Адиабатического сжатия метод

АДИАБАТИЧЕСКОГО СЖАТИЯ МЕТОД (метод импульсного сжатия), используют для осуществления и исследования хим. р-ций в газовой фазе при высоких давлениях и т-рах. 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 т-ра Т изменяются при этом в соответствии с ур-ниями Пуассона: и где р₀ и Г₀- начальные значения давления и т-ры,-геом. степень сжатия, определяемая как отношение начального объема, занимаемого газом, к его текущему значению, наз. показатель адиабаты.

При использовании А. с. м. может быть достигнуто такое сочетание давлений и т-р, какого не удается получить др. методами. Напр., для Хе, сжатие к-рого до 10 МПа описывается ур-нием Пуассона лучше, чем сжатие др. газов, достигнуты давления до 700 МПа и т-ры до 10⁴ К. При р > 10 МПа необходимо учитывать реальные св-ва газа, т.к. значения р и Т, достигаемые при данном е, превышают рассчитываемые по ур-ниям Пуассона. В этом случае расчет адиабатич. сжатия возможен численным интегрированием ур-ния для внутр. энергии после подстановки в него вириального ур-ния состояния (при этом необходимо учитывать температурные зависимости теплоемкости газа и вириальных коэф.).

Лаб. установка для исследования газофазных р-ций (см. рис.) состоит из цилиндра 1, своб. объем к-рого заполняют смесью реагентов с газом-разбавителем (обычно одно- или двухатомным; разбавление необходимо для достижения высоких т-р, возможного лишь при1,25). 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 т-ры, давления и объема, для определения кинетич. параметров р-ции решают совместно при помощи ЭВМ ур-ния движения поршня, хим. кинетики и состояния газа (приближенные методы "ручного расчета" возможны лишь в нек-рых простых случаях). Благодаря использованию А. с. м. достигается строгая однородность реакц. пространства по всем параметрам, исключается влияние стенок реактора на процесс и создается возможность исследования механизма мономолекулярных р-ций в таких условиях, когда константа скорости не зависит от давления.

Технол. реактор, перспективный для крупнотоннажных произ-в, 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 произ-в 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 А. с. м. 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 т-ре ( < 400 °С) стенок рабочих цилиндров, что исключает их высокотемпературную коррозию.

С применением А. с. м. исследованы кинетика и механизм ряда р-ций (напр., разложение N₂O, пиролиз низших углеводородов и их фторпроизводных), осуществлены р-ции фиксации атмосферного азота его прямым окислением и др. Метод м. б. использован для определения периода индукции при воспламенении горючих смесей, исследования физ. св-в плотных газов при высоких т-рах, создания импульсных источников света, получения высокоэнтальпийных газовых струй.

Впервые А. с. м. применен в химии Ю. Б. Хари гоном в 1939.

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