(23)

Здесь R=r/rw=1-h/hо , hо= .

Система уравнений баланса масс имеет вид:

, i=1,2,3       (24)

где ji -соответственно, источниковый член. Для кислорода (i=1), промежуточного продукта (i=2) и ВМС (i=3); сi‑весовая концентрация; Di и DTi соответственно коэффициенты молекулярной и турбулентной диффузии, рассчитываемые согласно теории кинетики химических реакций.

Граничные условия :

r=0; =0.

х=0; C1=Co; C2,3=0                                                (25)

r=rw ;  ;  .

Запишем выражения для источниковых членов:

j1=K1c1cRHr2/МRH ;

j2=K1c1cRH/-K2c2cRHr/МRH;                             (26)

j3=K3c3cRHr2/МRH

Мi -молекулярная масса, кг/кмоль; Ki=Ai.exp(-Ei/RT) -константы скоростей реакций окисления углеводорода.

Система уравнений (11-26) решается конечно‑разностным методом.

В качестве последнего граничного условия (25) принято равенство диффузионного потока потоку массы вследствие реакции на стенке: J3w=Kwc3w, где Кw -константа скорости реакции на стенке. Величина Kw выбрана из условия совпадения с экспериментом по скорости образования коксоотложений в кинетическом режиме.

Для учета влияния дезактивации металлической поверхности вследствие коксоотложений принималось, что скорость дезактивации имеет первый порядок по константе скорости основной поверхностной реакции:

  ,                              (27)

где tн -время наработки, Kg -константа скорости дезактивации, определяемой по изменению доли площади поверхности, покрываемой отложениями.

Данная модель позволила детально изучить свойства процесса коксоотложения на основе результатов численного моделирования. Это особенно важно при изучении такого сложного процесса, как термоокисление топлив, т.к. многие стадии этого процесса практически не поддаются экспериментальным исследованиям.

Рис.14. Распределение концентраций продуктов окисления

реактивного топлива  РТ по длине канала х

(трубка Æ4х1500; 1 -О2; 2 –промеж. прод.; 3 -ВМС).

Результаты моделирования условий образования кокса при течении нагреваемых топлив в каналах продемонстрированы на рис. 14, где  приведена зависимость среднемассовых концентраций кислорода, промежуточного продукта, ВМС по длине канала х при тепловой нагрузке qw=3,8.105 Вт/м2; расходе G=0,585.10-2 кг/с; и температуре на входе Твх=373 К для топлива РТ. Концентрация примесей принималась равной нулю.

В главе 5 представлены данные по теплообмену и образованию отожений при течении углеводородных топлив в условиях реализации химического хладоресурса.

Химический хладоресурс так же, как и физический, может использоваться при подводе тепла к топливу непосредственно от теплонапряженных элементов при их охлаждении или же как промежуточный теплоноситель (например, в топливо-воздушном или топливо-газовом теплообменнике). При этом продукты химических превращений топлив могут быть перед подачей в камеру сгорания использованы в качестве рабочего тела для привода агрегатов системы топливопитания двигателя. Появляется возможность разработки комбинированных ВРД новых схем, работающих по более современным, чем цикл Брайтона, термодинамическим циклам за счет использования возможностей топлива как хладагента, рабочего тела с высокой газовой постоянной и высококалорийного горючего.

Исследования закономерностей термической деструкции топлив проводились при атмосферном и повышенном давлениях и температурах до 900 oС на экспериментальной установке (Рис.4). В результате проведенных опытов установлено, что при температурах ниже 575-600 оС газообразование практически не наблюдается. Повышение температуры выше 575-600 оС приводит к появлению газообразных продуктов, что свидетельствует о термическом разложении топлив. Увеличение времени пребывания (контакта) также способствует росту газообразования. Изучение же закономерностей образования отложений при термической деструкции показало, что в условиях турбулентного течения металлическая поверхность покрывается тонким сплошным слоем кокса.

Как следует из вышеизложенного, для установок многоразового использования образовавшиеся отложения ставят проблему по их очистке.

В главе 6 приведены физико-механические, физико-химические, химико-термические способы удаления отложений.

Физико-механические методы очистки загрязненных коксоотложениями трубопроводов основаны, как правило, на разрушении отложений путем промывки моющими средствами с ультразвуковым или термоакустическим воздействием. Они используются в основном для очистки неответственных деталей или деталей, механическая обработка которых не представляет опасности с точки зрения нарушения их прочности или состояния рабочей поверхности. Этот метод обладает невысокой эффективностью при очистке трубопроводов сложной конфигурации (колен с большими углами загиба, змеевиков и трубопроводов, имеющих глухие полости, впадины и экранированные зоны, исключающие непосредственное попадание в них ультразвуковых волн и т.д.). С помощью этого метода (Табл.2) недостаточно эффективно удаляются твердые отложения, т.к. для этого, как показывают опыты, увеличение трения вследствие торможения потока жидкости недостаточно. Поэтому очистка трубопроводов требует значительного времени и, как правило, разборки установок. Несмотря на то, что этот метод позволяет производить очистку трубопроводов большой длины, тем не менее эта длина ограничена вследствие снижения интенсивности колебаний вдоль трубы. Имеет место продольная неравномерность очистки трубопровода, т.к. начальный участок очищается лучше, чем остальные.

Таблица 2.

Эффективность очистки физико-механическими методами

Физико-химические методы (Табл.3) являются более эффективными по сравнению с физико-механическими и основаны на удалении коксоотложений посредством щелочных соединений, поверхностно-активных веществ, синтетических моющих средств и растворяюще-эмульгирующих средств.

Таблица 3.

Эффективность очистки физико-химическими методами

* Время очистки - 1 час.

Полученные результаты показали, что посредством СМС и РЭС удаляются в основном смолообразные вещества, образованные при температурах поверхности ниже 400 оС. Однако СМС и РЭС малоэффективны при очистке от асфальтено-смолистых и коксообразных веществ, образованных при температурах стенки выше 400 оС. При этом более эффективным средством оказались РЭС.

Недостатком данного метода является: 1. Низкая эффективность удаления твердого кокса. 2. Более интенсивное повторное коксование. 3.Большая длительность процесса очистки.

Химико-термические методы (Табл.4) являются наиболее эффективными по сравнению с выше рассмотренными. Как видно из этой таблицы, химико-термические методы позволяют достичь наиболее высокой степени очистки от кокса (80-100%). Метод выжигания отложений оказался наиболее эффективным. Экспериментальное исследование закономерностей выгорания коксоотложений в потоке О2 проводилось на установке микроэлементного анализа (Рис.8). Через трубку с коксом, нагреваемую снаружи газовой горелкой до температур 800-980 оС, продувался поток О2 или смесь О2+N2 при температуре Т@20 оС.

Недостатком этого метода является высокая энергоемкость процесса, и кроме того, сам процесс удаления кокса путем выжигания осуществляется при высоких температурах (800-950 оС), при которых возможны деформация и разрушение очищаемых элементов.

Таблица 4.

Эффективность очистки химико-термическими методами

Автором разработана технология (Рис.15) и опробован на реальных объектах метод удаления коксоотложений посредством озонолиза.

Рис.15 Схема технологического процесса удаления коксоотложений озонированием

1 -баллон с кислородом; 2 - генератор озона; 3 - реактор; 4 - электропечь;

5 - очищаемый элемент; 6 – анализатор двойных связей АДС-4;

7 - бак для промывки органическими растворителями;

8 - бак для промывки водными растворами неорганических веществ;

9 - бак для промывки водой; 10 - бак для сушки.

Удаление коксоотложений посредством озонирования проводилось следующим образом: трубка с коксом продувалась смесью О2+О3 при температурах 20-150 оС в течение 15 мин. В качестве источника О3 использовали генератор озона ГО-3 (концентрация О3 в кислороде 4% объемн.). После обработки озоном отложения последовательно обрабатывались ацетоном и 18%-ным водным раствором едкого натрия при температурах 70-85 оС.

В таблице 5 приведены данные по степеням удаления кокса на стадиях озонирования и последовательной обработки растворителями.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6