CC BY
2
с 1
ТЕХН1ЧН1 НАУКИ L
УДК 661.666.4
Б01: 10.15587/2313-8416.2017.87784
ДОСЛ1ДЖЕННЯ СТВОРЕННЯ СИСТЕМИ ТРАНСПОРТНИХ ПОР У ВУГЛЕЦЕВИХ КОМПОЗИТ1В ШЛЯХОМ ГАЗИФ1КАЦ11
© В. О. Скачков, В. I. 1ванов, О. Р. Бережна, Т. М. Нестеренко
Розглянуто структуру пор карбонгзованих вуглепластиюв. Запропоновано опис пористо'1' структури па-раболiчним законом розподшу за чотирма локальними максимумами. Вивчено закономiрностi формуван-ня системи транспортних пор у структурi карбонгзованих вуглепластиюв з урахуванням окиснення Их бiчноi поверхт та реального розподшу пористог структури за величиною радiусiв пiд час газифЫацп у середовищi дюксиду вуглецю. Розглянуто задачу перенесення дiоксиду вуглецю за довжиною пор ву-глепластика, що забезпечуе задане профшювання його структури пiд час газифiкацii Ключовi слова: карботзований вуглепластик, газифiкацiя, дiоксид вуглецю, профшювання структури, транспортнi пори
1. Вступ
Технология одержання високощшьних вугле-цевих композипв припускае заповнення пористо! структури карбошзованого вуглепластика тролити-чним вуглецем, осаджуваним з газово! фази шд час розкладання природного газу.
Пд час тролггичного ущшьнення пористих ву-глецевих композита наявнють транспортних пор та !х геометрична форма значно впливають на розподш пiролiтичного вуглецю за об'емом композиту, як за умов iзотермiчного, так i термоградiентного методiв.
Висока ефектившсть методiв пiролiтичного ущiльнення припускае наявнють профiльованоi по-ристостi, яку забезпечуе процес газифшацп карбош-зованих вуглепластишв.
Основними технологiчними параметрами про-цесу газифiкацii' карбонiзованого вуглепластика е його загальна тривалiсть, температура та концентра-цiя газового реагенту (дюксиду вуглецю), початкова пористють матерiалу, яку формують на етапах виго-товлення вуглепластика та процесу його карбошзацп.
2. Лiтературний огляд
Процес вдосконалення структури та тдви-щення функцюнальних властивостей вуглецевих композитiв припускае заповнення пористо! структури проли^ним вуглецем, осаджуваним з газово! фази вуглеводшв [1].
Вiдомi iзотермiчнi методи осадження шроль тичного вуглецю, що характеризуются рiвномiрним
розподiлом температури за товщиною стiнки пористого карбонiзованого вуглепластика [1-3]. В цьому разi швидшсть осадження пiролiтичного вуглецю знижуеться у мiру видалення вiд поверхнi до центру стшки композиту [4].
Термогращентш методи припускають тдви-щення температури вщ поверхнi композиту, яку не омивае реакцшний газовий потiк, до його поверхш, що е приступною для газоподiбних вуглеводнiв. _При цьому реалiзуеться процес заповнення пористо! структури пiролiтичним вуглеводнем у напрямi вiд неприступно! поверхнi композиту до його приступно! поверхнi [1, 5].
У робот [6] подано реалiзацiю термоградiент-ного процесу ущшьнення методом ращально рухомо! зони пiролiзу за товщиною стiнки пористого вугле-цевого композиту.
Одним з пiдходiв, що дозволяють за умов iзо-термiчного процесу ущ№нення пористо! структури вуглецевих композипв вирiвнювати швидкостi осадження пiролiтичного вуглецю у центрi товщини стшки та на поверхш стшки, е метод профшзацп транспортних пор шляхом газифшацп у середовищi дiоксиду вуглецю [7, 8].
Розробка технолопчних режимiв, що забезпе-чують вдосконалення структури i пiдвищення функ-цiональних властивостей вуглецевих композипв, припускае створення уточнених методiв розрахунку профiлю пористо! структури з урахуванням реального розпод^ пор за величиною !х ращуав.
3. Мета та задачi дослвдження
Мета дослiдження - вирiшення задачi шд-вищення функцiональних властивостей шроущшь-нених вуглецевих композицiйних матерiалiв при-пускае максимально повне заповнення пористо! структури карбонiзованих вуглепластикiв шро-вуглецем.
Завданням дослiджень е розробка моделi про-цесу формування у пористш структурi карбошзова-них вуглепластишв системи транспортних пор зада-ного профшю шляхом газифiкацii вуглепластикiв у середовищi дiоксиду вуглецю.
4. Розробка методики процесу профшюван-ня пор
Процес газифiкацii реалiзують у робочому об-сязi термохiмiчних реакторiв проточного типу в се-редовищi дiоксиду вуглецю.
Перенесення дюксиду вуглецю дифузiею вздовж модельно! пори карбошзованого вуглеплас-тика можна описати рiвнянням:
f (r ) = a • rf
(5)
де üi - параметр розподiлу.
На функцш (4) накладаеться умова нормуван-ня, що задае частку пор у межах локальних груп, з ура-хуванням якого параметр розподшу at мае вигляд:
ü. =
3qi
Г 3 - r 3 '
' -) v ' 1 v
(6)
де qi - частка пор у межах кожного локального максимуму; г1и, г2и - мшмальний i максимальний роз-мiри i -го локального максимуму вщповщно.
Значення середнього радiусу пор ТТ у межах кожного локального максимуму можна розрахувати як
r =
0,75 q • (r2/ - Г4)
(7)
d2C 2k
d t2
D • r
• f (C),
(1)
де С - концентращя дюксиду вуглецю; I - координата щодо довжини пори вуглепластика; к - константа швидкосп газифiкацii вуглецю; Б - коефiцiент дифузii' дiоксиду вуглецю; г - радус пори; / (С) -
концентрацшна функцiя.
Рiвняння (1) доповнюють граничними умовами
С t= 0 = c
П .
0 .
dC_ d t
= 0,
(2)
(3)
Диференщальне рiвняння перенесення реак-цшного газу вздовж цилiндричного реактора проточного типу з урахуванням його розкладання на нагрь тих поверхнях i в пористiй структурi карбошзованого вуглепластика можна подати як [10]:
d (C •U)
dx
= -2k •ß^d^ C,
(8)
де U - швидшсть переб^ реакцiйного газу вздовж реактора. ß - коефiцiент масопровiдностi.
в = -
1
R •
ß+k •(1 - qn)+qn
де С0 - концентрацiя дiоксиду вуглецю на поверхнi
карбошзованого вуглепластика. h - половина товщи-ни стiнки вуглепластика.
Вирiшення рiвняння (1) з умовами (2) i (3) задае розподiл концентраци дiоксиду вуглецю за дов-жиною пори карбонiзованого вуглепластика:
С =
С0 • (exp (-z • t) + exp [z • (t - 2h)
1 + exp(-2z•h)
(4)
qn - вщносна пористють поверхнi карбонiзованого вуглепластика. R - радус реактора. N - шльшсть характерних максимумiв пор.
Реакщю газифiкацii записують у виглядг
C + CO2 » 2CO .
(9)
Для реакцй' (9) розподш реакцiйного газу вздовж реактора з урахуванням ступеня його розкла-дання можна записати як
де z - корiнь характеристичного рiвняння z = (2k/r • D).
Пористу структуру карбошзованих вуглеплас-тикiв задають кривою розподiлу пор по величин 'х радiусiв, яка мае чотири локальнi максимуми [9].
Для кожно' групи пор щiльнiсть 'х розподшу за розмiрами можна апроксимувати параболiчною залежнiстю:
Cco2 = CCO2 -(1 -а). (10)
Cco = CCO2 -(1 + 2а). (11)
U = Ux-(1 + а), (12)
де а - мiрa розкладання дюксиду вуглецю. С[
вх
СО,
концентращя дюксиду вуглецю на входi до реактора.
t= h
i=1
Uex, U - швидшсть подачi ra3iB на входi та вздовж
реактора вщповщно.
PiBHHHHH (8) з урахуванням спiввiдношень (10)-(12) можна записати як
3а da к-ß-в
- +—-— = 0,
1 -a dx
U х
(13)
Для рiвняння (13) гранична умова визначае значення мiри розкладання реaкцiйного газу на входi до реактора
а = 0 .
ix=0
(14)
З виршення рiвняння (13) з урахуванням умо-ви (14) стутнь розкладання дiоксиду вуглецю за до-вжиною реактора а визначиться як
а
(x ) =
/ \ 0,5
' 2к-в-рл
v 3uex у
(15)
Використання виршень (4) i (15) припускае вщомими значення констант швидкостi газифжацп рiзних форм вуглецю у середовищi CO2.
5. Результата дослiдження
Визначення шнетичних пaрaметрiв процесу га-зифжацп скловуглецю, пiролiтичного та технiчного вуглецю, яш е складеними компонентами матриц кaрбонiзовaного вуглепластика, виконано експери-ментальним шляхом. Кiлькiснi значення к1нетичних пaрaметрiв процесу газифшацп подано у табл. 1.
Таблиця 1
Кшетичш параметри констант швидкостей
Кшетич-ний параметр Одини-ця вимь ру Шроль тичний вуглець Скло-вуг-лець Техшч- ний вуглець
Енерг1я активаци Е кДж/кг 3656,0 6000,0 266,8
Передекс-понента к0 м2/кг^с 0,96 4484,9 0,00036
Для середнiх значень радiусiв чотирьох лока-льних максимумiв пор на кривих порограми одержано залежносп розподiлу концентрацii дiоксиду вуглецю (СУСо) уздовж пор ввд вщношення поточного значення довжини пор (х) до !х максимального зна-
чення (у) (рис. 1), а також залежносп змiнювання вiдношення поточного радусу пори (г) до його максимального значення (Г1) за товщиною стшки карбо-нiзованого вуглепластика (рис. 2).
1,0 0,8
1
2
3
4
0,8 1,0 x/y
Рис. 1. Розподш дюксиду вуглецю за довжиною пор з середшми значеннями рaдiусiв, мкм: 1 - 16,5; 2 - 2,85; 3 - 0,713; 4 - 0,0085
З aнaлiзу кривих рис. 1 i 2 виходить, що транс-портш пори мають рaдiус, значення якого зростае ввд середини товщини кaрбонiзовaного вуглепластика до його поверхш.
1,0 0,8 , 0,6 0,4 0,2 0,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
x/y
1,0
Рис. 2. Змiнювання вщношення поточного радiусу пори до його максимального значення за товщиною стiнки вуглепластика, мкм: 1 - 16,5; 2 - 2,85;
3 - 0,713; 4 - 0,0085
6. Висновки
1. Розроблена математична модель забезпечуе проведення розрахуншв процесу газифiкацii пористо! структури з визначенням швидкостi подачi i концен-трацii дiоксиду вуглецю.
2. Розрахунковi параметри процесу газифжацп та сформований профiль пор забезпечують умови для рiвномiрного газофазного осадження пiровуглецю по товщинi стiнки карбошзованого вуглецевого компо-зицiйного матерiалу.
Ллтература
1. Скачков, В. О. Методи газофазного ущшьнення карбонiзованих вуглепластикiв пiровуглецем [Текст] / В. О. Скачков, С. А. Воденнжов, В. I. 1ванов, Т. М. Нестеренко, О. Р. Бережна // Биепсе^е. - 2016. - Т. 10, № 2 (27). - С. 16-21. аог 10.15587/2313-8416.2016.80473
2. Фиалков, А. С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе [Текст] / А. С. Фиалков. - М.: Аспект Пресс, 1997. - 718 с.
3. Федосеев, Д. В. Гетерогенная кристаллизация из газовой фазы [Текст] / Д. В. Федосеев, Р. К. Жучко, А. Г. Грив-цов. - М.: Наука, 1978. - 100 с.
4. Скачков, В. О. Модель процесу формування щшьност вуглецевих композицшних MaTepianiB [Текст] / В. О. Скачков, В. I. 1ванов, Т. М. Нестеренко, С. М. Григорьев, А. В. Карпенко // Математичне моделювання. - 2000. - T. 2, № 5. -С. 75-77.
5. Гурин, В. А. Газофазные методы получения углеродных и углерод-углеродных материалов [Текст]: сб. науч. тр. / В. А. Гурин, В. Ф. Зеленский // Вопросы атомной науки и техники. - 1999. - T. 4, № 76. - С. 13-31.
6. Гурин, В. А. Исследование газофазного уплотнения пироуглеродом пористых сред методом радиально движущейся зоны пиролиза [Текст] / В. А. Гурин, И. В. Гурин, С. Г. Фурсов // Вопросы атомной науки и техники. - 1999. - Т. 4, № 76. - С. 32-45.
7. Скачков, В. А. Профилирование пористой структуры и плотности углеродных композитов в среде диоксида углерода [Текст]: наук. пр. / В. А. Скачков, В. И. Иванов, О. Р. Бережная // Металурпя. - 2012. - Т. 3, № 38. - С. 114-120.
8. Скачков, В. А. О моделировании процесса профилирования пористой структуры углеродных композитов [Текст]: наук.-метод. конф. / В. О. Скачков, В. I. 1ванов, Т. М. Нестеренко, Ю. В. Мосейко // Проблеми математичного моделювання. - Дтпродзержинськ, 2015. - С. 67-70.
9. Байгушев, В. В. Технология производства композиционных углерод-углеродных материалов электротермического назначения [Текст]: дис. ... канд. техн. наук / В. В. Байгушев. - Днепропетровск, 2006. - 140 с.
10. Скачков, В. А. Моделирование процесса разложения углеводородов в термических реакторах проточного типа [Текст] / В. А. Скачков, В. И. Иванов, Н. А. Карпенко, В. И. Середич // Известия Вузов. Черная металлургия. - 1991. -№ 12. - С. 33-35.
Рекомендовано до публгкацИ д-р техн. наук, професор Критська Т. В.
Дата надходження рукопису 13.12.2016
Скачков Вжтор Олексшович, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра металурги, Зaпоpiзькa державна шженерна aкaдeмiя, пр. Соборний, 226, м. Заиоргжжя, Украша, 69006 E-mail: colourmet@zgia.zp.ua
1ванов BiKTop Iллiч, старший науковий сшвробггник, кафедра металурги, Зaпоpiзькa державна шженерна aкaдeмiя, пр. Соборний, 226, м. Зaпоpiжжя, Украша, 69006
Бережна Ольга Руслашвна, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра металурги, Зaпоpiзькa державна iнжeнepнa академш, пр. Соборний, 226, м. Зaпоpiжжя, Украша, 69006
Нестеренко Тетяна МиколаТвна, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра металурги, Зaпоpiзькa державна шженерна академш, пр. Соборний, 226, м. Зaпоpiжжя, Украша, 69006
