Введение к работе
Актуальность темы. Перспективным направлением энергетики является применение обратимых каталитических реакций в устройствах, предназначенных для преобразования энергии.
Одна из современных тенденций усовершенствования таких устройств - ускорение энергозаласающего химического процесса, например,- путём интенсификации теплоподвода в химический реактор. Этот подход положен в основу метода прямого термокаталитического преобразования энергии ионизирующего излучения в энергию химических топлив (МКАР-процесса) [I], отличающегося интенсивным выделением тепла непосредственно в объбме гранул катализатора. Для оценки предельных возможностей этого метода необходимы систематическая информация о влиянии условий интенсивного теплоподвода на энергетическую эффективность и объёмную энергонапряжённость, а также теоретический анализ закономерностей.этого процесса.
Другой способ интенсификации - применение мембран для отвода продуктов энергозапасащего химического процесса из реакционной зоны. Можно также ожидать, что вследствие сдвига равновесия этот способ позволит использовать для осуществления высокотемпературных реакций источники тепла и со средним температурным потенциалом.
В результате термокаталитического преобразования энергии образуется смесь веществ, обладающая высокой внутренней (химической) энергией. Значительный интерес представляет разработка схемы прямого преобразования химической энергии таких смесей в механическую и изучение его предельных КПД.
Цель работы. Настоящая работа посвящена систематическому исследованию закономерностей процесса термохимического преобразования энергии при использовании обратимых каталитических реакций в условиях интенсивного подвода тепла к катализатору и оптимизации условий проведения процесса, изучению возможности осуществления энергозапасающей реакции паровой конверсии метана в мембранном реакторе при использовании низкопотенциальных тепловых источников, разработке новой схемы прямого получения механической работы из химической энергии в газотурбинной установке на основе топлив, получаемых в термокаталитическом цикле.
Научная новизна и практическая ценность. Впервые выполнен систематический анализ особенностей процесса термохимического преобразования тепловой и ядерной энергии в энергию химических тошшв с использованием обратимых каталитических реакций паровой конверсии метана в приложении к технологической схеме ИКАР-процесса. Исследовано влияние на эффективность и энергонапряж&нность процесса: активности катализатора, температуры, давления и ряда других факторов. Сформулированы требования к активности и термической стабильности катализаторов, используемых в условиях интенсивного теплоподвода. Определены условия изотермического проведения процесса. Обоснована целесообразность применения реактора с водород-проницаемой стенкой для ускорения процесса паровой конверсии метана при использовании низкопотенциальных источников тепла. Предложена и проанализирована новая схема прямого получения механической энергии при использовании каталитически активных смесей (синтез-газ, азот - водород, бензол - водород, диоксид серы - кислород) в качестве рабочего тела турбины. Разработанная схема позволяет достичь термодинамического КЕД выше 60 и обеспечивает возможность регенерации отработанной топливной смеси.
Апробация работы и публикации. Результаты работы были доложены на конкурсе научно-исследовательских работ Института катализа СО РАН (Новосибирск, декабрь 1988), 3 Всесоюзной конференции по атомно-водородной энергетике (Москва, май 1989), 2 Всесоюзной конференции по теоретической и прикладной радиационной химии (Обнинск, октябрь 1990), 6 Всесоюзной конференции молодых учёных и специалистов по физической химии "Физхимия-90" (Москва, сентябрь 1990), 5 Всесоюзном совещании "Радиационные гетерогенные процессы" (Кемерово, май 1990) и Международном конгрессе по катализу EUE0PACAT-1 (Montpellier, сентябрь 1993). Результаты диссертации опубликованы в девяти печатных работах.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырёх глав, выводов, содержит 3 таблицы, 32 рисунка, список цитируемой литературы из 83 ссылок.