главная > справочник > химическая энциклопедия:

Адиабатического сжатия метод

Адиабатического сжатия метод (метод импульсного сжатия), используют для осуществления и исследования хим. реакций в газовой фазе при высоких давлениях и температурах. Основан на том, что при сжатии газа в цилиндре свободно летящим поршнем со скоростью порядка 10-20 м/с теплопередача к стенкам цилиндра не успевает происходить, и газ адиабатически нагревается. В случае идеального газа давление р и температура Т изменяются при этом в соответствии с уравнениями Пуассона: и где р₀ и Г₀- начальные значения давления и температуры, -геом. степень сжатия, определяемая как отношение начального объема, занимаемого газом, к его текущему значению, наз. показатель адиабаты.

При использовании метода адиабатического сжатия может быть достигнуто такое сочетание давлений и температур, какого не удается получить др. методами. Напр., для Хе, сжатие которого до 10 МПа описывается уравнением Пуассона лучше, чем сжатие др. газов, достигнуты давления до 700 МПа и температуры до 10⁴ К. При р > 10 МПа необходимо учитывать реальные свойства газа, т.к. значения р и Т, достигаемые при данном е, превышают рассчитываемые по уравнениям Пуассона. В этом случае расчет адиабатич. сжатия возможен численным интегрированием уравнения для внутр. энергии после подстановки в него вириального уравнения состояния (при этом необходимо учитывать температурные зависимости теплоемкости газа и вириальных коэф.).

Лаб. установка для исследования газофазных реакций (см. рис.) состоит из цилиндра 1, своб. объем которого заполняют смесью реагентов с газом-разбавителем (обычно одно- или двухатомным; разбавление необходимо для достижения высоких т-р, возможного лишь при 1,25). Затем закрывают клапан 4, заполняют ресивер 3 толкающим газом до давления 1-10 МПа и открывают клапан 5. Толкающий газ разгоняет поршень 2, сжимающий смесь реагентов. В точке, соответствующей максимальному для данного опыта значению поршень останавливается и отбрасывается сжатой в цилиндре газовой смесью. В этот момент открывается клапан 6 и толкающий газ выходит в атмосферу; этим обеспечивается однократность цикла сжатие-расширение газовой смеси. Плотность смеси при сжатии (соотв. концентрации реагентов) возрастает в ? раз по сравнению с ее начальным значением.

Принципиальная схема одноимпульсной установки для исследования газофазных р-ций: /-цилиндр; 2-поршень; 3-ресивер; 4-клапан для впуска реагентов и отбора проб; 5-запирающий клапан; 6-инерционный клапан.

Эксперим. данные представляют в виде зависимости выхода продукта (степени превращения) от макс. степени сжатия. Кроме того, м. б. получена зависимость состава газовой смеси от времени непосредственно в цикле сжатие — расширение. Поскольку хим. процесс происходит в условиях одновременного изменения температуры, давления и объема, для определения кинетич. параметров реакции решают совместно при помощи ЭВМ уравнения движения поршня, хим. кинетики и состояния газа (приближенные методы "ручного расчета" возможны лишь в некоторых простых случаях). Благодаря использованию метода адиабатического сжатия достигается строгая однородность реакц. пространства по всем параметрам, исключается влияние стенок реактора на процесс и создается возможность исследования механизма мономолекулярных реакций в таких условиях, когда константа скорости не зависит от давления.

Технол. реактор, перспективный для крупнотоннажных производств, отличается от лаб. установки. К поршню, совершающему незатухающие колебания, энергия подводится от предварительно компримированной смеси реагентов с газом-разбавителем. Кроме того, цилиндр установки снабжен впускным и выпускным клапанами для замены прореагировавшего газа свежим сырьем. Для малотоннажных производств разработан реактор, представляющий собой устройство с кривошипно-шатунным механизмом, приводимым в движение электродвигателем; степень сжатия в цилиндре реактора достигает 25-35 МПа (в компрессоре 2-5).

Перспективность применения метода адиабатического сжатия в хим. технологии обусловлена возможностями: а) совмещения в одном аппарате нагревателя и реактора (при сжатии газовой смеси), а также закалочного устройства (при ее расширении); б) достижения большей, чем при использовании др. методов, производительности в расчете на единицу реакц. объема; в) работы при относительно низкой температуре ( < 400 °С) стенок рабочих цилиндров, что исключает их высокотемпературную коррозию.

С применением метода адиабатического сжатия исследованы кинетика и механизм ряда реакций (напр., разложение N₂O, пиролиз низших углеводородов и их фторпроизводных), осуществлены реакции фиксации атмосферного азота его прямым окислением и др. Метод м. б. использован для определения периода индукции при воспламенении горючих смесей, исследования физ. свойств плотных газов при высоких температурах, создания импульсных источников света, получения высокоэнтальпийных газовых струй.

Впервые метод адиабатического сжатия применен в химии Ю. Б. Харигоном в 1939.

Лит.: Импульсное сжатие газов в химии и технологии, М., 1982. © Ю. А. Колбановский.