научная статья по теме СТАДИЙНОСТЬ, ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ И БИФУРКАЦИЯ В ПРЕДЕЛАХ МОНОФРОНТА УГЛЕВОДОРОДНОГО ПЛАМЕНИ (СООБЩЕНИЕ 1) Химия

Текст научной статьи на тему «СТАДИЙНОСТЬ, ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ И БИФУРКАЦИЯ В ПРЕДЕЛАХ МОНОФРОНТА УГЛЕВОДОРОДНОГО ПЛАМЕНИ (СООБЩЕНИЕ 1)»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2011, том 30, № 8, с. 83-93

Структура фронта пламени углеводородов, кинетика окисления которых чрезвычайно сложна и до конца не понята, представляет несомненный интерес как для науки о горении, так и для практики. Реакции в пламени протекают в условиях сильно меняющихся температуры и концентраций реагентов и промежуточных веществ. Диапазон их изменения включает зоны с существенно различающимися механизмами окисления — от низкотемпературного до высокотемпературного. На процесс вырожденного разветвления накладывается интенсивный поток радикалов из соседних зон.

Коллектив под руководством автора настоящей и последующей статей в течение многих лет исследовал структуру газовых пламен и накопил огромный экспериментальный материал. Автор предпринял попытку обобщить результаты многолетней работы, сформулировав свое мнение о природе зоны реакции в пламенах углеводородов. Это мнение далеко не общепринятое, с рядом рассуждений и утверждений автора трудно согласиться, но, учитывая малую изученность структуры пламени и так называемых предпламенных реакций, редколлегия журнала сочла возможным опубликовать статьи Г.И. Ксандопуло в разделе "Дискуссии" в надежде, что эта публикация может дать начало более широкому обсуждению этой важной проблемы.

СТАДИЙНОСТЬ, ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ И БИФУРКАЦИЯ В ПРЕДЕЛАХ МОНОФРОНТА УГЛЕВОДОРОДНОГО ПЛАМЕНИ

Институт проблем горения, г. Алматы, Казахстан E-mail: ksand@inbox.ru Поступила в редакцию 21.06.2010

На основе постулата о конкуренции в пределах фронта пламени двух механизмов конверсии топлива — низкотемпературного автокатализа (A) и высокотемпературного автоускорения (T), предложен метод измерения степени стадийности пламени заданной горючей смеси — S. Выделены соответствующие зоны преобладания каждого из этих механизмов, активность которых зависит от начальных значений концентраций С0 топлива, температуры Т0 и давления Р. Количественный метод измерения величины S представляет собой нахождение из данных масс-пектрального зондирования фронта пламени отношения максимумов скорости реакций потребления топлива и кислорода и образования воды в зонах А ( АК) и Т (ТКi). Значения S< 1 отвечают монофронту (до бифуркации), S> 1 — бифронту (после точки бифуркации). Точка бифуркации наступает в результате усиления отрицательного температурного коэффициента (ОТК) скорости в момент перехода разности АК — ТК = в в область положительных значений, что является критерием бифуркации. При в < 0 между зонами А и Т нарастает зона ОТК скорости на кривых профиля скорости потребления топлива и кислорода и образования воды. При в > 0 монофронт переходит в бифронт. Установлено, что влияние роста Т0 на форму кривых скорости образования и накопления других продуктов горения, типичных для зоны Т, за исключением О2, топлива и воды, мало или отсутствует. Впервые представлен экспериментальный материал по масс-пектральному зондированию горючих смесей пентана при С0 = а = 1.4, 1.5 и 1.7. На основе опубликованных ранее данных зондирования фронта углеводородных пламен Q—Cg представлены результаты вычисления S. Показано, что величина S для всех пламен является плавно изменяющейся функцией С0 до точки бифуркации. Зависимость S от Т0 отрицательная. Пламена с одинаковыми значениями S идентичны.

Ключевые слова: фактор стадийности, бифуркация, отрицательный температурный коэффициент скорости реакции, монофронт, бифронт, структура фронта пламени.

Явления самовоспламенения и распространения фронта пламени представлены в литературе как два в чем-то сходных и в то же время различных процесса окислительной конверсии топливной смеси. Тепловой баланс процессов производства и

стока тепла является основой тепловой и цепной теории самовоспламенения и распространения пламени [1—3]. Поэтому процессы превращения топливной смеси в условиях стадийного самовоспламенения и в пределах фронта пламени имеют сходные черты. С одной стороны, это чередующие-

ся холодная и горячая вспышки, а с другой — стационарное холодное пламя, отделенное зоной индукции от горячего пламени. Стадийность как общее свойство рассматриваемых двух процессов возникает при некоторых изменяющихся начальных значениях концентрации С0, температуры Т0 и давления Р в исходной топливной композиции [4—6].

Самовоспламенение в том идеальном виде, как это рассмотрено в теории теплового воспламенения [1], по сути может быть представлено как процесс формирования теплового баланса структуры фронта пламени. Поэтому в сосудах с размерами, большими по сравнению с шириной фронта, вспышка самовоспламенения является суммой двух процессов: формирования фронта и его распространения.

В зависимости от С0, Т0 и Р время возникновения фронта достигает нескольких секунд. Характерное же время конверсии топлива в распространяющемся фронте составляет лишь 10—3—10-2 с. Сравнительно малое время реакции во фронте обусловлено наличием диффузионного потока активных частиц из горячей его зоны в топливную смесь, чего нет в условиях формирования первой части процесса самовоспламенения.

Фактор диффузии наряду с теплопередачей является основополагающим процессом при распространении газофазного пламени. В момент возникновения вспышки самовоспламенения устанавливается диффузионный поток активных центров. В результате за короткое время увеличивается скорость конверсии горючей смеси со свойством стадийности и вследствие этого температура субстрата становится выше предельной температуры существования холодного пламени, составляющей 700—800 К. Причиной затухания вспышки является отрицательная температурная зависимость коэффициента скорости (ОТК) одной или нескольких реакций за пределом температурного интервала 700—800 К. Если реактор проточный, то повторяется следующая аналогичная вспышка, а при определенных условиях соотношения скоростей потока и реакции возможно установление автоволнового режима выгорания топлива. В такого рода превращениях нет стационарного диффузионного потока активных частиц. С момента установления во фронте стационарного воспроизводства активных частиц и диффузионного потока в свежую смесь нарушается любая возможность возникновения и продолжения автоколебаний. Автоингибирование колебательного процесса обусловлено сопряжением факторов диффузии, скорости тепловыделения и ОТК.

В закрытом сосуде теплопотери менее значимые и поэтому устанавливаются релаксационные вспышки, переходящие от холодной к высокотемпературной голубой, с нарастанием температуры до

почти полного перевода окислителя в оксид углерода, воду, образования сажи, олефинов и др.

Возникновение стационарного двух- и более стадийного пламени в потоке подпредельной богатой топливной смеси рассмотрим, развивая представление о реакции диффузионного потока на переменные С0, Т0 и Р. Атомарный водород, обладающий максимальным коэффициентом диффузии, занимает ведущее положение в процессе формирования скорости конверсии топлива, теплопроиз-водства и в целом скорости распространения фронта. В условиях почти стехиометрических пламен кривая распределения концентрации атомов водорода в пределах фронта пламени пропана не является плавной экспонентой [7—9]. Своей формой она свидетельствует о наличии источника атомов водорода в низкотемпературной зоне фронта; аналогичная кривая распределения радикалов гидроксила в сущности повторяет профиль концентрации атомов водорода [10].

К сожалению, в литературе отсутствуют систематические сведения об изменении в пределах фронта качественного и количественного составов диффузионного потока радикалов в свежую горючую смесь по мере возрастания в ней С0 и Т0. Однако имеются опубликованные исследования распределения в пределах фронта массовых потоков, скорости реакции убыли и накопления исходных промежуточных и конечных компонентов реакционной смеси в пламенах углеводородов С1—С6 при атмосферном давлении [7, 9—20]. Они получены в пламенах с различным С0 и Т0 и косвенно характеризуют функцию диффузионного потока во фронте указанных пламен. Наряду с этим для некоторых пламен имеется также прямой материал исследования распределения в пределах фронта атомов водорода в небольшом интервале изменения С0 [18, 20]. В дополнение к этим данным имеется также материал исследования распределения скорости объемного тепловыделения в пределах указанного рода пламен [7, 9, 18, 20].

Бифуркация структуры фронта стационарного пламени рассматривается здесь как образование из одного фронта двух его метаморфоз — двух монофронтов (а в целом бифронта), разделенных переходной зоной разрыва. Каждый монофронт, как и зона разрыва, имеет собственную структуру, а также характерную реакцию на какое-либо внешнее воздействие. Тот факт, что вторая зона существует на фоне первой по сути не является главным в вопросе о применимости данного термина. Главное в том, что раздвоение структуры фронта и образование зоны разрыва обуславливают возникновение нового характерного свойства фронта в виде бифронта, от-

личного от изначального, присущего монофронту, т.е. до бифуркации.

Обратная связь в бифронте по диффузии из второй зоны в первую фактически прерывается из-за преобладания ширины разрыва над величиной расстояния диффузии активных частиц и тепла в первую зону. Так что в моно- и в бифронте пламени эфира на кривых профиля концентрации веществ и температуры, а также в зоне разрыва возникают один или два перегиба, нарушающих плавный ход процесса нарастания и убыли на кривых профиля концентрации исходных, промежуточных и конечных веществ [21—24].

Термин "монофронт" использован для выделения предмета исследования бифронта и рассматривается здесь в традиционном понимании фронта пламени как самосогласованная последовательность реакций конверсии топливной смеси с преобладанием скорости тепловыделения над теплопоте-рями, с нижней границей С0 и Т0 и верхней границей температуры равновесных продуктов горения, очерченной верхней границей зоны люминесценции. Термин "волна горения" используется как

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Пoхожие научные работы по теме «Химия»

КСАНДОПУЛО Г.И. — 2011 г.

БОЛЬШОВА Т.А., КОРОБЕЙНИЧЕВ О.П., РЫБИЦКАЯ И.В., ЧЕРНОВ А.А., ШВАРЦБЕРГ В.М., ШМАКОВ А.Г. — 2010 г.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎