Особенности ингибирования водородно-воздушных смесей добавкой пропилена

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Небольшие добавки углеводородов, таких как пропилен, широко исследуемые в качестве ингибиторов горения и взрыва водородно-воздушных смесей, иногда проявляют весьма специфические свойства. Известен механизм ингибирующего действия этих добавок, связанный с интенсификацией обрыва цепей разветвления за счет присоединения атомов водорода; но также известны условия, в которых эти соединения вместо ингибирования оказывают нейтральное и даже промотирующее действие. Такие условия, как и причины, приводящие к тому, что ингибирование практически отсутствует, до сих пор не исследовались. В данной статье рассмотрены результаты численного моделирования, которые позволяют более полно очертить область условий, в которых добавка пропилена практически не ингибирует водородновоздушные смеси, и наметить возможные причины этого эффекта. Представлено решение трех модельных задач: самовоспламенение в реакторе постоянного объема, распространение ламинарного пламени и зажигание газа нагретой проволокой. Расчеты проводились с использованием детального кинетического механизма химических реакций NUIGMech 1.1 (2020). Объектами исследования были три воздушные смеси, содержащие водород в количестве 15, 29.6 и 50 об.% (бедная, стехиометрическая и богатая смесь соответственно) без добавок и с добавкой 1% пропилена.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Беляев

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: belyaevIHF@yandex.ru
Россия, Москва

Б. С. Ермолаев

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук

Email: belyaevIHF@yandex.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Азатян В.В. Цепные реакции горения, взрыва и детонации в газах. Химические методы управления. М.: Изд-во РАН, 2020.
  2. Азатян В.В. Цепные реакции в процессах горения, взрыва и детонации газов. Черноголовка: Изд-во РАН, 2017.
  3. Бунев В.А., Большова Т.А., Бабкин В.С. // Физика горения и взрыва. 2016. Т. 52. № 3. С. 3. https://doi.org/10.15372/FGV20160301
  4. Азатян В.В., Борисов А.А., Мержанов А.Г. и др. // Физика горения и взрыва. 2005. Т. 41. № 1. С. 3.
  5. Азатян В.В., Медведев С.Н., Фролов С.М. // Хим. физика. 2010. Т. 29. № 4. С. 56.
  6. Смирнов Н.Н., Никитин В.Ф., Михальченко Е.В., Стамов Л.И. // Физика горения и взрыва. 2022. Т. 58. № 5. С. 64. https://doi.org/10.15372/FGV20220508
  7. Smirnov N.N., Azatyan V.V., Nikitin V.F. et al. // Intern. J. Hydrogen Energy. 2024. V. 49. P. 1315. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.11.085
  8. Азатян В.В., Бакланов Д.И., Гордополова И.С., Абрамов С.К., Пилоян А.А. // ДАН. 2007. Т. 415. № 2. C. 210.
  9. Замащиков В.В., Бунев В.А. // Физика горения и взрыва. 2001. Т. 37. № 4. C. 15.
  10. Беляев А.А., Ермолаев Б.С., Гордополова И.С. // Горение и взрыв. 2024. Т. 17. № 1. С. 27. https://doi.org/10.30826/CE24170103
  11. ANSYS Academic Research CFD. CHEMKIN-Pro 15112. San Diego, CA, USA: Reaction Design, 2011. CK-TUT-10112-1112-UG-1
  12. Беляев А.А., Ермолаев Б.С. // Горение и взрыв. 2022. Т. 15. № 3. С. 3. https://doi.org/10.30826/CE
  13. NUIGMech1.1. National University of Ireland Galway, 2020. https://www.universityofgalway.ie/combustionchemistrycentre/mechanismdownloads/
  14. Арутюнов В.С., Арутюнов А.В., Беляев А.А., Трошин К.Я. // Успехи химии. 2022. Т. 92. № 7. RCR5084. https://doi.org/10.59761/RCR5084
  15. Паланкоева А.С., Беляев А.А., Арутюнов В.С. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 6. C. 7. https://doi.org/10.31857/S0207401X22060097
  16. Арсентьев С.Д., Тавадян Л.А., Брюков М.Г. и др. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 11. C. 3. https://doi.org/10.31857/S0207401X22110024
  17. Momtchiloff I.N., Taback E.D., Buswell R.F. // Proc. Combust. Inst. 1963. V. 9. Р. 220.
  18. Slack M., Grillo A. NASA Report CR-2896, 1977.
  19. Азатян В.В. // Кинетика и катализ. 2020. Т. 61. № 3. С. 291. https://doi.org/10.31857/S0453881120030041
  20. Dahoe A.E. // J. Loss Prevent. Proc. Ind. 2005. V. 18. № 3. P. 152. https://doi.org/10.1016/j.jlp.2005.03.007
  21. Гельфанд Б.Е., Попов О.Е., Чайванов Б.Б. Водород: параметры горения и взрыва. М.: Физматлит, 2008.
  22. Тереза А.М., Агафонов Г.Л., Андержанов Э.К. и др. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 12. C. 48. https://doi.org/10.31857/S0207401X23120130
  23. Bunev A.V., Babkin V.S. // Mendeleev Commun. 2006. V. 16. № 2. P. 104. https://doi.org/10.1070/MC2006v016n02ABEH002270
  24. Тереза А.М., Агафонов Г.Л., Андержанов Э.К. и др. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 8. C. 68. https://doi.org/10.31857/S0207401X23080113
  25. Зельдович Я.Б. // ЖЭТФ. 1939. Т. 9. Вып. 12. С. 1530.
  26. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980.
  27. Boeck L.R., Meijers M., Kink A., Mevel R., Shepherd J.E. // Combust. and Flame. 2017. V. 185. P. 265. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2017.07.007
  28. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.: Энергоатомиздат, 1990.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Температурная зависимость задержки воспламенения (τ) стехиометрической смеси H2–воздух без добавки пропилена. Сплошная линия – расчет. Опытные данные: квадраты – данные различных авторов, приведенные в работе [17], кружки – данные из работы [18].

Скачать (13KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Температурная зависимость задержки воспламенения смесей H2–воздух без добавки (сплошные линии) и с добавкой 1% пропилена (штриховые линии). Содержание водорода в смеси (в об.%): 15% (1), 29.6% (2), 50% (3).

Скачать (12KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Диаграмма кинетического анализа образования/убыли атомарного водорода с указанием абсолютных скоростей реакций (в моль/(см3 ⋅ с)). Воспламенение водородно-воздушной смеси при содержании водорода 15% с добавкой 1% пропилена при атмосферном давлении и T0 = 1000 K. Прямоугольник вправо от нулевой линии означает образование H, а влево – его убыль. Момент времени – 36.5 мс; температура, соответствующая этому времени – 1099 К.

Скачать (21KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Временны́е зависимости температуры и концентрации атомов водорода (в мольных долях) при самовоспламенении стехиометрической водородновоздушной смеси без добавки ингибитора (а) и с добавкой 1% пропилена (б) при начальной температуре 1000 К.

Скачать (23KB)
Метаданные
6. Рис. 5. То же, что и на рис. 4, при начальной температуре 850 К.

Скачать (26KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Пространственные распределения температуры во фронте волны нормального горения в воздушных смесях с 15% (а) и 50% (б) водорода без добавки пропилена (1) и с добавкой 1% пропилена (2); T0 = 300 К, p = 1 атм.

Скачать (20KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Связь между логарифмом скорости выделения тепла (Φ) и температурой вдоль зоны реакции волны нормального горения воздушных смесей с 15% (а) и 50% (б) водорода без добавки (1) и с добавкой 1% пропилена (2); T0 = 300 К, p = 1 атм.

Скачать (24KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Взаимосвязь между концентрацией (в мольных долях) атома водорода и гидроксила (Xj) с температурой вдоль зоны реакции волны нормального горения в воздушных смесях с 15% (а), 29.6% (б) и 50% (в) водорода без добавки (сплошные линии) и с добавкой 1% пропилена (штриховые линии); T0 = 300 К, p = 1 атм.

Скачать (39KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Температурные профили в стехиометрической смеси H2–воздух около нагретого цилиндра диаметром 10 мм с температурой 1000 К в критических условиях: 1 – наш расчет, 2 – эксперимент [27]. Давление – 1 атм, начальная температура – 296 К.

Скачать (10KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимость времени задержки зажигания τig от температуры нагретой проволоки для смеси H2–воздух при [H2]0 = 50% без добавки (1) и с добавкой 1% пропилена (2).

Скачать (11KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024