Введение к работе
Актуальность проблемы. Диссертационная работа посвящена проблеме математического моделирования высокотемпературных процессов химического превращения в газовой фазе. Целью моделирования является нахождение пути протекания химического процесса от исходного неравновесного состояния к положению термодинамического равновесия. Под путем протекания понимается зависимость от какой-либо координаты процесса (времени, степени превращения и т.д.) параметров состояния исследуемой системы.
На практике моделирование используется при комплексном анализе рабочих процессов в технических устройствах (камеры сгорания двигателей, топки паровых котлов, химико-технологические установки). Полученная в ходе моделирования информация помогает оптимизировать параметры процесса с целью повышения полноты сгорания топлива, снижения выхода вредных соединений и т.п. Моделирование'используется также при фундаментальных исследованиях пути протекания химических процессов, с целью определения их стадий, основных продуктов и возможности образования промежуточных нестабильных соединений.
В основе построения кинетической модели лежит представление о химическом процессе как совокупности элементарных реакций. Но отсутствие достоверной информации о механизме реакций и константах их скоростей превращает моделирование в неоднозначную трудно формализуемую задачу.
С другой стороны, при анализе высокотемпературных процессов, когда скорости реакций высоки, зачастую используется равновесное приближение. Термодинамические равновесные модели обладают общностью описания, универсальностью применения и просты в формализации. Термодинамические данные известны с гораздо большей точностью, чем кинетические. Но реальный химический процесс является неравновесным и использование равновесного приближения не всегда приводит к положительным результатам. Следует констатировать отсутствие модели химически неравновесного процесса, решение которой не зависит от выбора механизма реакций.
Целью работы является разработка термодинамической модели высокотемпературного химически неравновесного процесса и ее программная реализация.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- на основе экстремального принципа Циглера и метода термодинамических потенциалов Гиббса разработана модель химически неравновесного процесса;
показана возможность практического применения модели для оп сания закономерностей процесса химического превращения в смесевых диффузионных пламенах;
разработанная модель позволила осуществить анализ вослламег ния аэросмеси плазменным и мазутным энергоносителем и теоретичесі доказать наблюдаемое на практике преимущество плазменного розжи котлов современных теплоэлектростанций.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
-
Термодинамическая модель химически неравновесного процесса.
-
Алгоритм нахождения пути протекания химического процесса к п ложению равновесия.
-
Результаты моделирования ряда экспериментально изученных хим ческих процессов, а также численный сравнительный анализ мазутного плазменного розжига азросмеси.
Практическая ценность работы заключается в том, что на осно проведенных теоретических исследований:
разработан вычислительный комплекс, позволяющий моделир вать химические изотермические и адиабатические процессы в газов» фазе при постоянном объеме или давлении.
в результате численного сравнительного анализа плазменного мазутного розжига аэросмеси был подтвержден энергетический эффе использования плазменных технологий и раскрыт механизм этого явл ния.
Разработанная программная реализация термодинамической мол ли использовалась при проведении научных исследований в Гусиноозе ской ГРЭС, в Институте металлургии РАН им. Байкова А.А. и внедр на для проведения учебного процесса в Академии нефти и газа им. Гу кина Н.М.
Апробация работы Основные результаты исследования доклады! лись на Третьей международной конференции по химической кинети (Вашингтон, і 993 г), Международном симпозиуме "Математическое м делирование процессов тепломассообмена и термопрочности" (Саш Петербург; 1993 г.), научно-технической конференции "Студенческая н учная весна 94" (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1994 г.), семина "Физико-химическая кинетика в газовой динамике" (Москва, ИП МГУ, 1995 г.), на 2-ом международном симпозиуме по теоретической прикладной плазмохимии (Иваново, 1995 г.), на семинаре в ИНХС РА: Четвертой европейской конференции по термическим плазменным пр цессам (Афины, 1996).
Основное содержание диссертации опубликовано в 5 работах.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии, включающей 120 наименований. Общий объем диссертации 86 страниц.