Математическое моделирование процесса термической переработки древесины в абляционном режиме

М. К. Герасимов, А. Н. Грачев, В. И. Петров,

А. А. Макаров

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ В АБЛЯЦИОННОМ РЕЖИМЕ

Ключевые слова: быстрый пиролиз, абляционный пиролиз, термическое разложение.

Разработана математическая модель термического разложения древесины в режиме абляции, которая учитывает влияние режимных параметров процесса (температуру, давление и скорость смещения), толщину слоя промежуточного вещества (интермедиата) на скорость термического разложения.

Keywords: fast pyrolysis, ablative pyrolysis, thermal decomposition.

Developed the mathematical model of thermal decomposition of wood in the mode of ablation, which takes into account the effect of operating parameters (temperature, pressure and velocity of displacement), the thickness of an intermediate at the rate of thermal decomposition.

Пиролиз древесины в режиме абляции характеризуется очень малой величиной зоны реакции, обусловленной значительными скоростями подвода теплоты к поверхности древесины и удаления продуктов реакций из зоны термического разложения [1]. Подведенная к древесине теплота расходуется в большей мере на термическое разложение древесины в тонком, непрерывно удаляемом с поверхности древесины, слое, поскольку скорость внутреннего теплопереноса в исходной древесине значительно ниже, чем скорости подвода и отвода теплоты из зоны реакции [2]. Подвод теплоты и удаление продуктов реакций могут осуществляться различными методами (радиационным, высокоскоростным потоком, ударным), однако наибольший практический интерес представляет случай кондук-тивного механоактивированного пиролиза в режиме абляции. Процесс кондуктивного термического разложения древесины в режиме механической абляции с математической позиции представляет собой задачу тепломассообмена в различных фазах при наличии химических превращений и подвижных границ. Расчетная схема термического разложения древесины в режиме абляции представлена в [3].

Практический интерес при математическом моделировании процесса кондуктивного пиролиза древесины в абляционном режиме представляет определение линейной скорости убыли конкретного вида сырья при определенных входных параметрах. Важной задачей моделирования также является идентификация зависимости толщины слоя жидкого интермедиата от основных режимных параметров процесса.

Уравнение для определения толщины слоя б запишется в виде функции:

3 = /

Искомым решением задачи является нахождение функции вида X = ;(г) при заданных условиях.

Уравнение теплового баланса запишется в виде граничного условия четвертого рода на границе раздела фаз в дифференциальной форме (условие Стефана):

дТё

дх

= А.

дг.

дх

1 д%

+ hi д~Р

дт

Для данной задачи с учетом принятых допущений уравнение переноса энергии для тонкого слоя промежуточного продукта пиролиза в области ; < х < I, запишется в виде:

дТ~.. дТ-

с . р„.—— = —1 I + О.,

се г пе ^ ^ о

дг дх ^ дх )

Выражение для определения значения коэффициента теплопроводности в выражении запишется в виде:

ГР* + Р, Р

р1

+2

рш

+к

Ра

р1

На рис. 1 представлен расчетный температурный профиль, который показывает распределение температуры в жидком слое и древесине, причем температурный профиль имеет значительный перепад в тонкой области порядка 10 мкм.

Рис. 1 - Расчетный температурный профиль в процессе термического разложения древесины

Расчетный анализ реагирования в слое интермедиата показал, что термическое разложение жидкого слоя практически отсутствует при толщинах менее 100 мкм. Более толстые слои в виду более длительного пребывания в зоне реакции подвергаются перегреву и частичному разложению первичной жидкости в жидкие продукты газ и уголь.

+

Анализ расчетного распределения концентраций в реагирующем слое на удалении от образца также показал, что в процессе термического разложения интермедиата преимущественно образуются жидкие продукты пиролиза, причем доля третичных продуктов минимальна даже при достаточно высоких температурах.

Представленная на рис. 2 зависимость показывает, что с увеличением толщины пленки продолжительность реагирования слоя экспоненциально возрастает.

т, сек

8, м

Рис. 2 - Продолжительность термического разложения на удалении от образца в зависимости от толщины пленки

На рис. 3 представлена расчетная зависимость выхода конечных продуктов в зависимости от условий процесса, которая показывает, что увеличение толщины слоя интермедиата приводит к изменению выхода конечных продуктов. При ее увеличении выход жидких продуктов снижается, а угля и газов возрастает. Выход жидких продуктов практически стабилизируется на уровне 79 % (тах) при толщине слоя интермедиата менее 100 мкм.

0,6

ЖкДіив продукты

Гаэ

Угол*

8 ,лг

Рис. 3 - Выход конечных продуктов в зависимости от условий процесса термического разложения древесины в режиме абляции

Анализ влияния температуры поверхности при термическом разложении показал, что температура слабо влияет на выход конечных продуктов. Однако с увеличением температуры время реагирования значительно снижается (рис. 4). Тем не менее, следует отметить, что при высоких температурах более 800 0С происходит образование преимущественно газа с соответственным снижением доли жидких продуктов.

т , с

001 1 500

1000

т, С

Рис. 4 - Продолжительность термического разложения в зависимости от температуры поверхности

Таким образом, представленная модель описывает кондуктивное термическое разложение древесины в режиме абляции в зоне образца. Результаты моделирования с учетом идентифицированных зависимостей позволят определить в инженерной практике рациональные режимы термического разложения древесины применительно к конкретным условиям аппаратурного оформления процесса.

Литература

1. Забелкин, С.А. Переработка древесины в жидкое топливо и его энергетическое использование / С.А. Забелкин, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, №24. С.39-43.

2. Макаров, А.А. Математическая модель термического разложения древесины в абляционном режиме / А.А. Макаров, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин, А.Т. Шаймуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, №8,- С. 68-73.

3. Тимербаев, Н.Ф. Современное состояние процесса пи-рогенетической переработки органических веществ / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, И.И. Хуснуллин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, №3. - С. 169-173.

© М. К. Герасимов - д-р техн. наук, проф. каф. оборудования пищевых производств, КНИТУ; А. Н. Грачев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КНИТУ; В. И. Петров - д-р техн. наук, проф. каф. оборудования химических заводов КНИТУ; А. А. Макаров - канд. техн. наук, асс. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, makar3325@rambler.ru.

52