Химические реакции за ударной волной в ударной трубе

Для охлаждения реакционной смеси и замораживания реакции может использоваться волна расширения, образующаяся прн отражении волны разрежения от левой торцевой стенки камеры высокого давления (см. рис. 1). Можно также поддерживать такие условия, чтобы при прохождении отраженной ударной волны через контактную поверхность между обоими газами волна разрежения распространялась обратно в горячие газы, тем самым прекращая реакцию. (Определение всех терминов показано на рис. 5.) В химической ударной трубе, с другой стороны, волна охлаждения возникает при разрыве диафрагмы между рабочим газом и вакуумным резервуаром спустя несколько миллисекунд после разрыва первой диафрагмы. Эта волна движется вдоль реактора, вызывая охлаждение реакционной смеси со скоростью порядка 10 °К в секунду. [c.303]

При горении паров или газов в трубах давление при опреде ленных условиях может повыситься до 10 МН/м (100 кгс/см ) н скорость распространения пламени достигает 1000—3000 м/с. Гот рение, при котором скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука в данной среде, называется детонационным. При детонации тепло из зоны горения передается ударной волной, которая, сжимая и нагревая горючую смесь, вызывает протекание цепных химических реакций с огромной скоростью. Энергия, выделяющаяся в результате химической реакции, поддерживает ударную волну, обеспечивая постоянную скорость ее распространения. Детонация обычно вызывается действием ударной волны, которая может возникнуть при взрыве газо- или паровоздушной смеси. [c.243]

Для изучения кинетики химических реакций в сильно нагретых газах в последние годы интенсивно используются ударные волны, генерируемые в ударных трубах. [c.300]

Параметры газа в этой горячей зоне (температура, давление, плотность) вычисляются обычно из законов сохранения массы, момента количества движения и энергии во фронте ударной волны. Скорость движения фронта по трубе при этом экспериментально измеряется. За развитием химической реакции в нагретом газе следят, изучая его состояние с помощью оптических или других методов в некоторой точке ударной трубы, когда газ проходит мимо смотровых окон. [c.301]

Метод ударной трубы является одним из наиболее мощных в современной химической физике и предназначен для исследования быстрых процессов в газовой фазе. Особенно наглядно проявляются его преимущества при изучении процессов в режиме высоких температур, недоступных в статических лабораторных установках. В сочетании с разнообразными методами диагностики ударная труба позволяет изучать физико-химиче-ские превращения в широком диапазоне времен от 10 до 10 с. Описание ударных волн как метода исследования химических реакций появилось в литературе в 50—60-х годах нашего столетия. Методики измерений и наиболее важные экспериментальные результаты изложены в превосходных книгах [1] и обзорных статьях [2—4]. Даже несмотря на некоторую газодинамическую неидеальность потока за ударной волной, которой в последние годы уделяется большое внимание и которую при корректной постановке эксперимента необходимо учитывать, в настоящее время ударные трубы являются прекрасно зарекомендовавшим себя способом получения информации о скоростях высокотемпературных химических реакций в газовых системах. [c.108]

При резком сжатии газа ударной волной происходит необратимое возрастание энтальпии и, следовательно, повышение температуры до контролируемого значения, при котором инициируется химическая реакция. Многие исследования химических реакций в ударных волнах проводятся при относительно сильном разбавлении смеси инертным газом, что дает возможность сводить к минимуму изменение условий эксперимента за счет термохимического эффекта реакции. Наиболее ранние и в большинстве своем плодотворные исследования быстрых реакций в ударных трубах проведены с относительно простыми системами, которые часто содержали только один реагент или даже один химический элемент. В этом случае удается ограничить число элементарных стадий и число химических компонентов, определяющих протекание всего процесса в целом. Для малого числа элементарных реакций можно достаточно легко найти соотношения между какой-либо одной экспериментально измеряемой величиной и скоростями элементарных стадий. Диссоциация гомоядерных двухатомных молекул — простейший пример данного [c.108]

Рассмотрим некий почти плоский объем в поперечном сечении ударной трубы, предназначенный для наблюдения за степенью химических превращений. Порции газа, ударно-сжатые в различные начальные моменты времени и, следовательно, находящиеся на разных расстояниях от фронта ударной волны, проходят последовательно через это сечение. Обычные значения пространственного и временного разрешения связаны между собой и определяются толщиной плоского слоя в сечении наблюдения и составляют 1 мм и несколько микросекунд соответственно. При экспериментах в отраженных ударных волнах можно считать, что развитие реакции измеряется в одном и том же покоящемся объеме газа, а при измерениях за падающей волной объемы реагирующего газа последовательно проходят через сечение наблюдения. [c.123]

Изучение быстрых реакций в ударных трубах основано на простых физических явлениях. Некоторые из них полезны для исследования, а другие только затрудняют его. Как только в каком-либо сечении за ударной волной начинает происходить химическая реакция, там сразу возникают градиенты температуры, концентрации и меняется скорость потока. Но поскольку процессы переноса (диффузия, теплопроводность и вязкость) чрезвычайно медленны по сравнению с околозвуковыми скоростями потока за волной, их влияние на зону реакции можно не учитывать. Даже очень большие градиенты во фронте ударной волны не уширяют до макроскопических величин толщину фронта. Охлаждение смеси из-за потери энергии путем излучения не- [c.123]

Полное термодинамическое равновесие за ударной волной (без учета химической реакции) устанавливается по окончании процессов поступательной, вращательной и колебательной релаксации. Для поступательной и вращательной релаксации необходимо от нескольких до десятков соударений. Колебательная релаксация молекулярных газов происходит медленнее. Времена установления равновесия по колебательным степеням свободы могут быть легко и просто измерены в ударных трубах. В некоторых случаях процесс колебательной релаксации может происходить одновременно с химическими изменениями. Например, если азот, время колебательной релаксации которого максимально для двухатомных газов, является просто инертным разбавителем исследуемой смеси газов, то температура и плотность смеси будут сильно зависеть от колебательной релаксации азота. Процессы релаксации и заселения электронно-возбужденных состояний достаточно быстры и не играют существенной роли по крайней мере в области температур, где ионизация незначительна, поскольку энергия электронного возбуждения для большого числа простейших молекул и атомов очень велика, а соответственно заселенность этих уровней пренебрежимо мала. [c.124]

Быстрые реакции, происходящие за время существования стационарного потока за ударной волной, не удается исследовать традиционными методиками с механическими элементами. Кроме очевидных трудностей из-за смешения разных порций реагентов, полученных при отборе проб в ходе реакции для химического анализа, имеются более существенные затруднения, связанные с возможными термохимическими изменениями в такой процедуре. Эффекты охлаждения или разогрева системы можно количественно определить с помощью стационарных уравнений сохранения для ударной волны, но они могут быть так велики, что станет невозможным выравнивание температуры посредством теплопроводности. Поэтому при исследовании быстрых реакций в ударных трубах исходную смесь разбавляют инертным (чаще всего одноатомным) газом, что позволяет изучать реагирующие системы с большим тепловым эффектом. [c.124]

Методику ударной трубы в какой-то степени можно рассматривать как дополняющую флеш-фотолиз, так как энергия во фронте ударной волны первоначально выделяется в виде кинетической, затем изучается ее превращение в другие формы энергии и ее использование для инициирования химической реакции. Считается, что высокие концентрации активных частиц возникают на длине пути ударной волны, равной диаметру трубы (порядка 5—10 см). Эта методика менее чувствительна для обнаружения свободных радикалов, чем флеш-фотолиз, но зато позволяет проводить эксперименты при строго контролируемых условиях. [c.141]

Продолжительность пребывания реагирующих газов за фронтом ударной волны определить гораздо сложнее, чем в обычных реактора периодического или проточного типа. Продолжительность реакции в ударной трубе является функцией термодинамических свойств газов, отношения длин камеры с рабочим газом и канала с реагируюш.им газом, а для химической ударной волны, кроме того, интервала времени между разрывом обеих диафрагм. Точные кинетические исследования должны основываться на точном знании продолжительности реакции, что в условиях ударной трубы достигается сравнительно сложно и требует математического анализа. [c.307]

В соответствии с этим пиролиз метана был детально исследован [37] в гомогенных условиях с применением химической ударной трубы при температуре 1656—1965 °К- И в этом случае применяли аргон в качестве разбавителя реагирующие газовые смеси (90% аргона -Ь 10% метана, 98% аргона Ч- 2% метана) были по возможности близки к идеальным. Другая серия опытов была проведена на смеси 98,5% аргона -1- 0,9% метана -1- 0,6%) водорода в интервале температур 1650—2040°К. Во всех случаях реакции протекали только за фронтом отраженной ударной волны. Данные по кинетике реакции вычисляли в предполол<ении первого порядка реакции. [c.313]

При взрыве горючих смесей газов и паров с воздухом в трубах с большими диаметром и длиной может иметь место другая форма быстрого воспламенения, а именно скорость распространения пламени превышает скорость распространения звука и достигает 1000—4000 м/сек. Давление при этих условиях может повыситься до 80 кгс/см и более. Это явление называется детонацией. Детонация объясняется возникновением и действием ударных волн в сжимающейся и воспламеняющейся смеси. Быстродействующая ударная волна вызывает резкое увеличение давления, температуры и плотности горючей смеси, что в свою очередь ускоряет химические реакции горения и усиливает разрушительный эффект. [c.15]

Детонационное горение характеризуется скоростью распространения пламени, превышающей скорость распространения звука в данной среде, и часто наблюдается в трубах большой длины и большого диаметра. Высокая скорость химической реакции горения при детонации обусловлена действием ударной волны, которая является в данных условиях не чем иным, как тепловым импульсом воспламенения. При этом давление детонационного горения достигает колоссальных значений, во много раз превышающих начальное давление. [c.179]

Пределы горения и детонации при уменьшении диаметра трубы, в общем случае наступают вследствие увеличения теплопотерь в стенки с единицы реагирующей массы в зоне реакции пламени. На пределах детонации детонационная волна имеет спиновую структуру. Элементом, обеспечивающим стационарное распространение детонационной волны по смеси, по К. И. Щелкину, является излом ударной волны, распространяющейся с большей скоростью но сравнению со скоростью детонационной волны по оси трубки. Чем больше геометрический размер этого излома, тем за более продолжительное время будет рассасываться через торцы излома сжатая в этом изломе смесь в окружающую среду, сжатую плоской ударной волной. Следовательно, в смесях с большим временем химической реакции период индукции сможет заканчиваться до момента полного истечения сжатой смеси из излома волны. [c.182]

Объяснение аномально коротких периодов индукции, по-ви-димому, нужно искать в газодинамических явлениях в ударных трубах [58, 59]. Из независимых экспериментов известно, что газ за отраженной ударной волной испытывает дополнительный подогрев, постоянно возрастающий по мере удаления от торца ударной трубы [90, 91]. Это явление связано главным образом с взаимодействием отраженной ударной волны с развивающимся за падающей ударной волной пограничным слоем и наиболее отчетливо выражено в газовых смесях с малой величиной отношения удельных теплоемкостей у. Несомненное влияние этого вида газодинамической неидеальностн в ударных волнах на значительное уменьшение задержек воспламенения против ожидаемых величин видно на шлирен-фотографиях воспламенения в неразбавленных водородно-кислородных смесях. Оказалось, что первоначальное воспламенение происходит не вблизи торца ударной трубы, где газ нагревается раньше других слоев, а на некотором удалении от торца [58, 59]. В настоящее время можно сделать по крайней мере один вывод, что эксперименты на ударных трубах не обеспечивают правильного и надежного способа изучения медленного режима воспламенения смеси водорода с кислородом при низких температурах и высоких давлениях вследствие очень неблагоприятного сочетания больших химических задержек воспламенения с исключительно сильной зависимостью их от температуры. Следовательно, пока нельзя извлечь полезной информации о реакциях (т) и ( ) из экспериментов на ударных трубах. И даже данные о величине й/, полученные в опытах на ударных трубах малого диаметра для неразбавленных смесей Нг—Ог [46, 71], нельзя считать достоверными, поскольку в них не наблюдались явления, отмеченные на рис. 2.10. [c.171]

Уже при первом использовании ударной волны (Вьель, 1899 г, [67]) фактически было устранено большинство препятствий, стоящих на пути исследования высокотемпературных химических процессов. Однако только с начала 50-х годов, когда были опубликованы сообщения об использовании ударной трубы для измерения скорости диссоциации четырехокиси азота [14] и для исследования образования свободных радикалов в ударной трубе [23], началось широкое использование этого метода для количественного исследования высокотемпературных. химических реакций. В 1958 г. конструкция ударной трубы была изменена. Новый аппарат по праву получил название химической ударной трубы [28]. Это явилось важным шагом к дальнейшим достижениям, так как в измененном аппарате стало возможным подвергать газ только совершенно однородным и четко известным импульсам температуры и давления с последующим быстрым охлаждением, практически полностью прекращавшим реакцию. [c.302]