Технические науки / машиностроение

Скачков В. А., Иванов В. И., Нестеренко Т. Н., Мосейко Ю. В.

Запорожская государственная инженерная академия

К ОПРЕДЕЛЕНИЮ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ КАРБОНИЗОВАННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ

При газофазном уплотнении углеродных композитов наиболее большое значение имеет пористая структура. Высокая эффективность данного процесса предполагает наличие профилированной пористости, которую обеспечивают расчетные параметры процесса газификации карбонизованных углепластиков.

Для определения кинетических параметров процесса профилирования пористой структуры разработали методику и выполняли экспериментальные исследования.

В качестве углеродных материалов использовали пиролитический углерод (ПУ), стеклоуглерод (СУ) и технический углерод (ТУ) в виде сажи.

Получение образцов пиролитического углерода осуществляли путем его осаждения на поверхности углеродных волокон в среде природного газа, образцов стеклоуглерода - методом размола компактного материала после отверждения феноло-формальдегидной смолы (90 весовых частей СФ-010 и 10 весовых частей ГМТА). В качестве образцов технического углерода использовали навески канальной сажи.

Процессы подготовки и проведения экспериментов реализованы по следующей схеме: подготовка навески и расчет ее удельной поверхности; размещение навески на силоизмерительном устройстве и герметизация установки; разогрев нагревателя до установленной температуры и подача реакционного газа с заданной скоростью; ввод навески в зону с установленной температурой и регистрация потери массы навески; отбор и анализ реакционных газов, а также расчет параметров газификации.

Таблица 1 – Характеристики исходных материалов

Наименование характеристики	Номера опытов
	1	2	3	4	5	6
материал навески	ПУ	ПУ	СУ	СУ	ТУ	ТУ
удельная поверхность, 10^3 м^2/кг	0,530	0,530	0,016	0,016	100,0	100,0
масса навески, 10^3 кг	1,310	1,258	0,542	0,642	0,294	0,228
поверхность навески, 10^4 м^2	6940	6660	84,05	99,60	294800	228400

Линейную скорость газификации W порошкообразных углеродных материалов определяли как

, (19)

где W_уд – удельная скорость газификации, 1/(м×с); S – площадь поверхности порошка, м².

Удельную скорость газификации задавали в виде:

, (20)

где k – константа скорости газификации, 1/(м²·с); С – концентрация реакционного газа, кг/м³.

Константу скорости газификации k представляли с использованием формулы Аррениуса:

, (21)

где k₀ – предэкспонента, 1/(м²×с); Е – энергия активации процесса газификации, Дж/кг; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кг×К); Т – температура процесса, К.

Используя соотношения (19)…(21) и результаты выполненных экспериментов, рассчитывали параметры констант скоростей газификации для исследуемых углеродных материалов. Значения энергии активации и предэкспоненты представлены в табл. 2.

Таблица 2 – Кинетические параметры константы скоростей газификации

Материал	Единица измерения	ПУ	СУ	ТУ
Энергия активации Е	кДж/кг	3656,0	6000,0	266,8
Предэкспонента k0	м^2/кг×с	0,96	4484,9	0,00036

Из табл. 2 видно, что максимальным значением энергии активации характеризуется стеклоуглерод, а минимальным значением – технический углерод.

Наличие указанного различия обусловлено структурой исследуемых материалов. Так, стеклоуглерод имеет глобулярную структуру, состоящую из лентоподобных образований атомов углерода. Технический углерод представляет собой микропорошок, частицы которого имеют эффективный размер от нескольких атомов углерода до нескольких сотен микрометров. На поверхности крупных частиц технического углерода наблюдается тонкий слой пиролитического углерода [1,2]. Пиролитический углерод, полученный осаждением на нагретой поверхности в среде природного газа, имеет упорядоченную кристаллическую структуру, которая состоит из атомных плоскостей, располагаемых параллельно поверхности подложки осаждения, при этом атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.

Практическое отсутствие пористости пиролитического углерода и частиц технического углерода, высокая степень упорядоченности их структуры обеспечивают значения линейной скорости газификации на два порядка ниже, чем для стеклоуглерода.

Литература:

1. Кнорре, В. Г. Сажа из ацетилена [Текст] / В. Г. Кнорре, П. А. Теснер // Процессы горения в химической технологии и металлургии : сборник научных трудов. – Черноголовка : ОИХФ АН СССР, 1975. – С. 58-69.

2. Теснер, П. А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы [Текст] / П. А. Теснер. – М. : Химия, 1972. – 136 с.