Разложение впв катализатором

Самое активное разложение производится катализаторами. Катализатором является химическое вещество, которое увеличивает скорость реакции, но не входит в состав продуктов реакции. В начале реакции катализатор реагирует с исходным веществом, а в конце промежуточный результат расщепляется на продукт реакции и исходный катализатор. При этом катализатор работает как внешнее химическое возбуждение. Этот процесс называется «каталическим разложением».

Пероксид водорода разлагают самые различные вещества, в частности, многие металлы (например, хром, марганец, железо, медь, серебро, платина, свинец и их сплавы), органические материалы (каучук, дерево, кожа, белки, углеводы, аминокислоты) и другие. На практике обычно применяются катализаторы, включающие в себя оксид марганца (IV) (MnO₂) или серебро (Ag). За рубежом чаще используется серебряная сетка, а в России — гранулы перманганата калия (KMnO₄). Химические реакции с их использованием приведены ниже:

- При использовании Ag:

Ag + H₂O₂ → Ag + H₂O + 0,5·O₂ + Q

- При использовании KMnO₄:

KMnO₄ + 0,5·H₂O₂ → MnO₂ + KOH + O₂ + Q

MnO₂ + H₂O₂ → MnO₂ + H₂O + 0,5·O₂ + Q

Необходимо отметить, что перманганат калия KMnO₄ часто называют катализатором, но это не так. Он химически реагирует с пероксидом водорода, превращаясь в оксид марганца (IV) (MnO₂), при этом его количество уменьшается. А вот полученный MnO₂ уже действительно является катализатором, в реакции разложения пероксида водорода он не расходуется. Но в общем процессе он всё же обычно теряется, т. к. при температуре свыше 808 К он плавится, а температура разложения высококонцентрированных растворов пероксида водорода (св. 85%) превышает это значение.

Таблица 7.1. Температуры плавления

Ag	1235 K
MnO2	808 K
KMnO4	513 K

 

Несмотря на то, что перманганат калия при реакции расходуется, что ограничивает время его работоспособности, он широко используется в случаях, когда необходимо активное разложение пероксида водорода.

Необходимо рассмотреть применение катализатора для двух случаев.

Первый — при использовании ВПВ как монотоплива для двигателя или энергоустановки. Тогда катализатор должен сохранять свои свойства на протяжении всего времени работы агрегата.

Второй — когда ВПВ используют в паре с горючем. В этом случае уместно рассматривать катализатор как инициатор процесса горения. Впоследствии в силу естественного уноса каталитического материала роль самого пакета катализатора теряется. Основным источником разложения ВПВ становятся продукты сгорания топливной пары, которые смешиваются с факелом распыла пероксида в результате обратных токов и течений в КС.

Масса катализаторного пакета выбирается исходя из условия: на разложение 3 г окислителя в секунду требуется 1 г катализатора.

Термодинамический расчет

Проведены термодинамические расчеты влияния концентрации пероксида водорода на удельный импульс и температуру в камере сгорания.

Концентрация ВПВ сильно влияет на температуру в КС и в критическом сечении и на удельный импульс двигателя.

При выбранной концентрации ВПВ 85% для стехиометрического соотношения компонентов в КС и полном сгорании топлива максимальный удельный пустотный импульс составит 2450 м/c, расчетный удельный импульс 2150 м/c, максимальная температура в КС составит 2600 К. Максимальная температура газа для выбранной концентрации ВПВ более, чем на 1500 К превышает рабочую температуру материала (1100…1200 К). Это означает, что требуется отдельная защита стенки КС от перегрева.

Т. к. предстоит защищать КС завесным охлаждением, то значения удельного импульса и температуры будут меньше. Для более точного решения проведены расчеты перемешивания завесного охлаждения с ядром потока.

Рис. 8.1. Влияние концентрации пероксида водорода на пустотный удельный импульс.

Рис. 8.2. Влияние концентрации пероксида водорода на расчетный удельный импульс.

Рис. 8.3. Влияние концентрации пероксида водорода на температуру в камере сгорания.

Проведены расчеты влияния давления в КС на характеристики двигателя и рабочего газа. Условия расчета – условия работы двигателя.

Рис. 8.4. Зависимость температуры в КС от давления и коэффициента избытка окислителя.

Рис. 8.5. Зависимость температуры в критическом сечении от давления и коэффициента избытка окислителя.

Рис. 8.6. Зависимость температуры на срезе сопла от давления и коэффициента избытка окислителя.

Рис. 8.7. Зависимость удельного импульса от давления и коэффициента избытка окислителя.

Расчеты показывают, что давление в КС несильно влияет на температуру и удельный импульс.