碳纤维是各向异性碳介于92和100 wt %。一般来说,碳纤维有特殊的拉伸性能,热化学稳定性高,好热,导电性,低密度,卓越的抗蠕变性。
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几个行业,如军事、建筑、航空航天、医疗、汽车、体育用品急于使用碳纤维的优秀性能。
聚丙烯腈(PAN)是最重要的生产碳纤维所需的前体。碳纤维的消费增长,汽车工业与成本上升和斗争缺乏高速制备方法。为了降低生产成本,扩大生产规模的清晰理解碳纤维制造方法是至关重要的。
碳纤维生产使用锅采用碳化行,其中包括三个步骤:特征烤箱、LT和HT。每个生产步骤都有自己的挑战。成功地完成生产,重点应在LT炉的大部分纤维质量损失发生。LT炉内的温度通常是400到800°C的质量损失30 - 40%。
炉有一个牵引带之间的停留时间60 - 90秒。是至关重要的实现纤维的质量在整个体系宽度一致,已由于能力不断增长的需求。新系统是3到4米宽相比传统1到2米宽的系统。
它是具有挑战性的,以达到均匀的条件在增加宽度,考虑系统的高度是最小的。通过维护过程气体条件和温度一致,一致的纤维特性可以实现。
本文的第一部分处理废气的属性的定义,和第二部分处理计算流体动力学(CFD)分析的单位细胞的长度LT炉系统,专注于气体成分和温度。研究将继续充分,整个宽度模型一致性的考虑。
废气成分和浓度
尾气排放从稳定PAN纤维(SPF)过程中碳化在LT炉内。数篇论文强调尾气成分作为操作温度的函数。常见的化学物种在这一步碳化过程的CH4、有限公司2有限公司,NH3H2H2O和HCN。
每个物种的数量强烈依赖于参数稳定过程。这些参数包括氧气量、停留时间、升温速率和温度。
存在一些不同行业内的氧化过程,基于目标的最终属性纤维。开发的基础,稳定的锅被假定为分析的基础上从Griffing稳定PAN纤维,Overcash。
在这个模拟中,废气,也称为进化气体和挥发物,分配10化学物种的组成:7种常见组件和N2C2H4C2H6。稳定的总化学反应对碳化潘(C2.99H1.16没有0.29)n可以写成紧随其后;
(C2.99H1.16没有0.29)n+热→如果+γHCNHCN +γH2OH2O +γH2H2+γNH3NH3γ有限公司公司+γ有限公司2有限公司2+γCH4CH4+γN2N2+γC2H4C2H4γC2H6C2H6
如果代表了LT炉中间纤维,和Υ吗我代表我的化学计量系数th化学物种。
然而,中间纤维的成分在出口处的LT是未知的。中间纤维的化学成分是一个复杂的函数LT炉工作条件(停留时间、温度等)和稳定的前兆。的巨大体积质量损失发生在LT炉系统。
开展废气成分分析一个简化的假设是,HT炉内的质量损失远小于LT炉。假设整个质量损失发生在LT炉,中间纤维被认为有相同的成分最终产品(包含5 wt %碳氮和95 wt %)。目前的研究方法使用这一假设。
输入与输出纤维和纤维的化学计量系数定义,Υ我所有物种,需要定义尾气成分估计。11个化学计量系数,产品纤维和10尾气物种,和5方程可用:4原子(C、H、O、N)平衡和总质量平衡;6更独立的数学关系需要11个化学计量系数的数学独特的解决方案。
如前所述,废气主要成分是操作条件的函数纤维成分、温度和停留时间,当地的纤维。必须考虑当地的纤维成分、停留时间,和温度的影响,除了六个独立的数学方程。
一般来说,这些关系被定义为化学反应动力学方程。稳定的化学动力学关系碳化锅不容易获得通过文献检索。这个复杂的问题进行了分析,结果是用于开发的基础成分。
废气成分的文献强调潜在的构成相当大的差异。这是不可避免的组成是一个函数的确切组成,温度,稳定过程,时间,甚至在某种程度上的紧张关系。
废气的变化肯定会存在所有这些变量和不同产品品种有针对性。对于这个分析,排放的废气成分取自Griffing Overcash和表1中给出。这些值是由使用条件从涌来驱动他们的分析模型。
表1。化学成分稳定,产品纤维和废气。
|
物种 |
兆瓦(克/摩尔) |
100克机顶盒锅基础(g / 100 gPAN) |
摩尔基础(摩尔/盘) |
| 输入 |
C = O H (2.99) (1.16) (0.29) N |
55.71133 |
One hundred. |
1 |
| (固体)出口 |
CF (95 wt % C n) 5% |
12.09689 |
56.766 |
2.614316 |
| (气)出口 |
H2 |
2.01588 |
0.013 |
0.003593 |
|
N2 |
28.0134 |
13.8 |
0.274446 |
|
有限公司 |
28.0101 |
2.06 |
0.040973 |
|
CH4 |
16.0425 |
2.36 |
0.081957 |
|
有限公司2 |
44.0095 |
3.24 |
0.041015 |
|
NH3 |
17.0305 |
1.317 |
0.043083 |
|
H2O |
18.0153 |
5.29 |
0.16359 |
|
HCN |
27.0253 |
14.3 |
0.294788 |
|
C2H4 |
28.0532 |
0.412 |
0.008182 |
|
C2H6 |
30.069 |
0.442 |
0.008189 |
物理性质的废气
废气的物理性质包括比热、粘度、扩散系数和热导率,这是至关重要的参数,在系统的建模。
纯粹的气态物质分为实际气体和理想气体。对于理想气体,温度函数几种纯物质的物理性质。这种气体是独特的时候不是接近饱和状态和/或低密度气体。因此,气体在高温低压条件和满足这些条件。
两个独特的标准应用于建立理想气体状态使用减压Pr= P / Pc和降低温度r= T / Tc如下所示,
Pr«1
Pr< 1和Tr≥2
临界温度和压力数据及其降低温度和压力(@ 1酒吧和300°C)是所有尾气成分的评估。根据这些计算,它是理性假设尾气在LT炉内的理想气体状态。美国宇航局天然气属性数据被用于特定的导热系数,热,和粘度的研究。
反应热
反应热,也被称为标准的反应焓,被定义为焓变化发生化学反应在正常条件下基于单个反应物的摩尔。使用标准的化学计量系数和焓测定所有涉及到的化学物种的形成。
相反,它的确是一个具有挑战性的任务来评估热以来碳化反应的生成焓变稳定PAN纤维(LT炉反应物)和中间纤维(LT炉产品)都不知道。中间纤维退出从LT炉能像以前被认为是碳纤维通过假设在HT炉质量损失可以忽略不计。
估计还需进一步检查的标准生成焓为中间纤维产品,因为它也是未知的。可以计算焓通过只考虑到碳纤维由碳原子尽管5 wt %的氮。根据这两个假设,中间纤维产品的标准生成焓的LT炉是近似相似的固体碳,石墨。
为稳定PAN纤维,它更复杂,需要连续的评估从一个定义明确的状态。传统的生成焓丙烯腈是已知的液体和气体状态。评估的标准生成焓的稳定PAN纤维应该从丙烯腈开始。
液态丙烯腈进行聚合形成固态盘(聚丙烯腈)和热聚合反应的影响是由罗伯茨为-17.3千卡/摩尔(单体)@ 76.8°C。原则上,这不是标准的生成热,因为它不是在标准温度测量,但这里的假设是由聚合热的变化可以忽略不计。
标准生成焓的固体PAN纤维比液体低72.38焦每摩尔丙烯腈因为它是放热反应。140焦每摩尔是液体丙烯腈生成热,所以固体PAN纤维的生成热可以被评估为67.62焦每摩尔(单体)。
通过氧化炉前体锅旅行时是稳定的;这个过程有很多反应:氧化、脱氢、环化。炉内反应被称为放热反应,强调这一事实热烤箱内部管理是非常重要的。评价热影响稳定可以通过不同的方法进行。邓纳姆和伊迪报道的价值被认为是在这个研究。
邓纳姆和伊迪致力于建立反应发生在平行和系列,和热的影响个人的反应。从邓纳姆和伊迪,锅热稳定效果可以表示如下:
ΔHstbPAN=ΔH赛克+ΔH脱氢+εoxiΔHoxi
在ΔHstbPAN代表标准稳定反应的反应热,ΔH赛克,ΔH脱氢,ΔHoxi热环合反应的、脱氢、氧化、分别和εoxi是氧化反应的程度。
基于Gupta报告的结构,可以实现氧化的程度为0.45 ~ 0.5。以0.5的氧化程度总热量效应取决于邓纳姆和伊迪的技术可以实现-77.3焦每摩尔(单体)。
潘的生成热稳定77.3 kJ,这是发现低于锅每摩尔的单体。这个过程在图1说明。产品退出从LT的标准地层热炉需要评估标准的反应热。
LT炉尾气产品定义,生成热的所有标准10气态化学物种得到来自美国宇航局数据库。在这项研究中,假定中间纤维5 wt %碳氮和95 wt %,但标准的生成热获得纯固体碳(石墨)。
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图1所示。估计的热稳定PAN纤维的碳化反应。
图片来源:哈珀
热效果确切的化学反应不同于标准的反应热。测量标准焓的反应通常是基于标准的状态,虽然实际反应没有发生在那个温度。
显热影响产品和反应物应该考虑实际的热化学反应的影响。实际热效果由三个独立的加热效应:显热效果产品和未反应的反应物、反应热和显热影响反应物。热容产品物种评价显热效果产品从美国宇航局获得数据库。
稳定的PAN纤维的比热是主要并发症。Zoltek白皮书有几个热性能的产品。热容为Panex®35 Zolteck的白皮书。事实上,(Panex®35)更像碳纤维,而不是像氧化锅。Zoltek白皮书的比热@两种不同温度和线性化比热锅热稳定能力。
这些属性在出版物是有限的。反应热的衡量标准是124焦每千克StbPAN @ 25°C和热影响变化稳定锅从240°C到500°C StbPAN产品需要867.9 kJ /公斤。
结论
CFD模拟结果显示聚丙烯腈基碳纤维碳化炉的制造方法。温度、速度和挥发物体积分数显示为轮廓。CFD模拟旨在碳化炉内的气相。
支持这项研究,一些科学的努力被认为是建立在碳化过程中废气的物理性质稳定。纤维从模拟消除为了简单起见,但几个假设推导出由于消除纤维,尾气排放速率,和当地的温度纤维。这个简化的废气排出速度显示组成系统的差异从上到下。
废气的体积分数预测增长率最大的发泄。尾气排放也影响了气体温度,如图所示在锥形和统一的情况下温度的变化。在这个仿真,从废气流量和温度的耦合是单向耦合没有反馈。
尾气排放速率而不是评估提供从本地纤维的质量分数和温度。这种双向耦合将由碳化的化学动力学。
这种类型的CFD模拟即使基本条件刺激和促进发展的动能表达式,提高工业炉的设计和性能。需要额外的研究来观察不同沿炉宽这将影响系统的一致性。两个频带宽度模型需要进行沿宽度与这种差异。
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