Результаты испытаний газогенератора АВГ-45 на сплавах ферросилиция с добавками бария ФС 75 Ба1 и ФС 75 Ба4 и сплавах ФСА 15, ФСА 30 и ФСА 30 Мн1
1) – для разогрева реактора добавлено 30 грамм сплава А-98КаМг.
Установлено, что объем водорода, выделившийся в результате взаимодействия с водой сплава ФСА 30, незначительно отличается от объема полученного в подобной реакции с ФС 75. При производстве водорода в зимний период требуется добавление порошка алюминия для разогрева реактора. Наибольшая производительность реактора наблюдается при работе во время взаимодействия сплава ФС 75 Ба1 с водой. Температура в этом случае близка к указанной в инструкции [17]. Во время взаимодействия сплава ФСА 30 Мн1 с 13,3 % раствором едкого натра полнота реакции равна α = 80 %, что в два раза превышает кинетические опытные данные – см. табл. 3.5. Максимальные температуры отмечены в опытах с ФС 75 Ба1 и ФСА 30 Мн1 – см. табл. 5.2. В летний период (в операторной 19 - 25 °С) при использовании сплава ФС 75 Ба1 наружная стенка нижней части баллона разогревается до 160 - 180 °С, для ФСА 30 Мн1 до 180 - 200 °С. В зимний период (в операторной 0 - 7 °С) температура изменяется следующим образом. Для реакции со сплавом ФС 75 Ба1 максимальная температура наружной стенки нижней части баллона составила от 140 - 160 °С, для ФСА 30 Мн1 – 170 - 190 °С. Температура газа во время реакции в верхней части газогенератора колеблется в пределах от 90 до 105 °С, после охлаждения реактора – не более 50 °С. Судя из графика 5.3 рост температуры реагирующей смеси, как правило, Высокие температуры, зафиксированные автором работы [36] в начале процесса, связаны, по-видимому, с касанием спая термопары поверхности реагирующих частиц. Тепло, выделяемое во время реакции, идет на прогрев продуктов взаимодействия, избытка воды и металла нижней части реактора. Расчетная температура, определяемая для опытов с ФС 75 Ба1 из теплового баланса, соответствует экспериментально найденной (240 ºC в зимний период и 270 ºС в летний). В холодное время воду, подаваемую на реакцию, разогревают до 50 - 60 °С, так как при заливке холодной воды (tH2О = 10 - 15 °С) реакция не развивается. Установлено, что продукты взаимодействия сплава ФСА 15 невозможно выгрузить из реактора. По-видимому, данное обстоятельство частично связано со снижением температуры процесса. Продукты реакций сплавов ФС 75 Ба1 и ФС 75 Ба4 свободно удаляются из АВГ-45. Как известно, материальный баланс аппарата связывает скорость образования водорода в реакционном объеме с производительностью реактора. Математическая интерпретация баланса соответствует уравнениям (3.3), (3.4). Подставив уравнение (3.4) в выражение скорости выделения водорода из зависимости (1.31) получаем
L = ∆V/(fуд ∆τ ∆μ). (5.1)
Расчетные значения коэффициента L для кинетического реактора и газогенератора АВГ-45 представлены в таблицах 3.6, 3.7, 5.3 и на рисунке 5.4.
Таблица 5.3 Термодинамические и кинетические данные реакций взаимодействия сплавов с водным раствором едкого натра (АВГ-45)
С повышением температуры коэффициент пропорциональности L между максимальной скоростью выделения водорода и удельным значением энергии Гиббса возрастает для сплава ФСА 30 Мн1 приблизительно в четыре раза, для ФС 75 Ба4 - в 1,7 раза, для ФС 75 Ба1 - в 2,4 раза, тогда как для ФСА 15 этот коэффициент изменяется слабо, а для ФСА 30 несколько снижается – см. табл. 3.7, 5.3. Отмеченная закономерность свидетельствует о разном характере отслоения образующегося гидроксидного слоя. С ростом размеров аппаратов следует ожидать усиления неравномерности циркуляции потоков, что должно отразиться на интенсивности газовыделения. В данном случае следует представить коэффициент L уравнения (1.31) в виде зависимости от критерия Re жидкости подъемного потока
L = k Re n,(5.2)
где k – коэффициент пропорциональности; n – постоянная, характеризующая гидродинамический режим потока. Значения критерия Reопределяют по методу, разработанному для испарителей. Зависимости коэффициента L от числа Рейнольдса для кинетического реактора и баллонного газогенератора АВГ-45 представлены на рисунке 5.4. Характеристики реакторов приведены в таблице 5.4. По данным ИПМаш получены зависимости для следующих сплавов [4, 113]: ФСА 11 с 16,6 %-м NaOH
L* = 1,5 ∙ 10–5 Re–0,55; (5.3) ФСА 25 с 10 %-м NaOH
L* = 0,153 ∙ 10–6 Re–0,17; (5.4) ФС 75 с 15 %-м NaOH
L* = 4 ∙ 10–6 Re–0,48. (5.5)
Автором установлены зависимости для сплавов [112]: ФС 75 Ба1 с 13,3 %-м NaOH
L* = 0,39 ∙ 10–7 Re–0,38; (5.6)
ФСА 30 с 13,3 %-м NaOH
L* = 0,4 ∙ 10–6 Re–0,28; (5.7)
ФСА 30 Мн1 с 13,3 %-м NaOH
L* = 0,416 ∙ 10–6 Re–0,305. (5.8)
Уравнения (5.3) - (5.4) рассчитаны для условий t = 100 °C (373 К), P ≤ 0,1 МПа и справедливы в интервале 4∙104 < Re < 8∙105; (5.5) – при t = 227 °C (500 К), P ≤ 1 МПа и для чисел Рейнольдса 3∙105 < Re< 2∙105; (5.6), (5.8) – при t = 250 °C (523 К), P ≥ 1 МПа и для чисел Рейнольдса 12∙104 < Re < 17∙104; (5.7) – при t = 177 °C (450 К), P ≥ 1 МПа и для чисел Рейнольдса 17∙104 < Re < 19∙104. Подтвержден факт снижения коэффициента L с ростом размеров аппарата для каждого типа реакции. Неравномерность циркуляции потоков усиливается с ростом плотности частиц сплавов. За счет пульсации давления сохраняют производительность реактора. Увеличение давления в реакторе сопровождается повышением температуры смеси. Во время резкого снижения давления жидкость вскипает, что вызывает интенсивное перемешивание фаз. Термодинамические и кинетические данные реакций взаимодействия сплавов с водой и водным раствором едкого натра, проведенные в кинетическом реакторе, приведены в таблице 3.7. Таблица 5.4 Характеристики баллонных водородных реакторов [114]
Таким образом, существует определенный предел величины химической энергии преобразуемой в кинетическую энергию циркулирующего потока, ниже которого не может соблюдаться пропорциональность между движущей силой процесса и скоростью выделения водорода. В конечном счете проблема устойчивости режимов генерирования водорода сводится к устойчивости движения частиц сплава в циркулирующем потоке. Строгая и завершенная постановка задачи об устойчивости движения и два метода ее решения впервые даны А. М. Ляпуновым. Понятие устойчивости сводится к следующему: "Система называется устойчивой, если после наложения какого-либо возмущения она возвращается в прежнее состояние при снятии этого возмущения" [115, 116]. Работы Ляпунова стали основой исследования устойчивости технических систем, в том числе химических реакторов [117 - 120]. На данном этапе исследования формулы (5.3) - (5.8) позволяют определить размеры реактора в первом приближении. Для расчета аппарата во втором приближении найдены зависимости по теплообмену. Результаты исследования теплообмена представлены в таблице 5.5 и на рисунке 5.5. Для сплава ФС 75 теплообмен подчиняется зависимости [121]
Nu = 1,5∙10–17 Re3,7 Pr0,33. (3.9)
Зависимость (5.9) рассчитана на полупериод реакции (αr = 0,5) и справедлива в интервале 7∙103 < Re < 2∙104, (t = 227 °C (500 К), P > 2,6 МПа). Значительное влияние критерия Рейнольдса указывает на то, что с ростом температуры происходит интенсивное отслоение оксидного слоя. В качестве определяющего размера в критериях принят средний диаметр частицы сплава в момент прохождения полупериода реакции. Число Рейнольдса рассчитывалось так же, как в случае взаимодействия сплава ФС 90 Ба4 с водным раствором NaOH – см. раздел 4.2.1.
Таблица 5.5
|
