Особенности ингибирования водородно-воздушных смесей добавкой пропилена

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт 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