РАСЧЕТ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА НА БАЗЕ АППАРАТА ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ ДЛЯ СИНТЕЗА НАНОРАЗМЕРНЫХ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ ИЗ НИТРАТ-ОРГАНИЧЕСКИХ ПРЕКУРСОРОВ В СЛОЕ

В публикации [1] представлен один из вариантов термохимического реактора на базе аппарата пульсирующего горения (АПГ) для получения нанодисперсных оксидов металлов сжиганием нитрат-органических прекурсоров.  В англоязычной литературе реализуемый в реакторе метод известен как «Solution Combustion Synthesis (SCS)». В той же публикации обсуждаются преимущества предложенного реактора по сравнению с традиционным оборудованием синтеза.  Общий вид модифицированной конструкции термохимического реактора представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Термохимический реактор на базе АПГ: 1 – АПГ с набором поворотных резонансных труб квадратного сечения, 2 – реакционная камера для загрузки прекурсора, 3 -  съемная крышка, 4 – отверстие выпуска продуктов сгорания и газов сжигания нитрат-органического прекурсора

Реактор работает в периодическом режиме. В реакционную камеру 2 загружается жидкий нитрат–органический прекурсор, например, водный раствор азотнокислых солей Ni(NO₃)₂·6H₂O, Mg(NO₃)₂·6H₂O с глицином NH₂CH₂COOH. На базе этого прекурсора  синтезируется классический оксидный катализатор NiO/MgO для производства углеродных нанатрубок каталитическим пиролизом углеводородов.  Закрывается крышка 3 и производится запуск АПГ 1. Высокоскоростной и высокотемпературный поток продуктов сгорания быстро удаляет растворную и капиллярную влагу из прекурсора и нагревает его до температуры самовоспламенения. Нагрев происходит через стенки резонансных труб АПГ, на которые загружен прекурсор. Дополнительно нагрев происходит от потока продуктов сгорания, которые движутся над прекурсором и выводятся через отверстие 4. Это исключает возможность высокотемпературного окисления атмосферного азота в зоне горения нитрат-органического топлива и выделение оксидов азота. После окончания синтеза АПГ 1 отключается. Крышка 3 снимается и производится ручная выгрузка продукта. Далее цикл синтеза повторяется.

Для представленной конструкции необходимо рассчитать параметры АПГ и реакционной камеры. Для этой цели нами разработана методика расчета подобных термохимических реакторов. Методика включает формулировку входных данных:

- исходная рецептура прекурсора (состав азотнокислых солей металлов, вид органического горючего, их массовое стехиометрическое соотношение и количество воды, необходимое для растворения компонентов);

- расчет суммарной массы прекурсора m_п (кг) и растворителя (воды) m_в (кг) на единичную загрузку в реактор;

- задание времени цикла τ (с) на получение металлического оксида в «старт-стоп» режиме работы реактора;

- измерение, поиск или расчет теплофизических свойств прекурсора и продуктов сгорания АПГ: t₀ – начальная температура прекурсора при загрузке в реактор, ^оС; t_к – температура кипения раствора прекурсора, ^оС; t_р – температура самовоспламенения, т.е. температура начала экзотермической реакции горения нитрат-органического топлива, ^оС; с_рп – средняя удельная теплоемкость водного раствора прекурсора при постоянном давлении в диапазоне температур от t₀ до t_к, Дж/(кг·К); r – удельная теплота парообразования воды при условиях близких к нормальным, Дж/кг; с_т – средняя удельная теплоемкость нитрат-органического топлива без учета растворной и капиллярной влаги при постоянном давлении в диапазоне температур от t_к до t_р, Дж/(кг·К).

Расчет ведут по следующему алгоритму, рассчитывая промежуточные и окончательные параметры.

1) Количество тепла на нагрев прекурсора до температуры кипения, Дж:

Q₁ = m_п·c_рп·(t_к – t₀).

2) Количество тепла на испарение влаги из исходного раствора, Дж:

Q₂ = m_в·r.

3) Количество тепла на нагрев безводной нитрат-органической смеси до температуры самовоспламенения, Дж:

Q₃ = (m_п – m_в)·c_т·(t_р – t_к).

4) Суммарное тепло необходимое для реализации целевого процесса с учетом 30 % запаса, Дж:

Q_Σ =1,3·(Q₁ + Q₂ + Q₃).

Коэффициент запаса 1,3 учитывает потери тепла в окружающую среду через стенки АПГ и реакционной камеры, также термическое сопротивление процессу теплопередачи от продуктов сгорания к прекурсору.

5) Расход продуктов сгорания G_пс из АПГ для реализации целевого процесса синтеза нанодисперсного оксида, кг/с:

G_пс = Q_Σ/[c_пс·(t_псн – t_пск)·τ],

где с_пс – средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания в АПГ при постоянном давлении в диапазоне температур от t_псн до t_пск, Дж/(кг·К); t_псн – начальная температура продуктов сгорания в АПГ, ^оС; t_пск – конечная температура продуктов сгорания на выходе из реактора, ^оС. Параметры с_пс, t_псн, t_пск  определяются выбранным горючим для реализации пульсирующего горения в АПГ и массовым соотношением k_m = G_о/G_г, где G_о – расход окислителя (воздуха), кг/с; G_г – расход горючего, кг/с. Термодинамические параметры продуктов сгорания в АПГ определяют по методике изложенной в [2].

6) Тепловая мощность АПГ для реализации целевого процесса синтеза оксида, Вт:

,

где  – низшая теплота сгорания выбранного горючего, Дж/кг; η – КПД аппарата пульсирующего горения.

7) Расчет геометрических параметров АПГ на заданную мощность проводят, например, по методике [3].

8) Для полученных размеров резонансной трубы по пункту 7 проводится поиск набора эквивалентных по площади сечения квадратных труб.

9) Определяются размеры реакционной камеры термохимического реактора  для загрузки нитрат-органического прекурсора с учетом коэффициента заполнения φ = 0,4 – 0,5.

С использованием предложенной методики спроектирован термохимический ректор на базе АПГ с тепловой мощностью 20 кВт.

1. Баранов А.А. Термохимический реактор на базе аппарата пульсирующего горения для синтеза нанодисперсных оксидов металлов сжиганием нитрат–органических прекурсоров в слое / А.А. Баранов, В.Н. Ворожейкин, Д.А. Полубояринов // Графен и родственные структуры: синтез, производство и применение [Электронный ресурс]: материалы V Международной научно-практической конференции / под общ. ред. оргкомитета; ФГБОУ ВО «ТГТУ», 12–13 октября2023 г. – Тамбов: Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2023. – С. 141 – 145.
2. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дергалин, А.П. Тишин, В.А. Худяков // Под ред. В.П. Глушко. – М.: АН СССР ВИНИТИ, 1971, т.1.
3. Баранов А.А. Метод расчета геометрических размеров устройств пульсирующего горения на заданную тепловую мощность / А.А. Баранов, В.И. Быченок, А.А. Коптев // Вестник ТГТУ. Тамбов: Изд-во. Тамб. гос. техн. ун-та. 1998. Т. 4. №1. С. 59 – 63.

Все статьи автора «Баранов Андрей Алексеевич»