Исследование химии горения богатых углеводородных пламен

• Автор: Якимов, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 153 с. : ил.

Содержание

Введение

Список использованных сокращений

Глава 1. Литературный обзор. Механизм химических реакций горения углеводородов и

предельные явления в пламенах

1.1. Применение молекулярно-пучковой масс-спектрометрии для изучения

структуры пламен

1.2. Горение кислородсодержащих углеводородов

1.3. Пути образования первичной ароматики в пламени

1.4. Предельные явления в предварительно перемешанных пламенах

1.5. Детектирование частиц в пламени методом поглощательной терагерцовой
спектроскопии
Постановка задачи
Г лава 2. Методический подход
2.1. Экспериментальная часть
2.1.1. Структура пламени, низкое давление
2.1.2. Структура пламени, атмосферное давление
2.1.3. Методика измерения температуры пламени с помощью термопар
2.1.4. Определение концентрационных пределов распространения методом
горелки на встречных потоках
2.1.5. Детектирование частиц в пламени методом поглощательной терагерцовой
спектроскопии
2.2. Метод компьютерного моделирования
2.2.1. Постановка задачи для программы РЛЕМГХ
2.2.2. Постановка задачи для программы ОРРБШ
2.2.3. Определение концентрационных пределов распространения с помощью ОРРБК
2.2.4. Кинетические механизмы. Плоское пламя
2.2.5. Кинетические механизмы. Пламя на встречных потоках
Глава 3. Результаты. Структура пламен этилена и смеси этилен/этанол
3.1. Профили концентраций веществ в богатых пламенах при давлении 30 торр
3.2. Профили концентраций веществ в богатых пламенах при давлении 1 атм
3.3. Анализ путей реакций образования бензола
3.4. Модификация механизма
Глава 4. Результаты. Определение влияния ТМФ на концентрационные пределы
распространения пламени метано-воздушной смеси
Глава 5. Результаты. Поглощение терагерцового излучения частицами пламени
Основные результаты и выводы
Приложение I. Пример входного файла программы Р11ЕМ1Х
Приложение И. Пример входного файла программы ОРРБШ
Литература

Введение
Горение любого, даже самого простого углеводородного топлива представляет собой сложный физико-химический процесс, кинетическое описание которого может включать в себя десятки частиц и сотни элементарных реакций с их участием. Механизм превращения одних частиц пламени в другие наиболее разнообразен в богатых пламенах - т.с. при недостатке кислорода. По этой причине в качестве продуктов горения в богатых пламенах образуется большое количество вредных и загрязняющих веществ - оксидов азота и серы, сажи, угарного газа. Изучение особенностей механизма горения богатых углеводородных смесей важно как с экологической точки зрения, так и с точки зрения повышения эффективности процесса горения в двигателях, а также безопасности хранения и эксплуатации горючих газов.
Регулирование выбросов загрязняющих веществ, в том числе сажи, в последние годы стало одним из основных мотивов для исследования горения и пиролиза углеводородных топлив. Это связано с возросшим беспокойством относительно влияния деятельности человека на состояние окружающей среды. В настоящее время многие исследователи сходятся во мнении, что предшественниками образования частиц сажи в пламени являются полиароматические углеводороды (ПАУ), а лимитирует процесс образования ПАУ стадия формирования первичного ароматического кольца [1]. В литературе имеются детальные кинетические механизмы горения углеводородов, описывающие, в том числе, образование сажи, однако, они далеки от завершенности.

Как отмечалось выше, детальный кинетический механизм может включать в себя большое количество элементарных стадий. Не для всех из них известны константы скорости, а получение кинетических данных даже для некоторых из них посредством прямых измерений, особенно в области температур, близких к температуре горения, является сложной задачей. В последнее время интенсивно развиваются методы квантово-химических расчетов констант скорости, но и они не могут удовлетворить все потребности в знании констант скорости. Поэтому широко распространенным методом, который успешно зарекомендовал себя в науке о горении, позволяющим изучать детальный механизм реакций горения с оценкой констант скорости неизвестных и малоизученных элементарных реакций в пламени, является сопоставление различных экспериментальных данных с результатами моделирования на основе предполагаемой детальной кинетики. При сопоставлении большего количества экспериментальных данных, полученных в разнообразных условиях (при различной геометрии пламени, его составе, давлении и т.д.), с результатами расчета, увеличивается предсказательная способность механизма и его применение в практических приложениях становится более обоснованным.
Сравнение эксперимента с моделированием обычно ведется по таким параметрам как скорость распространения пламени, время задержки зажигания, профили концентраций веществ и др. Химическая и тепловая структура пламени (профили концентраций веществ и температуры), как наиболее фундаментальная его характеристика, дает большой объем информации для построения и корректировки механизма химических реакций.

теплопотери из зоны горения путем кондуктивного переноса тепла в стенки сосуда, в котором распространяется пламя, и путем излучения. С уменьшением скорости горения интенсивность теплоотвода по обоим механизмам возрастает, так как при этом возрастает продолжительность процесса теплоотдачи от каждого элемента нагретого газа. При определенной критической интенсивности тепловых потерь тепловой режим горения перестает быть стационарным. Зона реакции прогрессивно охлаждается, реакция замедляется и пламя затухает. Это состояние соответствует пределу распространения пламени. Из изложенного следует, что скорость горения не может быть меньше определенного критического значения.
С другой стороны, при приближении к пределу распространения уменьшается температура горения. Падение температуры приводит к замедлению чувствительных к температуре цепных реакций радикального разветвления и относительно менее чувствительных к температуре реакций обрыва цепей. При определенных условиях любые сколь угодно малые потери тепла приводят к возвращению сверхравновесных концентраций радикалов пламени к равновесным с последующим гашением. Это соответствует изложенному выше представлению о концентрационных пределах распространения как о характеристике только состава горючей смеси при заданной температуре и давлении.
Влияние различных пламегасителей и ингибиторов горения (хлорфторуглеводородов, бромсодержащих углеводородов) на КПРП углеводородо-кислородных смесей было ранее исследовано [121, 122], однако влияние фосфорсодержащих соединений на КПРП до настоящего времени не было изучено. Изучение влияния ингибиторов горения (в том числе и фосфорорганических) на КПРП позволяет, с одной стороны, оценить возможность