Кинетика распада озона в реакторе для разложения шин
Приведены результаты теоретического и экспериментального исследований кинетики распада озона в химическом реакторе, который разработан для разложения шин в озоно-воздушной среде. Получено аналитическое выражение для зависимости концентрации озона в реакторе от времени и от параметров задачи таких, к...
Saved in:
| Date: | 2010 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17331 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Кинетика распада озона в реакторе для разложения шин / В.И. Голота, О.В. Мануйленко, Г.В. Таран, А.С. Письменецкий, А.А. Замуриев, В.А. Беницкая, Ю.В. Доценко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 204-209. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859587099430223872 |
|---|---|
| author | Голота, В.И. Мануйленко, О.В. Таран, Г.В. Письменецкий, А.С. Замуриев, А.А. Беницкая, В.А. Доценко, Ю.В. |
| author_facet | Голота, В.И. Мануйленко, О.В. Таран, Г.В. Письменецкий, А.С. Замуриев, А.А. Беницкая, В.А. Доценко, Ю.В. |
| citation_txt | Кинетика распада озона в реакторе для разложения шин / В.И. Голота, О.В. Мануйленко, Г.В. Таран, А.С. Письменецкий, А.А. Замуриев, В.А. Беницкая, Ю.В. Доценко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 204-209. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Приведены результаты теоретического и экспериментального исследований кинетики распада озона в химическом реакторе, который разработан для разложения шин в озоно-воздушной среде. Получено аналитическое выражение для зависимости концентрации озона в реакторе от времени и от параметров задачи таких, как объемная скорость подачи озоно-воздушной смеси на вход реактора, концентрация озона на входе в реактор, объемная скорость вывода отработавшей смеси, объем реактора, площадь его внутренней поверхности. Показано, что при одной и той же скорости прокачки озоно-воздушной смеси через реактор, с ростом концентрации озона на входе значение стационарной концентрации в реакторе растет, оставаясь всегда меньше концентрации на входе. Показано также, что при одной и той же концентрации озона на входе, с ростом скорости прокачки озоно-воздушной смеси через реактор значение стационарной концентрации озона в реакторе также растет, оставаясь всегда меньше концентрации озона на входе. Экспериментально изучена кинетика распада озона в реакторе в широком диапазоне скорости прокачки озоно-воздушной смеси через реактор (0.15, 0.30, 0.45, 0.60 м³/ч) и различных концентраций озона на входе (5, 10, 15, 20 г/м³). Показано, что экспериментальные результаты с хорошей точностью совпадают с теоретическими. Прямым экспериментом продемонстрировано существенное влияние внутренней поверхности реактора на кинетику распада озона.
Наведено результати теоретичного і експериментального дослідження кінетики розпаду озону у хімічному реакторі, який було розроблено для розкладання шин в озоно-повітряному середовищі. Отримано аналітичний вираз для залежності концентрації озону у реакторі від часу і від параметрів задачі, таких як об'ємна швидкість подачі озоно-повітряної суміші на вхід реактора, концентрація озону на вході у реактор, об'ємна швидкість виведення відпрацьованої суміші, об'єм реактора, площа його внутрішньої поверхні. Показано, що при однаковій швидкості прокачування озоно-повітряної суміші крізь реактор, із зростанням концентрації озону на вході значення стаціонарної концентрації в реакторі зростає, залишаючись завжди менше, ніж концентрація на вході. Показано також, що при однаковій концентрації озону на вході, із зростанням швидкості прокачування озоно-повітряної суміші крізь реактор значення стаціонарної концентрації озону у реакторі також зростає, залишаючись завжди менше концентрації озону на вході. Експериментально досліджено кінетику розпаду озону в реакторі в широкому діапазоні швидкості прокачування озоно-повітряної суміші крізь реактор (0.15, 0.30, 0.45, 0.60 м³/год) і різних концентраціях озону на вході (5, 10, 15, 20 г/м³). Показано, що експериментальні результати з достатньою точністю збігаються з теоретичними. Прямим експериментом було продемонстровано істотний вплив внутрішньої поверхні реактора на кінетику розпаду озону.
The results of theoretical and experimental research of ozone disintegration kinetics in the chemical reactor which is developed for decomposition of tyres in the ozone-air environment are presented. Analytical expression for dependence of ozone concentration in the reactor from time and from parameters of the task, such as volume speed of ozone-air mixture feed on a reactor input, concentration of ozone on the input to the reactor, volume speed of output of the used mixture, reactor size, and square of its internal surface is obtained. It is shown that at the same speed of ozone-air mixture prorolling through the reactor, with growth of ozone concentration on the input, value of stationary concentration in the reactor grows, remaining always less than concentration on the input. It is also shown that at the same ozone concentration on the input, with growth of speed of ozone-air mixture prorolling through the reactor, value of stationary ozone concentration in the reactor also grows, remaining always less than ozone concentration on the input. The ozone disintegration kinetics in the reactor in a wide range of speed of ozone-air mixture prorolling through the reactor (0.15, 0.30, 0.45, 0.60 m³/hour) and various ozone concentration on the input (5, 10, 15, 20 g/m³) is experimentally studied. It is shown that experimental results with good accuracy coincide with the theoretical. Direct experiment showed the essential influence of the internal surface of the reactor on the ozone disintegration kinetics.
|
| first_indexed | 2025-11-27T10:41:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
204 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2010. № 4.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (7), с. 204-209.
УДК 533.9
КИНЕТИКА РАСПАДА ОЗОНА В РЕАКТОРЕ
ДЛЯ РАЗЛОЖЕНИЯ ШИН
В.И. Голота, О.В. Мануйленко1, Г.В. Таран, А.С. Письменецкий, А.А. Замуриев,
В.А. Беницкая, Ю.В. Доценко
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
1E-mail: ovm@kipt.kharkov.ua
Приведены результаты теоретического и экспериментального исследований кинетики распада озона в
химическом реакторе, который разработан для разложения шин в озоно-воздушной среде. Получено анали-
тическое выражение для зависимости концентрации озона в реакторе от времени и от параметров задачи
таких, как объемная скорость подачи озоно-воздушной смеси на вход реактора, концентрация озона на вхо-
де в реактор, объемная скорость вывода отработавшей смеси, объем реактора, площадь его внутренней по-
верхности. Показано, что при одной и той же скорости прокачки озоно-воздушной смеси через реактор, с
ростом концентрации озона на входе значение стационарной концентрации в реакторе растет, оставаясь все-
гда меньше концентрации на входе. Показано также, что при одной и той же концентрации озона на входе, с
ростом скорости прокачки озоно-воздушной смеси через реактор значение стационарной концентрации озо-
на в реакторе также растет, оставаясь всегда меньше концентрации озона на входе. Экспериментально изу-
чена кинетика распада озона в реакторе в широком диапазоне скорости прокачки озоно-воздушной смеси
через реактор (0.15, 0.30, 0.45, 0.60 м3/ч) и различных концентраций озона на входе (5, 10, 15, 20 г/м3). Пока-
зано, что экспериментальные результаты с хорошей точностью совпадают с теоретическими. Прямым экс-
периментом продемонстрировано существенное влияние внутренней поверхности реактора на кинетику
распада озона.
1. ВВЕДЕНИЕ
В данной работе исследована кинетика распада
озона − экологически чистого окислителя в химиче-
ском реакторе, предназначенном для деструкции
изношенных шин. Озон синтезировался в безбарьер-
ных озонаторах на стримерном разряде [1, 2]. Основ-
ные компоненты озонаторов − плазмохимические
реакторы (ПХР) и высоковольтные источники пита-
ния. Синтез озона в безбарьерных ПХР может осу-
ществляться как при подаче на электродную систему
постоянного высокого напряжения, так и импульс-
ного периодического высокого напряжения.
Положительное влияние на энергетическую эф-
фективность синтеза озона в безбарьерных ПХР при
использовании импульсного напряжения субнаносе-
кундного и микросекундного диапазонов обусловле-
но возможностью создания в разрядном промежутке
повышенных значений редуцированной напряжен-
ности электрического поля E/N (100…200 Td). При
этом необходимо предотвратить переход разряда в
искровую стадию. При питании ПХР от высоко-
вольтного источника постоянного тока, при посто-
янном наличии высокого напряжения на разрядном
промежутке, ионный ток вносит существенный
вклад в нагрев газа в стримерных каналах, что при-
водит к снижению плотности газа в канале, повы-
шению степени ионизации газа и, как следствие, к
преждевременному искровому пробою газа. Одна-
ко, если учесть, что тлеющий разряд в газе состоит
из большого количества отдельных очень коротких
во времени стримеров и именно в них происходят
основные диссоциативные процессы, можно пред-
положить, что при использовании высоковольтных
импульсов с длительностью импульса напряжения,
приблизительно равной длительности импульсов
тока в разряде, возможно зажигание разряда с вы-
соким уровнем перенапряжения в разрядном про-
межутке. Для реализации такого режима работы
ПХР фронт импульса напряжения должен быть дос-
таточно крутым, чтобы осуществить быструю иони-
зацию газа, а частота повторения импульсов должна
быть меньше времени рассасывания объемного за-
ряда в разрядном промежутке. Поэтому современ-
ные безбарьерные озонаторы, разработанные в Ин-
ституте плазменной электроники и новых методов
ускорения ННЦ ХФТИ НАН Украины и работаю-
щие при атмосферном давлении, имеют оптималь-
ную для создания объемного тлеющего разряда
электродную систему и питаются от источников
высоковольтных импульсов длительностью
0,5…1 мкс, при частоте подачи импульсов
10…20 кГц, с КПД источника порядка 90…95%.
2. ТЕОРИЯ
Подробное исследование кинетики термическо-
го разложения озона, разбавленного кислородом, в
интервале температур от 70 до 170°С, при давлени-
ях от 30 до 760 Торр дано в [3]. Оказалось, что для
сильно концентрированного (до 95% О3, при давле-
ниях до 100 Торр) и сильно разбавленного кислоро-
дом озона удовлетворительно выполняется 2-й по-
рядок реакций по концентрации озона. Для средних
же концентраций озона в кислороде скорость рас-
пада последнего имеет порядок реакции по концен-
трации озона между 1 и 2. В [4-6] приведены ре-
зультаты исследования кинетики распада озона не
только в кислороде, но и в других газах, в частно-
сти, в N2, CO2, He, Ar, H2O, N2O и др.
В настоящее время общепринятым механизмом
распада О3 является следующий [6]:
MOOMO
k
k
++⇔+
−
23
1
1
, (1)
23 2
2
OOO
k
⇒+ , (2)
где в (1): M = {O2, N2, CO2, He, Ar, H2O, N2O}; −
константа скорости прямой реакции; − кон-
станта скорости обратной реакции; в (2): − кон-
станта скорости реакции. Прямая реакция в (1)
представляет мономолекулярный распад озона. Она
сама по себе не является элементарным актом, а
состоит из многоступенчатого процесса активации
и разложения возбужденной молекулы через акти-
вированный комплекс. Обратная реакция также не
элементарна. Она протекает в виде двух бимолеку-
лярных стадий: образования возбужденного озона с
последующей его релаксацией. Реакция (2) экзо-
термична. Избыток энергии распределен по колеба-
тельным степеням свободы молекулы кислорода.
Обычно колебательно-возбужденный кислород ре-
лаксирует в основное состояние. Однако существу-
ют условия, когда константа
1k
1−k
2k
2k резко возрастает
[7].
Следует отметить, что константы 1k и 1−k для
различных газов-разбавителей разные. Удобно вы-
делить их эффективность сомножителем, введен-
ным в эти константы. Эффективность ξ показыва-
ет, во сколько раз соответствующая константа из-
меняется, если один газ-разбавитель заменить на
другой при прочих равных условиях. В [4, 6] приве-
дены следующие значения для эффективностей:
ξ = 1,0(О3); 0,44(О2); 0,41(N2); l,06(CO2); 0,34(Не);
0,26(Ar); 2,2(SF6); 0,96(N2O); 3,9(H2O).
Используя метод стационарных концентраций,
несложно получить уравнение для скорости разло-
жения озона:
[ ] [ ] [ ][ ] .2 2
3
3221
21
3 O
OkOMk
MkkO
dt
d
+
−=
−
(3)
Из (3) видно, что в общем случае распад О3 опи-
сывается переменным порядком от 1- до 2-го в за-
висимости от параметров эксперимента, причем,
если , то реакция распада озона
становится реакцией первого порядка. В [6, 8] при-
веден ряд экспериментальных результатов, которые
показывают, что распад озона лучше описывается
кинетикой 1-го порядка.
[ ] [ 2132 OMkOk −>>
205
]
Влияние поверхности реактора на распад озона
является трудно контролируемым фактором. Так,
например, «свежая» кварцевая поверхность доста-
точно активно разлагает озон, но с течением времени
становится относительно инертной, что приводит к
необходимости специальной «тренировки» поверх-
ности реактора при изучении кинетики распада [6].
Трудно контролируемые в наших экспериментах по
разложению шин с помощью озона факторы, такие
как загрязненная окисляющаяся металлическая по-
верхность реактора, переменная влажность и др., а
также отсутствие надежных данных о взаимодейст-
вии озона с поверхностью различных твердых тел
(различные марки стали, резина) приводят к необхо-
димости экспериментального исследования кинетики
разложения озона при прокачке озоно-воздушной
смеси через пустой реактор, а также реактор, в кото-
рый помещены обрабатываемые объекты.
Химический реактор для разложения шин в озо-
но-воздушной среде представляет собой цилиндри-
ческую камеру из оцинкованной стали объемом
V=0.3 м3, в который от озонатора (см. [2]) с объем-
ной скоростью подается озоно-воздушная
смесь с концентрацией озона . Вывод отрабо-
тавшей смеси осуществляется со скоростью
inU
inC
outU в
окружающее пространство. В результате распада
озона в объеме на стенках реактора и вывода озоно-
воздушной смеси из реактора в последнем устанав-
ливается зависящая от времени концентрация озона
. Полагая, что распад озона в объеме описывается
кинетикой первого порядка с константой скорости
, для числа частиц, распавшихся за время
C
Vk tΔ ,
получим tV
V
tCUCkN
inin
V
V Δ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ Δ
+=Δ . Второе слагае-
мое в скобках представляет собой число частиц,
которые вносятся в реактор за время . Им можно
пренебречь, так как оно имеет более высокий поря-
док малости по сравнению с . Полагая, что рас-
пад на стенке пропорционален потоку молекул озо-
на на стенки реактора
tΔ
C
T
inin
v
V
tCUC ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ Δ
+=Γ α ,
(где − скорость молекул озона; Tv α − геометри-
ческий фактор, учитывающий геометрию реактора
– цилиндр, куб и т.п., для числа частиц, распавших-
ся за время tΔ на стенках), получим
tSv
V
tCUCN T
inin
W Δ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ Δ
+=Δ αγ ,
где γ − вероятность распада молекулы озона на
стенке, S − площадь внутренней поверхности реак-
тора. Число молекул озона, которые вносятся и вы-
носятся с озоно-воздушной смесью за время Δt, со-
ответственно равно:
ininin tCUN Δ=Δ ,
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ Δ
+Δ=Δ
V
tCUCtUN
inin
outout .
Изменение числа частиц в реакторе за время
tΔ : . Откуда
получаем уравнение для изменения концентрации
озона в камере:
WVoutin NNNNN Δ−Δ−Δ−Δ=Δ
Ck
V
U
V
CU
dt
dC outinin
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+−= , (4)
где WV kkk += ,
V
Svk TW αγ= . Полагая, что в
начальный момент времени концентрация озона в
реакторе равна нулю , получаем 0)0( ==tC
⎪⎭
⎪
⎬
⎫
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+−−
+
= tk
V
U
kVU
CUtC
out
out
inin
exp1)( . (5)
При ∞→t для стационарной концентрации,
получаем
kVU
CUC out
inin
ss
+
= . (6)
В другом предельном случае при 1<<⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ + tk
V
U
получаем линейную зависимость концентрации
озона от времени
t
V
UCtC
in
=)( , (7)
что соответствует начальной стадии заполнения
рабочей камеры (Рис.1-4).
3. ЭКСПЕРИМЕНТ
В наших экспериментах . В этом
случае, как следует из (6), при одной и той же ско-
рости прокачки озоно-воздушной смеси через реак-
тор U , с ростом концентрации озона на входе
значение стационарной концентрации в реак-
торе растет, оставаясь всегда меньше концентрации
на входе. Кроме того, как следует из (6), при одной
и той же концентрации озона на входе, с ростом
скорости прокачки озоно-воздушной смеси через
реактор, значение стационарной концентрации
UUU outin ≡=
inC
ssC
ssC
в реакторе также растет, оставаясь всегда меньше
концентрации озона на входе.
На Рис.1 приведено изменение концентрации
озона в реакторе при различных концентра-
циях озона на входе в реактор
г/м
)(tC
{ 20,15,10,5=inC } 3, измеренное при скорости
прокачки озоно-воздушной смеси через реактор
U=0.15 м3/ч. Время замещения .2ч
U
V
==τ Видно,
что при ( )2...3t τ∝ концентрация приближа-
ется к стационарной . Как следует из Рис.1, при
одной и той же скорости прокачки U озоно-
воздушной смеси через реактор, с ростом концен-
трации озона на входе
)(tC
ssC
inC значение стационарной
концентрации ssC в реакторе растет, оставаясь
всегда меньше концентрации на входе, что совпада-
ет с результатами теоретических оценок, приведен-
ных выше.
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
0 1 2 3 4
T,ч
C
, г
/м
3
5 г/m3
10 г/m3
15 г/m3
20 г/m3
Рис.1. Изменение концентрации озона в реакторе
для разложения шин при различных концентрациях
озона на входе в реактор (5, 10, 15, 20 г/м3) в зави-
симости от времени. Объем реактора V=0.3 м3.
По оси абсцисс – время, ч. По оси ординат –
концентрация озона, г/м3. Скорость прокачки
озоно-воздушной смеси через реактор U=0.15 м3/ч
На Рис.2 приведено изменение концентрации
озона в реакторе для разложения шин при раз-
личных концентрациях озона на входе
)(tC
{ }20,15,10,5=inC г/м3, измеренное при скорости
прокачки озоно-воздушной смеси через реактор
U = 0.30 м3/ч. Время замещения в этом случае
1=τ ч. Видно, что при ( )2...3t τ∝ концентрация
( ) ssC t C≈ . Как следует из Рис.2, при одной и той же
скорости прокачки U озоно-воздушной смеси через
реактор, с ростом концентрации озона на входе
значение
inC
ssC растет, оставаясь меньше , что со-
ответствует результатам теоретических оценок.
inC
На Рис.3 показано изменение концентрации озо-
на со временем в реакторе, при концентрациях
озона на входе
)(tC
{ }20,15,10,5=inC г/м3, измеренное
при скорости прокачки озоно-воздушной смеси че-
рез реактор U=0.45 м3/ч. Время замещения в этом
случае 3/2=τ ч. Видно, что при ( )2...3t τ∝ кон-
центрация ssCtC ≈)( . Как видно из Рис.3, при
constU = , с ростом inC значение ssC растет, ос-
таваясь всегда меньше . inC
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
0 1 2 3 4
Т,ч
С
, г
/м
3
5 г/m3
10 г/m3
15 г/m3
20 г/m3
С
, г
/м
3
Рис.2. Изменение концентрации озона в реакторе
для разложения шин при различных концентрациях
озона на вход в реактор (5, 10, 15, 20 г/м3) в зависи-
мости от времени. Объем реактора V=0.3 м3.
По оси абсцисс – время, ч. По оси ординат –
концентрация озона, г/м3. Скорость прокачки
озоно-воздушной смеси через реактор U=0.30 м3/ч
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
0 1 2 3 4
Т,ч
С
,г/
м
3 5 г/m3
С
, г
/м
3
10 г/m3
15 г/m3
С
, г
/м
3 20 г/m3
Рис.3. Изменение концентрации озона в реакторе
для разложения шин при различных концентрациях
озона на вход в реактор (5, 10, 15, 20 г/м3) в зави-
симости от времени. Объем реактора V=0.3 м3.
По оси абсцисс – время, ч. По оси ординат –
концентрация озона, г/м3. Скорость прокачки
озоно-воздушной смеси через реактор U=0.45 м3/ч
206
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
0 1 2 3 4
T,ч
207
C
, г
/м
3
5 г/m3
10 г/m3
15 г/m3
20 г/m3
Рис.4. Изменение концентрации озона в реакторе
для разложения шин при различных концентрациях
озона на вход в реактор (5, 10, 15, 20 г/м3) в зависи-
мости от времени. Объем реактора V=0.3 м3.
По оси абсцисс – время, ч. По оси ординат –
концентрация озона, г/м3. Скорость прокачки озоно-
воздушной смеси через реактор U=0.60 м3/ч
На Рис.4 приведены кинетические кривые, ана-
логичные показанным на Рис.1-3, за исключением
того, что скорость прокачки озоно-воздушной сме-
си через реактор увеличена до U=0.6 м3/ч. Время
замещения 2/1=τ ч. Видно, что при t ∝ (2…3)τ
ssCtC ≈)( , кроме того, и в этом случае при
, с ростом С constU = in значение ssC растет, оста-
ваясь меньше inC , что согласуется с теорией.
Как видно на Рис.1-4, стационарные концентра-
ции ssC растут с ростом скорости прокачки U при
constCin = , что также совпадает с выводами теории.
На Рис.5 представлены константы скорости рас-
пада озона , умноженные на объем реактора V, в
зависимости от скорости прокачки U озоно-
воздушной смеси через реактор для различных кон-
центраций озона на входе С
k
in, полученные из кине-
тических кривых, приведенных на Рис.1-4, и выра-
жения (6), из которого следует
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−= 1ss
in
C
CUkV . (8)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
U, м3/час
kV
5 г/m3
10 г/m3
15 г/m3
20 г/m3
Рис.5. Константа скорости распада озона k,
умноженная на объем реактора для разложения
шин V, м3, при различных концентрациях озона на
вход в реактор (5, 10, 15, 20 г/м3) в зависимости
от скорости прокачки озоно-воздушной смеси через
реактор U, м3/ч. Объем реактора V=0.3 м3
Разброс в константах скорости распада озона,
особенно при малых скоростях прокачки, объясня-
ется, по-видимому, влиянием трудно контролируе-
мых факторов, таких как состояние внутренней по-
верхности реактора для разложения шин. Как видно
на Рис.1, кривые, представленные на нем, плохо
аппроксимируются выражением (5), что отразилось
на численном значении для мkV 15.0=U 3/ч. Для
кинетических кривых, приведенных на Рис.2-4, вы-
ражение (5) является достаточно хорошей аппрок-
симацией. Следует отметить, однако, что даже в
худшем случае ( 5=inC г/м3, м15.0=U 3/ч) кон-
станта скорости распада озона отличается от сред-
ней не более чем в 2 раза.
С
, г
/м
3
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
U, м3/час
С
s,
г/м
3 5 г/m3
10 г/m3
С
s,
г/
м
3
15 г/m3
20 г/m3
Рис.6. Стационарная концентрация озона в реакто-
ре в зависимости от скорости прокачки озоно-
воздушной смеси через реактор при различных
концентрациях озона на вход в реактор
U, м3/час
(5,10, 15, 20 г/м3). Объем реактора V=0.3 м3
На Рис.6 приведены экспериментальные зависи-
мости стационарных концентраций озона в реакторе
ssC от скорости прокачки озоно-воздушной смеси
при различных концентрациях озона на входе. Со-
гласно (6), при малых скоростях прокачки
1<<
kV
U - это прямая линия, проходящая через начало
координат, при больших скоростях прокачки 1>>
kV
U ,
выражение (6) стремится к стационарному значению,
равному С in. Кроме того, с ростом С in, при одинако-
вых скоростях прокачки U, значение стационарной
концентрации растет, оставаясь всегда меньше С in.
Как видно из Рис.6, выражение (6) с хорошей точно-
стью описывает экспериментальные результаты.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5 10 15 20 25
Сin, г/м3
C
s,
г/м
3 0,15 m3/час
С
s,
г/
м
3
0,3 m3/час
0,45 m3/час
кВ
0,6 m3/час
Рис.7. Стационарная концентрация озона
в реакторе в зависимости от концентрации озона
на вход в реактор, при различных скоростях
прокачки озоно-воздушной смеси через реактор
(0.15, 0.30, 0.45, 0.60 м3/ч). Объем реактора V=0.3 м3
Cin, г/м3
U, м3/час
На Рис.7 приведены экспериментальные зависи-
мости стационарных концентраций озона в реакто-
ре ssC как функции концентраций озона на входе в
реактор С in при различных скоростях прокачки
озоно-воздушной смеси через реактор. Согласно
(6), при constU = , это прямая линия, проходящая
через начало координат. Угол наклона α определя-
ется выражением ( )
kVU
Utg
+
=α , т.е. ( ) 1→αtg при
∞→U . Что означает, что inss CC → при
. При одинаковых концентрациях озона на
входе , большим скоростям прокачки соот-
ветствуют большие значения установившейся в ре-
акторе стационарной концентрации озона
∞→U
inC U
ssC , при-
чем эта концентрация всегда меньше . Как видно
на Рис.7, выражение (6) с хорошей точностью опи-
сывает экспериментальные результаты.
inC
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Т, ч
С
, г
/м
3 пустой
Zn
Fe
резина 7kg
Рис.8. Изменение концентрации озона в реакторе
для разложения шин в зависимости от времени;
а – пустой реактор; б – в реактор помещен лист
оцинкованного железа площадью 1.7 м2;
в – в реактор помещен лист железа площадью
1.47 м2; г – в реактор помещена резиновая крошка,
7 кг. Объем реактора V=0.3 м3. По оси абсцисс –
время, ч. По оси ординат – концентрация озона,
г/м3. Скорость прокачки озоно-воздушной смеси
через реактор U=0.3 м3/ч. Концентрация озона
на вход в реактор 20 г/м3
На Рис.8 показаны результаты прямых экспери-
ментов, демонстрирующих влияние внутренней по-
верхности на кинетику распада озона в реакторе для
разложения шин. Сначала была измерена зависи-
мость концентрации озона от времени в пустом реак-
торе при скорости прокачки озоно-воздушной смеси
через реактор U=0.3 м3/ч и концентрации озона на
входе 20 г/м3. Время замещения в этом случае
1=τ ч. Видно, что при ( )2...3t τ∝ концентрация
достигает своего стационарного значения: ssCtC ≈)( .
Затем в реактор были последовательно помещены:
лист оцинкованного железа площадью 1.7 м2, лист
железа площадью 1.47 м2, резиновая крошка весом
7 кг. Листы железа и оцинкованного железа увели-
чили площадь внутренней поверхности реактора, что
при разных вероятностях поглощения озона поверх-
ностью γ приводит к увеличению константы скоро-
сти распада озона на поверхности
V
Svk TW αγ= , а
значит, согласно (6) − к уменьшению стационарных
концентраций озона в реакторе ssC . Это хорошо
видно из Рис.8. Время выхода на стационарные кон-
центрации ( )2...3t τ∝ , что не отличается от случая
пустого реактора. Как следует из этого рисунка,
кинетические кривые для пустого реактора, а также
для реактора с листами железа и оцинкованного
железа хорошо аппроксимируются выражением (5).
Резиновая крошка увеличивает внутреннюю по-
верхность реактора, а также приводит к изменению
вероятности поглощения озона поверхностью γ ,
что, как и в случае с листами железа и оцинкован-
ного железа, приводит к значительному увеличе-
нию константы скорости распада озона на поверх-
ности kW, и уменьшению стационарных концентра-
ций озона в реакторе ssC . Однако время достиже-
ния стационарных концентраций увеличилось, что
связано с замедленной диффузией озона в гранули-
рованной среде резиновой крошки и, возможно, с
существенным изменением константы скорости
распада озона на поверхности . Wk
ВЫВОДЫ
Приведены результаты теоретического и экспе-
риментального исследования кинетики распада
озона в реакторе, который разработан для разложе-
ния шин в озоно-воздушной среде. В предположе-
нии распада озона в объеме, описываемого кинети-
кой первого порядка, получено аналитическое вы-
ражение для зависимости концентрации озона в ре-
акторе от времени и от параметров задачи, таких как
объемная скорость подачи озоно-воздушной смеси
на вход реактора, концентрация озона на входе в ре-
актор, объемная скорость вывода отработавшей сме-
си, объем реактора и площадь его внутренней по-
верхности. Показано, что при одной и той же скоро-
сти прокачки озоно-воздушной смеси через реактор,
с ростом концентрации озона на входе значение ста-
ционарной концентрации в реакторе растет, остава-
ясь всегда меньше концентрации на входе. Также
показано, что при одной и той же концентрации озо-
на на входе, с ростом скорости прокачки озоно-
воздушной смеси через реактор значение стационар-
ной концентрации озона в реакторе растет, оставаясь
всегда меньше концентрации озона на входе.
С
, г
/м
3
Экспериментально изучена кинетика распада
озона в реакторе в широком диапазоне скоростей
прокачки озоно-воздушной смеси через реактор
(0.15, 0.30, 0.45, 0.60 м3/ч) при различных концен-
трациях озона на входе (5 г/м3, 10, 15, 20 г/м3). По-
казано, что экспериментальные результаты с хоро-
шей точностью совпадают с теоретическими. Пря-
мым экспериментом продемонстрировано сущест-
венное влияние внутренней поверхности реактора
на кинетику распада озона.
ЛИТЕРАТУРА
1. Patent USA №6,554,486 B2 Date 12/29/2000,
Ozone generator / V. Golota, O. Yegorov,
V. Mykhaylov, V. Mukhin, G. Taran, S. Shilo, p.15.
2. http://streamozone.com.ua/
3. С.Я. Пшежецкий, Н.М. Морозов, С.А. Каменец-
кая и др. // ЖФХ. 1959, т.33, №10. c.2306.
4. С. Бенсон. Основы химической кинетики. М.:
«Наука», 1964.
5. S.W. Benson, A.E. Axworthy // J. Chem. Phys.
1957, v.26, №6, р.1718.
6. В.В. Лунин, М.П. Попович, С.Н. Ткаченко. Фи-
зическая химия озона. М: Изд-во МГУ, 1998.
7. Ю.М. Гершензон, С.К. Чекин // Кинетика и ка-
тализ. 1977, т.18, в.6, с.1374.
8. М.П. Попович, Г.В. Егорова, Ю.В. Филиппов //
ЖФХ. 1985, т.59, №2, с.273.
Статья поступила в редакцию 31.05.2010 г.
208
209
OZONE DISINTEGRATION KINETICS IN THE REACTOR FOR TYRES DECOMPOSITION
V.I. Golota, О.V. Manuilenko, G.V. Taran, А.S. Pismenetskii,
А.А. Zamuriev, V.А. Benitskaja, Y.V. Dotsenko
The results of theoretical and experimental research of ozone disintegration kinetics in the chemical reactor
which is developed for decomposition of tyres in the ozone-air environment are presented. Analytical expression for
dependence of ozone concentration in the reactor from time and from parameters of the task, such as volume speed
of ozone-air mixture feed on a reactor input, concentration of ozone on the input to the reactor, volume speed of
output of the used mixture, reactor size, and square of its internal surface is obtained. It is shown that at the same
speed of ozone-air mixture prorolling through the reactor, with growth of ozone concentration on the input, value of
stationary concentration in the reactor grows, remaining always less than concentration on the input. It is also shown
that at the same ozone concentration on the input, with growth of speed of ozone-air mixture prorolling through the
reactor, value of stationary ozone concentration in the reactor also grows, remaining always less than ozone concen-
tration on the input. The ozone disintegration kinetics in the reactor in a wide range of speed of ozone-air mixture
prorolling through the reactor (0.15, 0.30, 0.45, 0.60 m3/hour) and various ozone concentration on the input (5, 10,
15, 20 g/m3) is experimentally studied. It is shown that experimental results with good accuracy coincide with the
theoretical. Direct experiment showed the essential influence of the internal surface of the reactor on the ozone dis-
integration kinetics.
КІНЕТИКА РОЗПАДУ ОЗОНУ У РЕАКТОРІ ДЛЯ РОЗКЛАДАННЯ ШИН
В.І. Голота, О.В. Мануйленко, Г.В. Таран, А.С. Письменецький,
А.А. Замурієв, В.А. Беницька, Ю.В. Доценко
Наведено результати теоретичного і експериментального дослідження кінетики розпаду озону у хімічно-
му реакторі, який було розроблено для розкладання шин в озоно-повітряному середовищі. Отримано аналі-
тичний вираз для залежності концентрації озону у реакторі від часу і від параметрів задачі, таких як об'ємна
швидкість подачі озоно-повітряної суміші на вхід реактора, концентрація озону на вході у реактор, об'ємна
швидкість виведення відпрацьованої суміші, об'єм реактора, площа його внутрішньої поверхні. Показано,
що при однаковій швидкості прокачування озоно-повітряної суміші крізь реактор, із зростанням концентра-
ції озону на вході значення стаціонарної концентрації в реакторі зростає, залишаючись завжди менше, ніж
концентрація на вході. Показано також, що при однаковій концентрації озону на вході, із зростанням швид-
кості прокачування озоно-повітряної суміші крізь реактор значення стаціонарної концентрації озону у реак-
торі також зростає, залишаючись завжди менше концентрації озону на вході. Експериментально досліджено
кінетику розпаду озону в реакторі в широкому діапазоні швидкості прокачування озоно-повітряної суміші
крізь реактор (0.15, 0.30, 0.45, 0.60 м3/год) і різних концентраціях озону на вході (5, 10, 15, 20 г/м3). Показа-
но, що експериментальні результати з достатньою точністю збігаються з теоретичними. Прямим експе-
риментом було продемонстровано істотний вплив внутрішньої поверхні реактора на кінетику розпаду озону.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17331 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-27T10:41:24Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Голота, В.И. Мануйленко, О.В. Таран, Г.В. Письменецкий, А.С. Замуриев, А.А. Беницкая, В.А. Доценко, Ю.В. 2011-02-25T13:29:11Z 2011-02-25T13:29:11Z 2010 Кинетика распада озона в реакторе для разложения шин / В.И. Голота, О.В. Мануйленко, Г.В. Таран, А.С. Письменецкий, А.А. Замуриев, В.А. Беницкая, Ю.В. Доценко // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 204-209. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17331 533.9 Приведены результаты теоретического и экспериментального исследований кинетики распада озона в химическом реакторе, который разработан для разложения шин в озоно-воздушной среде. Получено аналитическое выражение для зависимости концентрации озона в реакторе от времени и от параметров задачи таких, как объемная скорость подачи озоно-воздушной смеси на вход реактора, концентрация озона на входе в реактор, объемная скорость вывода отработавшей смеси, объем реактора, площадь его внутренней поверхности. Показано, что при одной и той же скорости прокачки озоно-воздушной смеси через реактор, с ростом концентрации озона на входе значение стационарной концентрации в реакторе растет, оставаясь всегда меньше концентрации на входе. Показано также, что при одной и той же концентрации озона на входе, с ростом скорости прокачки озоно-воздушной смеси через реактор значение стационарной концентрации озона в реакторе также растет, оставаясь всегда меньше концентрации озона на входе. Экспериментально изучена кинетика распада озона в реакторе в широком диапазоне скорости прокачки озоно-воздушной смеси через реактор (0.15, 0.30, 0.45, 0.60 м³/ч) и различных концентраций озона на входе (5, 10, 15, 20 г/м³). Показано, что экспериментальные результаты с хорошей точностью совпадают с теоретическими. Прямым экспериментом продемонстрировано существенное влияние внутренней поверхности реактора на кинетику распада озона. Наведено результати теоретичного і експериментального дослідження кінетики розпаду озону у хімічному реакторі, який було розроблено для розкладання шин в озоно-повітряному середовищі. Отримано аналітичний вираз для залежності концентрації озону у реакторі від часу і від параметрів задачі, таких як об'ємна швидкість подачі озоно-повітряної суміші на вхід реактора, концентрація озону на вході у реактор, об'ємна швидкість виведення відпрацьованої суміші, об'єм реактора, площа його внутрішньої поверхні. Показано, що при однаковій швидкості прокачування озоно-повітряної суміші крізь реактор, із зростанням концентрації озону на вході значення стаціонарної концентрації в реакторі зростає, залишаючись завжди менше, ніж концентрація на вході. Показано також, що при однаковій концентрації озону на вході, із зростанням швидкості прокачування озоно-повітряної суміші крізь реактор значення стаціонарної концентрації озону у реакторі також зростає, залишаючись завжди менше концентрації озону на вході. Експериментально досліджено кінетику розпаду озону в реакторі в широкому діапазоні швидкості прокачування озоно-повітряної суміші крізь реактор (0.15, 0.30, 0.45, 0.60 м³/год) і різних концентраціях озону на вході (5, 10, 15, 20 г/м³). Показано, що експериментальні результати з достатньою точністю збігаються з теоретичними. Прямим експериментом було продемонстровано істотний вплив внутрішньої поверхні реактора на кінетику розпаду озону. The results of theoretical and experimental research of ozone disintegration kinetics in the chemical reactor which is developed for decomposition of tyres in the ozone-air environment are presented. Analytical expression for dependence of ozone concentration in the reactor from time and from parameters of the task, such as volume speed of ozone-air mixture feed on a reactor input, concentration of ozone on the input to the reactor, volume speed of output of the used mixture, reactor size, and square of its internal surface is obtained. It is shown that at the same speed of ozone-air mixture prorolling through the reactor, with growth of ozone concentration on the input, value of stationary concentration in the reactor grows, remaining always less than concentration on the input. It is also shown that at the same ozone concentration on the input, with growth of speed of ozone-air mixture prorolling through the reactor, value of stationary ozone concentration in the reactor also grows, remaining always less than ozone concentration on the input. The ozone disintegration kinetics in the reactor in a wide range of speed of ozone-air mixture prorolling through the reactor (0.15, 0.30, 0.45, 0.60 m³/hour) and various ozone concentration on the input (5, 10, 15, 20 g/m³) is experimentally studied. It is shown that experimental results with good accuracy coincide with the theoretical. Direct experiment showed the essential influence of the internal surface of the reactor on the ozone disintegration kinetics. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Плазменно-пучковый разряд, газовый разряд и плазмохимия Кинетика распада озона в реакторе для разложения шин Кінетика розпаду озону у реакторі для розкладання шин Ozone disintegration kinetics in the reactor for tyres decomposition Article published earlier |
| spellingShingle | Кинетика распада озона в реакторе для разложения шин Голота, В.И. Мануйленко, О.В. Таран, Г.В. Письменецкий, А.С. Замуриев, А.А. Беницкая, В.А. Доценко, Ю.В. Плазменно-пучковый разряд, газовый разряд и плазмохимия |
| title | Кинетика распада озона в реакторе для разложения шин |
| title_alt | Кінетика розпаду озону у реакторі для розкладання шин Ozone disintegration kinetics in the reactor for tyres decomposition |
| title_full | Кинетика распада озона в реакторе для разложения шин |
| title_fullStr | Кинетика распада озона в реакторе для разложения шин |
| title_full_unstemmed | Кинетика распада озона в реакторе для разложения шин |
| title_short | Кинетика распада озона в реакторе для разложения шин |
| title_sort | кинетика распада озона в реакторе для разложения шин |
| topic | Плазменно-пучковый разряд, газовый разряд и плазмохимия |
| topic_facet | Плазменно-пучковый разряд, газовый разряд и плазмохимия |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17331 |
| work_keys_str_mv | AT golotavi kinetikaraspadaozonavreaktoredlârazloženiâšin AT manuilenkoov kinetikaraspadaozonavreaktoredlârazloženiâšin AT tarangv kinetikaraspadaozonavreaktoredlârazloženiâšin AT pisʹmeneckiias kinetikaraspadaozonavreaktoredlârazloženiâšin AT zamurievaa kinetikaraspadaozonavreaktoredlârazloženiâšin AT benickaâva kinetikaraspadaozonavreaktoredlârazloženiâšin AT docenkoûv kinetikaraspadaozonavreaktoredlârazloženiâšin AT golotavi kínetikarozpaduozonuureaktorídlârozkladannâšin AT manuilenkoov kínetikarozpaduozonuureaktorídlârozkladannâšin AT tarangv kínetikarozpaduozonuureaktorídlârozkladannâšin AT pisʹmeneckiias kínetikarozpaduozonuureaktorídlârozkladannâšin AT zamurievaa kínetikarozpaduozonuureaktorídlârozkladannâšin AT benickaâva kínetikarozpaduozonuureaktorídlârozkladannâšin AT docenkoûv kínetikarozpaduozonuureaktorídlârozkladannâšin AT golotavi ozonedisintegrationkineticsinthereactorfortyresdecomposition AT manuilenkoov ozonedisintegrationkineticsinthereactorfortyresdecomposition AT tarangv ozonedisintegrationkineticsinthereactorfortyresdecomposition AT pisʹmeneckiias ozonedisintegrationkineticsinthereactorfortyresdecomposition AT zamurievaa ozonedisintegrationkineticsinthereactorfortyresdecomposition AT benickaâva ozonedisintegrationkineticsinthereactorfortyresdecomposition AT docenkoûv ozonedisintegrationkineticsinthereactorfortyresdecomposition |