом скоростной цветной киносъемки изучено пространственное развитие цепного самовоспламенения в реакциях окисления стехиометрических смесей водорода, метана и изобутилена с кислородом при общем давлении 10-100 Торр и Т = 750-1000 К. Установлено, что особенности пространственного развития процесса воспламенения (поверхностное или объемное) при разветвленно-цепном механизме химического взаимодействия определяются соотношением времен химической реакции при температуре нагретой стенки и временем прогрева горючей смеси, а также состоянием и свойствами поверхности реактора. С помощью численного моделирования [7] показано, что увеличение скорости реакции зарождения цепей позволяет наблюдать переход от объемного к поверхностному режиму воспламенения как для диффузионной, так и для кинетической области обрыва цепей. Установлено, что поток активных центров с поверхности в объем приводит к неоднородному развитию самовоспламенения в объеме реактора.

В [7] экспериментально показано, что однородное самовоспламенение при окислении водорода можно наблюдать только для низких давлений (<10 Торр 2Н2 + 02) в районе нижнего предела. Однако, самовоспламенение углеводородов у ниж-

1846

РУБЦОВ и др.

него предела (~70 Торр) всегда начинается вблизи поверхности реактора.

Учет времени прогрева носит принципиальный характер, поскольку обеспечивает иную зависимость времени индукции от характерного размера системы. Покажем это на конкретном примере. Известно, что наибольшие измеренные периоды индукции в реакции окисления водорода при давлениях, близких к атмосферному, достигают 30 с [8]. Оценим время прогрева смеси для водородо-воздушных смесей по соотношению I ~ г2/2Б, где г — характерный размер (см), Б — коэффициент диффузии (см2/с), близкий к коэффициенту температуропроводности, I — время (с). Для реактора с радиусом 6 см и атмосферного давления, что соответствует условиям эксперимента [8] соотношение дает I ~ 36 с при Б ~ ~ 1.0см2/с [9]. Это означает, что воспламенение проходит в условиях неравномерного прогрева.

В отличие от условий эксперимента [8], где реакционный сосуд, предварительно наполненный горючей смесью, помещали в горячую жидкость, в работе [10] схема эксперимента была следующей. В нагретый вакуумированный реактор из буферного объема напускали горючую смесь до давления 1 атм. Из-за резкого перепада давлений в реакционном сосуде возникало конвективное движение газа, что приводило к сокращению времени установления однородного распределения температуры. В работе [10] при атмосферном давлении и температурах реактора от 800 до 980 К было проведено прямое измерение температуры в центре реактора диаметром 10 см и длиной 10 см с помощью тонких термопар диаметром 25 мкм. Установлено, что время прогрева газовой смеси не превышает 0.3 с, что значительно меньше, чем дает формула, учитывающая только кондуктив-ный теплообмен.

Известно промотирующее действие платины, нанесенной на поверхность реактора, на скорость реакции окисления водорода [11]. Это действие выражается в существенном уменьшении температуры самовоспламенения; при этом горение водорода над платиной сопровождается яркими множественными искрами, хаотично вспыхивающими на поверхности реактора. В [12] показано, что такое действие поверхности обусловлено гетерогенным развитием реакционных цепей на платине. Протекание этих гетерогенных реакций повышает вероятность самовоспламенения горючей смеси вблизи поверхности. Следовательно, еще одним фактором, влияющим на однородность воспламенения, является состояние поверхности реакционного сосуда.

Цель исследования состояла в экспериментальном изучении места образования начальных очагов и пространственного развития воспламенения стехиометрических и богатых смесей про-

пана и пентана с воздухом при общем давлении 1 атм методом скоростной цветной киносъемки.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Эксперименты проводили со стехиометриче-скими смесями пропана и пентана с воздухом и богатой смесью пропана с воздухом, при общем атмосферном давлении и начальной температуре реактора Т0 = 600—800 К. Точность измерения температуры реактора составляла ~3%. В экспериментах использовали обогреваемый цилиндрический реактор из нержавеющей стали длиной 25 см и диаметром 12 см, снабженный съемными крышками и окном из оптического кварца в одной из съемных крышек. В центре реактора при необходимости располагали электроды искрового зажигания, расстояние между которыми составляло 0.5 мм. Регистрацию процесса горения осуществляли цветной скоростной кинокамерой Casio Exilim F1 Pro (частота кадров — 300—1200 с-1). Полученные видеофайлы анализировали на компьютере. В реактор, предварительно откачанный и нагретый до нужной температуры, из буферного объема напускали заранее перемешанную горючую смесь до атмосферного давления. Для открытия и закрытия газовой магистрали использовали электромагнитный клапан.

Давление в процессе горения регистрировали с помощью пьезоэлектрического датчика, сигнал с которого подавали через АЦП на компьютер. В момент открытия клапана включался светоди-од, вспышка которого регистрировалась кинокамерой. Это позволяло точно определять период индукции из последовательности кадров для каждого отдельного воспламенения.

Перед каждым опытом реактор откачивали с использованием форвакуумного насоса 2НВР-5Д. Давление в реакторе контролировали образцовым вакуумметром, давление в буферном объеме - образцовым манометром. Газы С3Н8, С5Н12 использовали марки "х.ч.".

Величину нормальной скорости пламени Un определяли из соотношения

Un = Vy/eT [13, 14],

где Vv — видимая скорость пламени. Величину степени расширения продуктов горения sT определяли по величине максимального давления, развиваемого в процессе горения смеси pb [3, 15]:

Pb/P0 = 1 + Y(St — 1). В этом соотношении sT = vTb/T0 (индекс "b" соответствует температуре горения, индекс "0" — начальной температуре). Для исследуемых в данной работе углеводородов изменение числа молей газа при горении — v можно положить равным 1 [14, 15], т.е. St « Т/Т).

(а)

2 (б)

.5

4

г, см

5

(в)

I_21_3\_4 3-

ни; ■!

135

п(1/600 с)

Рис. 1. Видеоизображения (а) первичных очагов самовоспламенения стехиометрической смеси пентана с воздухом в четырех последовательных опытах при температуре стенок 1 — 650, 2 — 643, 3 — 649, 4 — 649 К; 600 кадров/с, р = 1 атм. Номера на рисунке соответствуют порядковому номеру опыта. Последовательности видеоизображений (б) пространственного развития воспламенения в стехиометрической смеси пентана с воздухом при температуре стенок реактора 649 К, зарегистрированные со скоростью 600 кадров/с; р = 1 атм. Номера на рисунке соответствуют номеру видеоизображения. Зависимость видимого радиуса полусферического фронта пламени (в) стехиометрической смеси пентана с воздухом от времени для рис. 1б; г — радиус полусферы горения, п — номер кадра.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В предварительных экспериментах обнаружено, что температура самовоспламенения стехио-метрических смесей пропана и пентана с воздухом при атмосферном давлении в промытом теплой дистиллированной водой и высушен

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»