Технические науки / Отраслевое машиностроение
Скачков
В.О., Іванов В.І., Воденнікова О.С., Мосейко Ю.В.
ПРО Визначення кінетичних
параметрів процесу осадження пІроВУГЛЕЦЮ
Запорізька державна інженерна академія
Процеси заповнення пористої структури жаростійких матеріалів і вуглецевої
кераміки піровуглецем припускають точний розрахунок швидкості осадження
твердого вуглецевого осаду з газового середовища. Як газову фазу використовують
газоподібні вуглеводні (метан, пропан, ацетилен тощо).
Для першого порядку реакції осадження піровуглецю із
пропану
можна записати у вигляді
,
(1)
де W - лінійна швидкість
перебігу газу реакційною зоною, 
, Q, C – витрата і концентрація
реакційного газу відповідно; x -
лінійна координата щодо вісі реактора; k - константа швидкості осадження піровуглецю; Rеф
- приведений радіус прохідного перерізу реакційної зони;
m0 - маса
вуглецевих волокон до осадження піровуглецю.
Вирішення рівняння (1) знаходять у вигляді
ехр 
, (2)
де С0 - початкова
концентрація реакційного газу.
Процес
осадження піровуглецю описують
рівнянням:
ехр 
, (3)
де dm -
приріст маси піровуглецю на ділянці реакційної зони довжиною dx; t - тривалість процесу
осадження піровуглецю.
Після інтегрування
рівняння (3) щодо довжини реакційного об'єму х одержують:
, (4)
де m0, mк -
маса вуглецевих волокон до та після осадження піровуглецю відповідно; L - довжина пучка волокон.
Із рівняння (4) з урахуванням співвідношення для W визначають
константу швидкості осадження піровуглецю k:
ln 
. (5)
Для константи швидкості осадження піровуглецю k,
записаної у вигляді співвідношення Арреніуса:
ехр 
, (6)
де R - універсальна газова
постійна, - знаходять енергію активації Е і передекспоненту k0 за
формулами:
; 
exp 
Тi,
ti
– відповідно температура і тривалість процесу в i-му досліді; N - кількість проведених
дослідів 
; 
.
Під час постановки експериментів особливу увагу приділяли питанню
підготовки вуглецевих волокон, поверхня яких є енергетично неоднорідною та містить
субмікроскопічні відкриті пори. Для усунення впливу даних чинників вуглецеві
волокна заздалегідь покривали піровуглецем (кількістю до 6…8 % від їх маси).
При цьому в зразках сягали повного усунення пористості, а геометричні розміри
волокон практично залишалися без змінювань.
Експерименти щодо осадження піровуглецю із пропану в термохимическом
реакторі здійснювали за величини надмірного тиску в його робочому обсязі DР
= 350 Па, температуру даного процесу регулювали автоматично з точністю ± 3 °С.
Результати експериментів подано у таблиці.
Параметри процесу осадження піровуглецю із пропану
|
Середня довжина во- локна L, м |
Маса
волокон, г |
Температура осадження
T, °С |
Тривалість
осадження t, год. |
Витрата
газу Q, 10-5, м3/с |
|
|
m0 |
mк |
||||
|
0,056 |
3,3550 |
3,4038 |
630 |
2,25 |
1,55 |
|
0,053 |
2,8548 |
2,8762 |
630 |
0,75 |
0,80 |
|
0,050 |
2,1824 |
2,2042 |
630 |
1,00 |
1,10 |
|
0,050 |
2,0806 |
2,1427 |
660 |
1,00 |
1,10 |
|
0,040 |
2,6317 |
2,7572 |
720 |
1,00 |
0,80 |
|
0,050 |
2,8548 |
2,8762 |
730 |
1,55 |
0,80 |
За даними
таблиці, використовуючи співвідношення для розрахунків Е і k0, обчислюють параметри константи
швидкості осадження піровуглецю, які становлять відповідно: Е =
134,316 кДж/моль і k0 = 4,47104×, а далі - значення константи швидкості
осадження піровуглецю із пропану за різної температури у даному
інтервалі.