CC BY
33
Рухов Артем Викторович
Rukhov Artem Viktorovich
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» Federal state budgetary educational institution of the higher vocational training
«Tambov state technical university» Старший преподаватель / The senior teacher Кандидат технических наук E-Mail: [email protected]
Туголуков Евгений Николаевич
Tugolukov Evgeniy Nikolaevich Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» Federal state budgetary educational institution of the higher vocational training
«Tambov state technical university» Профессор кафедры / The professor д.т.н. / профессор E-Mail: [email protected]
05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий
Подготовка исходного углеродсодержащего сырья для производства углеродных волокнистых наноматериалов
Preparation of initial raw materials containing carbon for manufacture
сarbon fibrous nanomaterials
Аннотация: Представлены результаты анализа опыта эксплуатации технологической схемы производства углеродных волокнистых наноматериалов. Показан способ адсорбционного демпфирования для стабилизации давления и расхода исходных углеродсодержащих газов. Разработана математическая модель процессов адсорбции и поставлена задача проектирования адсорбционного демпфера.
The Abstract: Assay values of operating experience of the technological circuit design of manufacture carbon fibrous nanomaterials are presented. The way adsorptive dampings for stabilisation of pressure and the charge of initial gases containing carbon is shown. The mathematical model of processes of adsorption and a designing task in view adsorptive the impulse neutralizer is developed.
Ключевые слова: Углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна, нанотехнология, математическое моделирование, оптимальное проектирование оборудования.
Keywords: Carbon nanotubes, carbon nanofibres, nanotechnology, mathematical modeling, optimising equipment designing.
***
Проведенные анализ существующей технологической схемы производства углеродных волокнистых наноматериалов (УВНМ) показал, что причиной не стабильности качественных и количественных показателей углеродного наноматериала является не совершенство
системы подготовки исходной углеводородной смеси, участка подготовки исходных газовых компонентов [1].
В технологиях синтеза углеродных волокнистых наноматериалов (УВНМ) реализуемых в ООО «НаноТехЦентр» в качестве исходного углеродсодержащего вещества используется пропан- бутановая смесь ГОСТ 20448-90 [2]. Данный выбор продиктован доступностью сырья и его высокой технологичностью. Пропан- бутановая смесь содержит наиболее тяжелый предельный углеводород при стандартных условиях находящийся в газообразном состоянии. В процессе объемного термического пиролиза пропан- бутановой смеси образуется более разнообразный радикальный состав, определяющий, в том числе, морфологию будущих наноматериалов, а изменением режимных параметров процесса пиролиза можно достаточно просто управлять качественными и количественными характеристиками УВНМ.
Опыт эксплуатации показал, что в технические устройства, применяемые в системе подготовке исходного газообразного сырья (газовые регуляторы давления) вследствие своих конструктивных особенностей (большой гистерезис прижимной пружины регулятора, низкое качество обработки седла клапана, температурная чувствительность) приводят к случайным флуктуациям давления углеводорода в трубопроводе, что соответственно сказывается на расходе газа. Соответственно не стабильность расхода определяет непостоянство времени пребывания единичной порции углеводорода в реакционной зоне, что в свою очередь негативно сказывается на стабильности характеристик УВНМ.
С целью снижения флуктуаций давления и расхода исходного сырья, рекомендуется включение в технологическую схему адсорбционного демпфирующего устройства, представляющего собой емкостной аппарат, заполненный адсорбентом с максимальной емкостью по используемому углеродсодержащему веществу. Демпфер компенсирует флуктуации расхода и давления за счет адсорбции или десорбции газа. Так же данный аппарат позволяет в ограниченных диапазонах сглаживать изменение состава газа.
В рамках разработанной методики создания аппаратурного оформления производства УВНМ [3] необходима поставка локальной задачи оптимального проектирования адсорбционного демпфера системы подготовки исходного углеродсодержащего вещества. Задача проектирования демпфера может быть решена с использованием методов математического моделирования.
В объекте математического моделирования можно выделить три основных взаимосвязано протекающих процесса:
• массообменный (массоперенос адсорбтива из потока на поверхность гранулы сорбента и массопередача адсорбата внутри гранулы сорбента);
• тепловой (теплоперенос внутри гранулы сорбента, теплоотдача от поверхности гранулы сорбента в поток инертного носителя и теплоотдача от стенки адсорбционного аппарата в окружающею среду);
• гидродинамический (обтекание потоком носителем адсорбтива гранул сорбента).
Сделаем следующие допущения:
1. Концентрационные и температурные поля потока углеводорода одномерны
(отсутствует градиент концентрации и температуры по радиусу адсорбционного аппарата).
2. Гранулы сорбента имеют однородную структуру и правильную сферическую форму.
3. Пренебрегаем молекулярным переносом массы и тепла в потоке углеводорода.
4. Газ движется в режиме идеального вытеснения.
Проектирования адсорбционного демпфера системы подготовки исходных компонентов производства УВНМ подразумевает определение следующих основных конструктивных и режимных параметров:
• отношение высота и диаметра аппарата, ИЮ;
• начальная температура реакционных газов, Тн;
• давление реакционных газов, Р.
Универсальными критериями оптимальности для задачи проектирования адсорбционного демпфирующего оборудования являются экономический показатель -себестоимость стабилизации давления и расхода единицы массы углеродсодержащего сырья.
Используя математическую модель тепло- массопереноса в аппарате с неподвижным слоем сорбента, постановку задачи определения основных конструктивных и режимных параметров имеет следующий вид:
{% Т(0),Р(0)};
/ = -1
О
Ю
(ц б ИтЮ р + М(Ю, И, в) ■ ЦМ)
\мСОрб Иш V , > ) + цэн _ р^ (0,Т),Ж)
(1)
т
э
Изменение поля концентрации в газовом потоке:
+ ж Э с(х,т) + к с„ (х,т)=; (х,т), (3)
от а х
где К, = 3 ^п(1 ~£) ; ^ (х,т) = К ■ о;(х,т).
Я Рп
Н.у. с,(х,0) = 2( х). (4)
ГУ. о (0,т) = с„п г(т). (5)
Изменение поля температуры в газовом потоке:
о ? (х,т) ттгд ? (х,т) ^ \ \
—^—-+к2 (х,т)=;2 (х,т), (6)
от а х
где К2 = аП + аП2 ; ;2(х,т) = 4(ашП1<;М + аП2<;хт ;
Я ■ р ■ с . тЮ2 р ■ с .
г п п£ г п Ы
3-т2(1 -е); П =т0
1 4 Я
Н.У. г„ (х,0) = /.(х). (7)
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
ГУ. г, (От) = <0П1(т).
Изменение поля концентрации в частице сорбента:
дсш (г,т)_тл ( Э сш (г,т),20сш (г,т)
-=в
дт *
дг2
дг
; 0 £ г £ Я.
Н.У. Сш (т,°) = /ш2(г)- С*. Г.У. Сш (0,т) <¥ ;
дСш (Я,т)
В ~'ш гр
дг
+ Р-Сш (Я,т) = 0.
Изменение поля температуры в частице сорбента:
Эш (г,т)=„ 2 ( Э гш (г,т), 2Эш (г,т)
где а
2
дт
Лд
дг2
г дг
Ч
-; 0 £ г £ Я,
с ґ Р
шґ г д
Сшґ рш
- температуропроводность материала гранул сорбента.
Н.У. С (г,0) = /ш1(г) - ^.
Г.У. ?ш (0, т) <¥ ;
, Эг (Я, т) /л ч „
Я -------------а ■г (Я,т) = 0.
ш Ш Ш V 7 /
Эг
Изменение температурного поля в стенке аппарата:
Эс(У,т) „2 Эгс2(У,т)
дт
= а,
ду2
; 0 £ у £ в,
где а1
Л
с Р
с Г с
- температуропроводность материала стенки адсорбера.
Н У. *с(У, 0) = / (У).
Г.У. Л дґс(0,т) + а(г - ґ(0,т)) = 0;
с дт СПС
Л +а (ґ(в, т) - ґ ) = 0.
— ср V с V 5 -/ ср -/
дт
Н . £ Н £ Н ; В . £ В £ В ; Т. £ Т0 £ Т ; Р . £ Р £ Р
шіп шах ’ шіп шах ’ шт 0 шах ’ шт т
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
С(0) = С0; С(0)-щ £ с(Ь) £ С(0) + Щ; 0(0) -Щ £ 0(Ь) £ О(0) + щ. (19)
|АСД0)| £ ЛС0; |А0Д0)| £ АО0; т, £ V (20)
г
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru
С* = /\(Т, Р, [С ]); С* = /2 (Т, Р, [С ]); Ч = /з(Т, т). Ь = /.(Яе,,Рг,); а = /5(Ке,Рг,Ог); в = /б(Р,В).
(21)
(22)
Необходимо найти такие варьируемые параметры (1), что критерий оптимальности (2) достигает своего минимума при выполнении условий (3) - (22).
Проверка адекватности математической модели методом сравнения расчетных и экспериментальных данных, показала расхождение менее 13%.
Проведен анализ функционирования системы подготовки исходного сырья технологической схемы производства УВНМ. Разработана математическая модель тепло-массопереноса в процессах адсорбции. В рамках методики разработки аппаратурного оформления технологической схемы производства УВНМ, поставлена задача оптимального проектирования адсорбционного демпфера.
Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ МК-6578.2013.8.
спи -концентрация углеродсодержащего вещества в газовом потоке в адсорбционном демпфере, кг/кг; с пи- равновесная концентрация в газовом потоке в адсорбционном демпфере, кг/кг; сш -концентрация в частице сорбента в адсорбционном демпфере, кг/кг; с ш,
- равновесные концентрация на поверхности частицы сорбента в адсорбционном демпфере, кг/кг; с0п2 - начальная концентрация углеродсодержащих веществ в адсорбционном демпфере, кг/кг; сдпи - теплоемкость газового потока в адсорбционном демпфере, Дж/(кг- К); сдш -теплоемкость частицы сорбента в адсорбционном демпфере, Дж/(кг- К); сс - теплоемкость стенки адсорбционного демпфера, Дж/(кг- К); Ю - диаметр адсорбционного демпфера, м; Юш -коэффициент диффузии в грануле сорбента в адсорбционном демпфере, кг/(м- с); /п1 -начальное распределение температуры в газовом потоке адсорбционного демпфера, °С; /п2 -начальное распределение концентрации в газовом потоке адсорбционного демпфера, кг/кг; /с
- начальное распределение температуры в стенке адсорбционного демпфера, °С; /ш1 -начальное распределение температуры в частице сорбента в адсорбционном демпфере, °С; /ш2
- начальное распределение концентрации в частице сорбента в адсорбционном демпфере, кг/кг; Ос - массовый расход углеродсодержащей смеси, кг/с; И - высота слоя сорбента адсорбционного демпфера, м; q - удельный тепловая мощность процесса сорбции в адсорбционном демпфере, Вт/м3; Р - давление углеродсодержащих веществ, Па; г -пространственная координата, м; Яс - радиус гранул сорбента в адсорбционном демпфере, м; гпи - температуры в газовом потоке в адсорбционном демпфере, °С; г0п1 - начальная температуры газового потока в адсорбционном демпфере, °С; г;з, г;4 - температуры поверхности гранул сорбента и стенки адсорбционного демпфера, соответственно, °С; г0, -начальная температура исходной газовой смеси, °С; гс, - температура стенки адсорбционного демпфера, °С; гш - температура в грануле сорбента в адсорбционном демпфере, °С; Ж -скорость газового потока в адсорбционном демпфере, м/с; х, У - пространственные координаты, м; Ощ, Ос - коэффициент теплоотдачи от частиц сорбента к газовому потоку и от газового потока к стенке адсорбционного демпфере, Вт/(м2-К); в, - коэффициент эффективной углеродсодержащего газа к поверхности сорбента адсорбционного демпфера, кг/(с- м2); 5 - толщина стенки адсорбционного демпфера, м; е - порозность слоя частиц сорбента в адсорбционном демпфере; Хс - коэффициент теплопроводности стенки адсорбционного демпфера, Вт/(м-К); V - коэффициент теплопроводности частицы сорбента в
Выводы
Использованные обозначения
адсорбционном демпфере, Вт/(м- К); рп - плотность газового потока углеродсодержащих веществ в адсорбционном демпфере, кг/м3; рс -плотность материала стенки адсорбционного демпфера, кг/м3; рш - плотность частицы сорбента в адсорбционном демпфере, кг/м3 т -время, с; тэ - время эксплуатации адсорбционного демпфера, с; 9 - толщина стенки обечайки адсорбционного демпфера, м; Ц,н, Цсорб, ЦМе - цены на электроэнергию, сорбент и материал корпуса обечайки, соответственно, руб./(кВт- ч), руб./кг, руб./кг.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рухов, А.В. Процессы и реакционное оборудование производства углеродных
наноматериалов / А.В. Рухов // -М.: Издательский Дом «Академия
Естествознания», - 2013. - 141 с.
2. Ткачев А.Г. Каталитический синтез углеродных нанотрубок из газофазных
продуктов пиролиза углеводородов. / А.Г. Ткачев, С.В. Мищенко, В.И. Коновалов. // Российские нанотехнологии. - 2007. - Т. 2. - № 7-8. - С. 100-108.
3. Рухов, А.В. Методика проектирования аппаратурного оформления производств углеродных нанотрубок и нановолокон // Фундаментальные исследования. -2013. - № 8, Ч. 6. - С. 1351-1355.
Рецензент: Промтов Максим Александрович, декан факультета международного образования ТГТУ, д.т.н., профессор, Тамбовский государственный технический университет.
