Кинетический анализ действия добавки пропилена на воспламенение и горение водородно-воздушных смесей

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Приведены результаты кинетического анализа с учетом скоростей химических реакций и выделения тепла при решении задач о самовоспламенении и ламинарном горении водородно-воздушных реакций с 1%-ной добавкой пропилена. Решение получено с помощью компьютерного моделирования. Показано, что добавка пропилена к водородно-воздушным смесям существенно замедляет протекание химических реакций за счет рекомбинации атомарного водорода при самовоспламенении во всем диапазоне начальных температур от 800 до 1400 К, а также при распространении волн ламинарного горения в богатых и стехиометрической смесях. Однако пропилен – горючее вещество, и в ходе его разложения и окисления выделяется тепло, которое увеличивает темп роста температуры. Как следствие, в определенных условиях, в частности при начальной температуре 800 К, на фоне пониженных скоростей химических реакций окисления водорода, а также в случае бедных смесей добавка пропилена приводит не к росту, а к уменьшению задержки воспламенения, и к значительному увеличению температуры и скорости распространения волны горения. Получены дополнительные данные о важной роли, которую играют в ламинарных пламенах водородно-воздушных смесей реакции с участием радикала HO2: реакция разветвления HO2+H → OH+OH и тримолекулярная реакция H+O2(+M) → HO2(+M), а также максимальная концентрация радикала HO2. Эти реакции идут с высокими скоростями в области низких температур, благодаря участию атомарного водорода, диффундирующего из высокотемпературной области пламени, и обеспечивают заметный вклад в выделение тепла. Максимум концентрации радикала HO2 достигается при температуре, которая предположительно отвечает «ведущей зоне» горения. При добавке пропилена изменение максимальной концентрации радикала коррелирует с изменением скорости нормального горения.

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

И. С. Гордополова

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук

Email: belyaevIHF@yandex.ru
Россия, Черноголовка

Список литературы

  1. Азатян В.В., Борисов А.А., Мержанов А.Г и др. // Физика горения и взрыва. 2005. Т. 41. № 1. С. 3.
  2. Азатян В.В., Павлов В.А., Шаталов О.П. // Кинетика и катализ. 2005. Т. 46. № 6. С. 835.
  3. Азатян В.В. Цепные реакции в процессах горения, взрыва и детонации газов. Черноголовка: Изд-во РАН, 2017. ISBN 978-5-9908297-2-5
  4. Азатян В.В. Цепные реакции горения, взрыва и детонации в газах. Химические методы управления. М.: Изд-во РАН. 2020. ISBN 978-5-907036-77-2
  5. Bunev A.V., Babkin V.S. // Mendeleev Commun. 2006. V. 16. Issue 2. P.104. https://doi.org/10.1070/MC2006v016n02ABEH002270
  6. Азатян В.В., Бакланов Д.И., Гордополова И.С., Абрамов С.К., Пилоян А.А. // ДАН. 2007. Т. 415. № 2. С. 210.
  7. Азатян В.В., Медведев С.Н., Фролов С.М. // Хим. физика. 2010. Т. 29. № 4. С. 56.
  8. 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
  9. 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
  10. Smirnov N.N., Azatyan V.V., Nikitin V.F. et. Al. // Int. J. Hydrogen Energy. 2024. V. 49. P. 1315. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.11.085
  11. Беляев А.А., Ермолаев Б.С., Гордополова И.С. // Горение и взрыв. 2024. Т. 17. № 1. С. 27. https://doi.org/10.30826/CE24170103
  12. Беляев А.А., Ермолаев Б.С. // Хим. физика. 2024. Т. 43. №. 8. С.10. https://doi.org/10.31857/S0207401X24080023
  13. ANSYS Academic Research CFD. CHEMKIN-Pro 15112. – San Diego, CA, USA: Reaction Design, 2011. CK-TUT-10112-1112-UG-1
  14. NUIGMech1.1. National University of Ireland Galway, 2020. https://www.universityofgalway.ie/combustionchemistrycentre/mechanismdownloads/
  15. 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.
  16. Qin Z., Yang H., Gardiner W.C. // Combust. and Flame. 2001. V. 124. P. 246.
  17. Burke S.M., Metcalfe W., Herbinet O. et. al. // Combust. and Flame. 2014. V. 161. P. 2765. http://dx.doi.org/10.1016/j.combustflame.2014.05.010
  18. Burke S.M., Burke U., Mc Donagh R., et. al. // Combust. and Flame. 2015. V. 162. No. 2. P. 296. http://dx.doi.org/10.1016/j.combustflame.2014.07.032
  19. Козлов П.В., Котов В.А., Герасимов Г.Я. и др. // Хим. физика. 2024. Т. 43. № 8. С. 42. https://doi.org/10.31857/S0207401X24080056
  20. Погосян Н.М., Погосян М.Дж., Давтян А.Г. и др. // Хим. физика. 2024. Т. 43. № 5. С. 68. https://doi.org/10.31857/0207401X24050081
  21. Гельфанд Б.Е. // Физика горения и взрыва. 2002. Т. 38. № 5. С. 101.
  22. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. Пер. с англ. М.: Мир, 1968.
  23. Dahoe A.E. // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2005. V. 18. No. 3. P. 152. https://doi.org/10.1016/j.jlp.2005.03.007
  24. Гельфанд Б.Е., Попов О.Е., Чайванов Б.Б. Водород: параметры горения и взрыва. М.: Физматлит, 2008. ISBN: 978-5-9221-0898-0
  25. Тереза А.М., Агафонов Г.Л., Андержанов Э.К. и др. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 8. С. 68. https://doi.org/ 10.31857/S0207401X23080113
  26. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980.
  27. Бахман Н.Н., Беляев А.Ф. Горение гетерогенных конденсированных систем. М.: Наука, 1967.
  28. Тереза А.М., Агафонов Г.Л., Андержанов Э.К. и др. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 12. С. 48. https://doi.org/ 10.31857/S0207401X23120130

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимость температуры от времени при самовоспламенении в реакторе постоянного объема при T0 = 800 К: 1 – стехиометрическая водородно-воздушная смесь, 2 – та же смесь с 1%-ной добавкой пропилена.

Скачать (359KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость концентрации атома H в мольных долях (1) и скорости тепловыделения (2) от температуры при самовоспламенении, T0 = 800 К; сплошные линии – стехиометрическая смесь без добавки пропилена, штриховые – с 1%-ной добавкой.

Скачать (452KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость концентрации атома H в мольных долях (1) и скорости тепловыделения (2) от температуры при самовоспламенении, T0 = 850 К; сплошные линии – стехиометрическая смесь без добавки пропилена, штрихпунктирные – c 1%-ной добавкой.

Скачать (464KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Диаграмма для пределов и скоростей распространения пламени двухкомпонентного горючего H2–C3H6 с воздухом. Сплошные линии: 1 – стехиометрический состав, 2 и 3 – нижний и верхний пределы распространения пламени; штриховые линии A, B и C соответствуют смесям с содержанием H2 15, 29.6 и 50%; umax – область максимального значения скорости горения, расположенная между штрихпунктирными линиями.

Скачать (410KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Профили температуры в волне горения водородно-воздушных смесей при начальной температуре 300 К и давлении 1 атм с 1%-ной добавкой пропилена (штриховые линии) и без добавки (сплошные линии) при содержании водорода в смеси 15% (кривые 1), 29.6% (2) и 50% (3). Чтобы избежать наложения, кривые 2 сдвинуты по оси расстояния на 1 мм, а кривые 3 – на 2 мм соответственно.

Скачать (377KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость скорости выделения тепла от температуры вдоль зоны реакции волны нормального горения водородно-воздушных смесей с различным содержание водорода: 15 об.% (1), 29.6 об.% (2) и 50 об.% (3) с 1%-ной добавкой пропилена (штриховые линии) и без добавки (сплошные линии). Начальная температура – 300 К, давление – 1 атм.

Скачать (424KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Профили концентраций в мольных долях атома водорода и гидроксила в зависимости от температуры вдоль зоны реакции волны нормального горения для водородно-воздушных смесей без добавки (сплошные линии) и с 1%-ной добавкой пропилена (штриховые линии) при содержании водорода в смеси: 15% (а), 29.6% (б) и 50% (в); T0 = 300 К, давление – 1 атм.

Скачать (1MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Профили концентраций в мольных долях гидропероксильного радикала в зависимости от температуры вдоль зоны реакции волны нормального горения для водородно-воздушных смесей без добавки (сплошные линии) и с 1%-ной добавкой пропилена (штриховые линии) при содержании водорода в смеси: 29.6% (1) и 50% (2); T0=300 К, давление – 1 атм.

Скачать (374KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025