Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Процессы и оборудования химической технологии

Диссертационная работа:

Ненаглядкин Илья Сергеевич. Математическое моделирование и оптимизация процесса получения углеродных нанотрубок :Нановолокон : Дис. ... канд. техн. наук : 05.17.08, 02.00.04 : М., 2005 174 c. РГБ ОД, 61:05-5/3338

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Список обозначений 4

Введение 8

Глава 1. Обзор литературы

  1. Виды углеродных структур . 11

  2. Свойства и потенциальные области применения углеродных нанотрубок 21

  1. Применение в композитах 22

  2. Применение в электронной технике 25

  3. Другие области применения 29

1.3. Методы получения углеродных нанотрубок

  1. Дуговой синтез 32

  2. Лазерный синтез 38

  3. Каталитический пиролиз 40

  4. Прочие методы 44

  1. Механизмы образования и роста нанотрубок 47

  2. Математическое моделирование синтеза углеродных нанотрубок, получаемых методом каталитического пиролиза углеводородов 52

1.6. Постановка задач исследований 58

Глава 2. Экспериментальные исследования образования углеродных нанотрубок (нановолокон) при каталитическом пиролизе метана

2.1. Исследование кинетики образования углеродных нанотрубок из метана

2.1.1. Экспериментальная установка для изучения кинетики образования

углеродных нанотрубок 62

  1. Используемые катализаторы 64

  2. Методика проведения работы 64

  3. Результаты исследований кинетики образования нановолокнистого

углерода в реакторе периодического действия 66

2.2. Исследования образования углеродных нанотрубок из метана в реакторе
непрерывного действия

2.2.1. Схема непрерывнодействующего реактора синтеза нановолокнистого

углерода из метана 76

2.2.2. Результаты исследований образования углеродных нанотрубок в

непрерывнодействующем реакторе 77

Глава 3. Математическое моделирование кинетики каталитического пиролиза метана с образованем углеродных нанотрубок

  1. Уравнения математической модели образования нановолокнистого углерода при каталитическом пиролизе метана 81

  2. Построение кинетической схемы пиролиза метана на катализаторе с образованием углеродных нанотрубок 87

  3. Определение кинетических параметров математической модели 93

  4. Результаты математического моделирования периодического реактора каталитического пиролиза метана 101

Глава 4. Математическое моделирование и оптимизация
непрерывнодействующего реактора каталитического пиролиза метана
.4.1. Уравнения математической модели непрерывнодействующего реактора
синтеза нановолокнистого углерода из метана 106

  1. Решение уравнений математической модели 111

  2. Результаты математического моделирования реактора 116

  3. Оптимизация реактора каталитического пиролиза метана с движущимся слоем катализатора 121

Глава 5. Технологическая схема производства углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза метана

  1. Описание технологической схемы 137

  2. Основные материальные потоки технологической схемы 141

Заключение 146

Список литературы 150

Приложение I 158

Приложение II 166

Приложение III 173

4 СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ.

кинетический параметр для вычисления предэкспоненциального множителя скоростиу-й химической реакции; концентрация /-го компонента газовой фазы, моль/м3; концентрация /-го компонента газовой фазы, моль/кг;

концентрация /-го компонента дисперсной фазы, моль/кг;

концентрация /-го газофазного компонента на входе в реактор,

моль/м3;

концентрация /-го компонента дисперсной фазы на входе в

реактор, моль/кг;

концентрация нановолокнистого углерода на выходе из

реактора, моль/кг;

концентрация /-го компонента дисперсной фазы в начальный

момент времени, моль/кг;

распределение концентрации /-го компонента дисперсной фазы в

начальный момент времени по длине аппарата, моль/кг;

концентрация /-го компонента газовой фазы на п-ом шаге по

времени ву'-ой точке реактора, моль/м3;

концентрация /-го компонента дисперсной фазы на п-ом шаге по

времени Bj-ои точке реактора, моль/кг;

диаметр реактора, м;

коэффициент диффузии /-го компонента газовой фазы, м /с;

коэффициент диффузии /-го компонента газовой фазы на п-ом

шаге по времени в/-ой точке реактора, м /с;

энергия активацииу-й химической реакции, Дж/моль;

масса образца, г;

массовый расход катализатора, кг/час;

скорость образования или расходования /-го компонента газовой

5 фазы по реакциям, протекающим в газовой фазе, моль/(м3-с); скорость образования или расходования /-го компонента дисперсной фазы по реакциям, протекающим на поверхности катализатора, моль/(кг-с);

скорость образования или расходования /-го компонента газовой фазы по реакциям, протекающим на поверхности катализатора, моль/(м -с);

скорость образования или расходования /-го компонента газовой фазы на «-ом шаге по времени в j-ой точке реактора по реакциям, протекающим на поверхности катализатора, моль/(м -с);

скорость образования или расходования /-го компонента дисперсной фазы на п-ом шаге по времени в^'-ой точке реактора по реакциям, протекающим на поверхности катализатора, моль/(кг-с); константа скорости j-й поверхностной реакции;

предэкспоненциальный множитель в уравнении скорости j-й

химической реакции;

константа скорости прямой химической реакции;

константа скорости обратной химической реакции;

константа равновесияу'-й химической реакции;

длина реактора, м;

общее число активных центров на единице поверхности, 1/м ;

масса катализатора, кг;

масса катализатора на входе в реактор, кг;

масса образца перед началом эксперимента, г; масса образца по окончании эксперимента, г;

к,"

- масса катализатора на «-ом шаге по времени в /-ой точке
реактора, кг;
Мс - молекулярная масса углерода, кг/моль;

NA - число Авогадро;

Р — давление, атм;

г — поперечная координата реактора, м;

R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К);

So площадь поверхности, покрытой 1 м адсорбированного газа в

плотном молекулярном слое, м /м ;
Ski удельная поверхность катализатора, м2/кг;

Syy - удельная поверхность образца, м /г;

'arm

площадь поперечного сечения реактора, м2;

t время, с;

Т температура, К;

vi - линейная скорость движения газовой фазы, м/с;

v2 - линейная скорость движения дисперсной фазы, м/с;

Va - объем приповерхностного катализатору слоя сплошной фазы, м ;

VM - молекулярный объем адсорбированного газа, м3;

Wj - скоростьу'-й газофазной реакции, моль/(м3-с);

JY. - скоростьу-й поверхностной реакции, моль/(м -с);

цг. - скоростьу'-й поверхностной реакции, моль/(кг-с);

х - продольная координата реактора, м;

Хнт - удельный выход нановолокнистого углерода, г/г кат;

Пнт ~ производительность реактора по нановолокнистому углероду,

г/ч;

v-Kt - степень заполнения реактора катализатором;

pj - кинетический параметр для вычисления предэкспоненциального

множителя скоростиу'-й химической реакции;

7 стехиометрический коэффициент /-го компонента в у-й реакции;

стехиометрический коэффициент /-го компонента в прямой у-й

химической реакции;

стехиометрический коэффициент /-го компонента в обратной у-й

химической реакции;

стехиометрический коэффициент /-го компонента дисперсной

фазы ву-й поверхностной реакции;

плотность катализатора, кг/м ;

стандартное изменение энтальпии у-й химической реакции,

Дж/моль;

стандартное изменение энтропии у-й химической реакции,

Дж/(моль-К);

интервал разбиения по времени, с;

интервал разбиения по длине реактора, м.

Введение к работе:

Углеродные нанотрубки (далее - НТ) и их разновидность - нановолокна (НВ), благодаря уникальному строению и свойствам в настоящее время обращают на себя внимание многих ученых. Такой интерес связан в первую очередь с многообещающими перспективами применения этих уникальных структур. На их основе уже разработаны материалы и устройства, обладающие значительными преимуществами по сравнению с аналогами, созданными по традиционным технологиям. Однако возможности широкомасштабного использования НТ в значительной мере ограничиваются отсутствием технологий производства этих материалов однородного строения в больших количествах, и, следовательно, их дороговизной. Кроме того, к настоящему времени до конца не выяснено влияние многих факторов на выход и характеристики углеродного продукта при протекании процессов синтеза НТ.

Существует большое количество способов получения нановолокнистого углерода, среди которых, с точки зрения перспективы организации массового производства, можно выделить группу методов каталитического пиролиза углеводородов. Эти методы позволяют использовать в качестве исходных веществ дешевые и доступные углеводороды (в частности — метан), не требуют высоких температур, могут проводиться в непрерывном режиме, сравнительно легко масштабируются, что может обеспечить значительное снижение себестоимости производимых НТ.

Развитие теоретических основ синтеза углеродных НТ будет способствовать решению многих проблем в получении этих материалов требуемого качества и в необходимом количестве.

Одной из главных проблем при разработке технологии синтеза нановолокнистого углерода является отсутствие математического описания процесса, позволяющего масштабировать его, а также моделировать протекание синтеза НТ в аппаратах с различной организацией перемещения взаимодействующих компонентов.

9 В настоящее время состояние научных исследований в области математического моделирования синтеза НТ методом каталитического пиролиза можно охарактеризовать двумя основными подходами:

Математическое моделирование образования и роста индивидуальных НТ на микроуровне. При данном подходе моделируется рост отдельных НТ, что позволяет оценивать морфологию продукта, получаемого в процессе синтеза. Однако такие модели на сегодняшний день не дают оценку количества образующегося продукта, поэтому их использование при расчетах технологических параметров синтеза нановолокнистого углерода ограничено.

Второй подход к математическому описанию образования НТ и НВ -моделирование образования нановолокнистого углерода на макроуровне -напротив, не описывает морфологию образующегося продукта, однако позволяет количественно оценивать производительность различных аппаратов. Однако предлагаемые в литературных источниках математические модели жестко привязаны к определенному режиму осуществления процесса в аппарате и имеют весьма жесткие ограничения по условиям их применения.

Таким образом, цели работы могут быть сформулированы следующим образом:

  1. Получить экспериментальные данные по кинетике образования НТ из метана на различных катализаторах.

  2. Разработать математическое описание кинетики образования углеродных НТ при каталитическом разложении метана, учитывающее дезактивацию катализатора в ходе процесса.

  3. Исследовать возможность получения углеродных НТ методом каталитического пиролиза метана в реакторе непрерывного действия и на основе математического моделирования определить оптимальные условия проведения процесса в этом аппарате.

  4. Разработать технологическую схему непрерывного получения нановолокнистого углерода и водорода из метана.

Работа выполнена при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 02-03-32215, № 03-01-00567, № 03-03-06230 и гранта РФФИ-ГФЕН № 02-03-39003.

Автор выражает искреннюю благодарность за внимание и помощь научным руководителям д.т.н., профессору Кольцовой Э.М. и д.х.н. профессору Ракову Э.Г., а также к.т.н., ст. преподавателю Женсе А.В, аспирантам РХТУ им. Д.И. Менделеева Иванову И.Г. и Блинову С.Н. за оказанную помощь в проведении экспериментальных исследований, а также студенту РХТУ им. Д.И. Менделеева Карягину А.В.

Подобные работы
Ивашкина Елена Николаевна
Моделирование процесса получения Н-моноолефинов путем дегидрирования высших парафинов С9-С14 на промышленной установке
Бахтин Александр Александрович
Разработка и моделирование энергохимического процесса получения метанола из низконапорного природного газа
Заварухин Сергей Григорьевич
Пилотные исследования и математическое моделирование каталитических процессов получения нановолокнистого углерода из метана
Каленова Ольга Сергеевна
Моделирование тепло-массообменных процессов в технологии получения порошков полиолефинов
Чудин Антон Сергеевич
Математическое моделирование и разработка методики инженерного расчета процесса получения гранул методом обкатки
Ву Минь Фыонг 0
Моделирование и оптимизация процесса выпаривания в производстве сахара, применительно к условиям Социалистической Республики Вьетнам
Тюпиков Вадим Георгиевич
Моделирование и оптимизация процессов измельчения в вибрационных мельницах
Иньков Владимир Игоревич
Математическое моделирование и оптимизация статических режимов процесса грануляции в псевдоожиженном слое
Богданов Виктор Александрович
Процесс получения синтез-газа при горении сверхбогатых смесей метана и аппараты для его реализации
Мошняков Евгений Александрович
Разработка процессов получения диметилового эфира и метанола высшего качества с использованием принципов совмещения

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net