Газодинамика детонационных и окислительных процессов в насыщенных пористых средах

• Автор: Балапанов, Данияр Маликович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 162 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ФОРМУЛИРОВКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
1.1. Литературный обзор
1.1.1. Горение и детонация газов в пористых средах
1.1.2. Каталитические реакторы утилизации сероводорода
1.1.3. Современные численные методы газовой динамики
1.2. Постановка задачи и общие уравнения математической модели
1.2.1. Вывод уравнений движения среды
1.2.2. Замыкающие соотношения и векторная запись модели .
Глава 2. ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД И ЕГО ТЕСТИРОВАНИЕ .
2.1. Сравнительный анализ некоторых ТУБ и ЕМО схем
2.2. Интегрирование отдельных подсистем
2.2.1. Конвекция: схема УЕГЮ 5-го порядка
2.2.2. Кинетика и межфазные взаимодействия: метод Гира
2.2.3. Диссипация: неявная схема с нелинейностью на верхнем слое
2.2.4. Постановка и реализация граничных условий
2.3. Решение тестовых задач
2.3.1. Вхождение волны типа «ступенька» в насыщенную пористую среду
2.3.2. Распространение ударной волны в газе с Рг = 3/
2.3.3. Установившееся течение в сопле Лаваля
2.3.4. Детонация Ченмена-Жуге в политропном газе
Глава 3. ГОРЕНИЕ И ДЕТОНАЦИЯ ГАЗОВ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ
3.1. Постановка задачи и замыкание модели
3.1.1. Кинетика горения и уравнения состояния
3.1.2. Межфазные взаимодействия и коэффициенты переноса
3.1.3. Начальные и граничные условия
3.2. Структура волн стационарной детонации
3.3. Турбулентный механизм передачи тепла
3.4. Моделирование быстрого горения
3.5. Выводы

Глава 4. ГАЗОДИНАМИКА ОКИСЛЕНИЯ СЕРОВОДОРОДА В СОТОВОМ КАТАЛИТИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ
4.1. Постановка задачи и замыкание модели
4.1.1. Геометрические параметры реактора
4.1.2. Кинетическая модель и уравнения состояния
4.1.3. Межфазные взаимодействия и коэффициенты переноса
4.1.4. Начальные и граничные условия
4.2. Тепломассообмен в пробной ячейке
4.3. Моделирование стационарного процесса
4.3.1. Рабочий режим реактора
4.3.2. Ускорение течения газа
4.3.3. Каналы переменного сечения
4.3.4. Охлаждаемый реактор
4.4. Запуск реактора и возмущения параметров подачи
4.4.1. Температурный режим запуска
4.4.2. Колебания входных параметров
4.5. Выводы
Заключение
Литература

Введение
Актуальность темы. Изучение течений в газонасыщенных пористых средах при наличии химических реакций представляет собой актуальную проблему с точки зрения фундаментальной и прикладной науки. Многообразие физико-химических процессов, протекающих внутри фаз и на границах их раздела, обуславливает широкий спектр наблюдаемых в таких системах макроскопических эффектов, среди которых можно назвать: автоколебательные режимы и тепловые взрывы в каталитических реакторах, фильтрационное горение, медленная детонация и быстрое горение газа в инертной пористой среде, галопирующая детонация и др. Детальное математическое моделирование реагирующих газовых потоков в пористых средах является интересной и трудоемкой теоретической задачей вследствие больших отличий в характерных временах и масштабах физических процессов, и сложной структуры течения, вынуждающей использовать статистический подход.
Практический интерес к данной проблематике подогревается необходимостью разработки и усовершенствования технических устройств промышленности, таких как: реакторы гетерогенного катализа, топочные устройства, печи для термической обработки пористых материалов, огнепреградители, подземные газовые резервуары, воздушные фильтры, респираторы и.т.д. Требуют наращивания теоретической базы технологии термохимической очистки и газоразрыва нефтеносных пластов с пониженной проницаемостью.
Возрастающие требования к экологичности и экономической эффективности химических производств ставят перед химической технологией задачу развития методов непрерывной переработки токсичных газовых отходов в гетерогенных каталитических реакторах. В настоящее время ведутся активные исследования и внедрение на производстве проточных каталитических реакторов с неподвижными блоками катализатора сотовой структуры. Такие аппараты обладают низким гидравлическим сопротивлением и высокой удельной поверхностью, поэтому, они наиболее применимы для процессов с высоким экзотермическим эффектом при малых временах контакта. Сотовые каталитические реакторы прошли успешные испытания при очистке от сероводорода хвостовых газов процесса Клауса попутных газов нефти и геотермального пара (3. Р. Исмагилов и др., 2004). В реакторах с сотовым слоем при протекании сильно экзотермической реакции газ развивает высокие скорости и ускорения, а поле скоростей в канале может быть сильно неоднородным по сечению. Игнорирование этих гидродинамических особенностей приводит к неправильной оценке времени контакта и к завышению расчетных показателей эффективности реакторов. Для усовершенствования технологии и выбора оптимальных рабочих параметров необходимо создавать модели сотовых реакторов, учитывающие тепловое расширение газа, турбулиза-

1.2. Постановка задачи и общие уравнения математической модели
Рассмотрим движение химически активной гетерогенной смеси газа (фаза 1) и твердых частиц (фаза 2) одинаковой формы и размера. Частицы плотно упакованы и образуют консолидированный твердофазный каркас (скелет). Во многих случаях давление продуктов экзотермических реакций недостаточно велико для существенной деформации или разрушения скелета такой пористой среды. Например, можно показать, что для изменения объема, занятого скелетом из стальных частиц с ~ 1 мм, на 1%, в газе необходимо создать давление ~ 105 бар. Из-за малой сжимаемости стали давления 102-103 бар, которые развиваются при газовой детонации, не приводят к сколько-нибудь заметным деформациям частиц, а упругая энергия скелета в таких условиях на много порядков меньше тепловой энергии газа. Поэтому, в дальнейшем будем придерживаться предположения о том, что твердая фаза неподвижна и несжимаема, а движется только газ в порах.
Рис. 1.2. К постановке задачи: 1 — непрерывная газовая фаза, 2 — дисперсная твердая фаза.
Среда может быть поставлена в такие условия, когда газ движется преимущественно в одном направлении х, и все переменные изменяются только вдоль х. Одномерная структура потока является типичной для устройств химической промышленности непрерывного действия и лабораторных экспериментальных установок, где рабочая или исследуемая среда заключена в узкую трубу (диаметр много меньше длины) с жесткими стенками, и направление трубы определяет направление течения (см. рис. 1.2). В связи с распространенностью и практической важностью подобных течений, задача формулируется в одномерной постановке на конечном отрезке Г2 = [О, Ь] £ К.
1.2.1. Вывод уравнений движения среды
Воспользуемся подходом механики многофазных систем, который изложен в основополагающем труде [22]. Подход позволяет разграничить движе-