Particule carbonice

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Particulele carbonice , adesea menționate și cu denumirile comune de funingine sau negru de fum (în literatura tehnică menționate și cu termenul englezesc de funingine ) este un tip de praf sub formă de particule sau negru (în esență carbon ars amorf , plus urme de alte compuși) care se poate obține ca produs secundar al arderii incomplete a oricărei substanțe organice .

Descriere

Acest lucru poate fi observat cu ușurință observând, de exemplu, pulberea fină neagră care se formează atunci când o flacără este apropiată de o suprafață metalică rece, cum ar fi cea a unei lingurițe. Cu toate acestea, poate fi găsit cu ușurință pe toate suprafețele expuse fumului de ardere ( coșuri de fum , conducte de evacuare), în special în cazul combustiei „bogate” în carbon sau, în orice caz, sărace în oxigen .

Mai detaliat, este un aglomerat de particule carbonice (de la 80% până la aproximativ 96% carbon în etapa finală, cu procente variabile în funcție de tipul de combustie) de aproximativ 1 µm în diametru, produs în timpul arderii când cantitatea de oxigen este insuficient pentru a arde complet hidrocarburile din CO 2 și apă (combustie „bogată”), sau când temperatura flăcării este scăzută.

Deși are unele utilizări industriale, este, în general, o componentă „nedorită” a proceselor de flacără, atât din punct de vedere tehnologic, ecologic , cât și al sănătății umane, deoarece este recunoscut ca un poluant puternic, precum și ca un colector de diverși compuși cancerigeni .

Este adesea denotat și prin denumirile comune de funingine sau negru de fum (cunoscut și sub denumirea de negru de fum sau negru de fum conform dicției englezești). În special, este adecvat să se definească „negru de fum” particula carbonică cu un diametru definit al particulelor, produsă pentru utilizări industriale, în timp ce, în general, denumirea de „funingine” este dată în mod obișnuit particulelor obținute ca produs secundar al combustiei.

Fotografie la microscopul electronic (TEM) de negru de fum obținut din piroliza cărbunelui.

Structura

Vizualizarea la microscop relevă structuri de lanț liniare sau ramificate ale căror unități structurale sunt particule aproape sferice cu un diametru cuprins între 20 și 50 nanometri.

Măriri mai mari arată în aceste particule o structură internă compusă din unități structurale mai mici de aproximativ 2 nanometri, orientate aleatoriu și alcătuite din molecule de aromă policiclică (PAH) organizate, după cel mai comun model, „sandwich”. Mai mult, alte studii indică faptul că astfel de particule au o structură amorfă lipsită de orice ordine cristalină (modelul „turostatic” de funingine).

Trebuie remarcat faptul că întregul proces de formare și creștere a moleculelor, care începe de la molecule de 0,1 nanometri cu diametrul de până la 1 micron, are loc, de exemplu, în interiorul unei camere de ardere a unui motor, într-o scară de timp de ordinul milisecunda. [1]

Formarea și oxidarea

Din punct de vedere termodinamic, formarea particulelor carbonice ar trebui să aibă loc numai atunci când, în reacția de ardere:

C m H n + yO 2 → 2yCO + (n / 2) H 2 + (m-2y) C Funingă

avem m-2y> 0, adică atunci când raportul C / O depășește unitatea. Pe de altă parte, măsurătorile experimentale pe flăcări premixate arată că pragul C / O este în general mai mic de 1 și, în unele cazuri, chiar 0,5 (adică într-un mediu oxidant).

Evident, în flăcările de difuzie , situația este și mai complicată, deoarece compoziția amestecului aer-combustibil variază de la un punct la altul și, odată cu aceasta, raportul C / O. În acest caz, capacitatea de a produce funingine depinde puternic de caracteristicile (inclusiv turbulența ) fluxului.

Întregul proces de formare a funinginii poate fi rezumat prin trei faze principale: nucleația , creșterea suprafeței și coagularea particulelor carbonice. [2]

Nucleată

În linii mari, punctul de plecare pentru formarea funinginei este descompunerea moleculelor de combustibil (într-un mediu oxidant și cu temperatură ridicată) formând radicali și specii moleculare, inclusiv acetilena C 2 H 2 ca produs de reacție major. Următoarele reacții duc la formarea mai întâi a unui inel aromatic și apoi a unor structuri aromatice mai mari, în principal prin adăugări de C 2 H 2 . Acolo unde aceste structuri nu sunt oxidate, ele pot forma nuclee pentru formarea ulterioară a particulelor.

Evident, această primă parte a procesului este cea care variază cel mai mult în funcție de hidrocarbura de pornire și, în general, de variația condițiilor de funcționare; în plus, este cea mai lentă fază a procesului și, prin urmare, cea mai caracteristică.

Creștere superficială

Când se formează nucleele, acestea conțin încă cantități mari de hidrogen ; în acest moment încep să piardă hidrogen și să primească carbon din faza gazoasă. O parte din acest material poate, la rândul său, reintră în faza gazoasă sau poate fi încorporată în particulele carbonice; în acest caz vorbim de faza „creșterii superficiale”.

Măsurătorile experimentale arată că, pentru o specie dată, acest lucru are loc chiar și la temperaturi mai mici decât cele necesare pentru generarea particulelor în sine. Mai mult, creșterea suprafeței poate continua chiar și pentru concentrații de hidrocarburi mai mici decât valoarea prag necesară formării particulelor carbonice; reactivitatea suprafeței particulelor este de așa natură încât prezența particulelor carbonice poate accelera și descompunerea hidrocarburilor rămase. În orice caz, în afară de astfel de comportamente, mecanismul de creștere superficial nu a fost încă bine înțeles.

Coagulare

O parte semnificativă a creșterii particulelor se datorează coagulării, prin care particulele se ciocnesc și fuzionează, reducând astfel densitatea lor numerică și mărind diametrul mediu.

S-a demonstrat că, în timp ce fracțiunea volumetrică a particulelor carbonice crește încă din cauza mecanismului de creștere a suprafeței, densitatea numerică scade în curând cu o tendință care poate fi teoretic simulată de legea lui Smoluchowski :

cu k în funcție de diametrul mediu d al particulelor.

În cele din urmă, când spre sfârșitul procesului de formare, fracția volumetrică a particulelor carbonice rămâne aproape constantă, coagularea particulelor devine singurul factor care determină creșterea ulterioară a particulelor.

Oxidare

În concluzie, trebuie să spunem că particulele carbonice de-a lungul „istoriei” sale sunt arse continuu de oxigen și, prin urmare, cantitatea de particule carbonice pe care o găsim este mult mai mică decât cea produsă în timpul arderii.

În ceea ce privește simularea mecanismului de oxidare a particulelor carbonice, s-au obținut rezultate bune cu formula semi-empirică a Nagle și Strickland-Constable, pe baza conceptului că există două zone diferite pe suprafața particulelor care sunt atacate de oxigen; o primă zonă, mai reactivă, deoarece este lipsită de oxizi în care ordinea de reacție este între 0 și 1 și o a doua zonă, mai puțin reactivă, în care ordinea de reacție este unitară.

Un aspect neclar este rolul ionilor O și OH, chiar dacă se pare că aceștia au „aderență” mai presus de toate asupra precursorilor de funingine și asupra particulelor aflate în procesul de formare.

Antrenament atunci când condițiile de funcționare se schimbă

Întregul proces de formare a particulelor carbonice este influențat nu numai de tipul de flacără și de debit, ci și de parametrii de funcționare, printre care tipul de hidrocarbură ars, presiunea și temperatura sunt foarte importante [3] .

Proprietățile combustibilului

Tipul de combustibil poate influența producția de particule carbonice în două moduri: în primul rând prin inducerea formării de zone local mai bogate în combustibil și, în al doilea rând, prin exercitarea unei rezistențe mai mari sau mai mici la formarea de particule carbonice.

În primul caz, fenomenul este controlat de proprietăți fizice precum vâscozitatea și volatilitatea care influențează diametrul picăturilor de combustibil sau rata de evaporare a acestora; în al doilea caz depinde de structura moleculară a combustibilului.

Experimental, de fapt, dependențele sunt derivate din diferitele clase de hidrocarburi și, în cadrul aceleiași clase, din raportul C / H ; aceste dependențe (în special prima) sunt la rândul lor influențate de tipul de curgere și, mai ales, de tipul de flacără. De exemplu, pentru flăcările premixate tendința de a produce particule carbonice obținute este:

în timp ce pentru flăcări de difuzie:

În cadrul aceleiași clase, această tendință crește în general cu raportul C / H.

Presiune

Producția de particule carbonice este în general foarte sensibilă la variațiile de presiune, în special s-a demonstrat că creșterea presiunii este capabilă atât să accelereze producția de funingine, cât și să mărească cantitatea produsă; aceasta din mai multe motive.

În primul rând trebuie spus că creșterea presiunii extinde limitele de inflamabilitate , astfel încât particulele carbonice să poată fi produse în regiuni care la presiuni mai mici ar fi prea bogate pentru a fi arse. Un alt efect al presiunii este întârzierea evaporării picăturilor de combustibil, favorizând astfel formarea de particule carbonice începând cu faza lichidă; în plus, are efectul de a restrânge unghiul conic de emisie a pulverizatorului de combustibil prin creșterea diametrului mediu al particulelor și, prin urmare, așa cum s-a văzut, accentuând în continuare formarea particulelor. În concluzie, trebuie spus că presiunea mărește viteza reacțiilor chimice, astfel încât arderea începe mai devreme și, prin urmare, cantități mai mari de combustibil pot arde în regiunile inițiale mai bogate, unde posibilitatea producerii de particule carbonice este mai mare.

Măsurătorile experimentale arată că cantitatea de particule carbonice produse crește, până la aproximativ 10 bari crește cu legea pătratică, în plus, cu o tendință liniară. Pentru flăcările premixate s-a constatat, de asemenea, că există o valoare de presiune prag (aproximativ 0,6 bar pentru flăcările cu aer- kerosen ) sub care nu există formarea de particule carbonice; această valoare depinde de tipul de hidrocarbură.

Temperatura

Cantitatea de particule carbonice produse are un maxim pe măsură ce temperatura variază; de fapt, sub o anumită temperatură procesul de formare nu reușește să se activeze, în timp ce peste o anumită temperatură mecanismul de oxidare devine predominant. Există o tendință similară cu cea a producției de structuri aromatice intermediare.

În ceea ce privește, de exemplu, combustorii aeronautici, se poate spune că o creștere a temperaturii în zona primară favorizează formarea de particule carbonice, în timp ce o temperatură ridicată în zona de diluție favorizează oxidarea acestuia (dar pe de altă parte favorizează formarea de NU x ).

Raportul aer-combustibil și calitatea debitului

Într-o cameră de ardere a motorului este foarte important, pentru a limita formarea particulelor carbonice, să existe un raport mare aer-combustibil (care, pe de altă parte, poate favoriza nașterea oxizilor de azot); cu toate acestea, acest lucru este inutil dacă calitatea atomizării este nesatisfăcătoare, deoarece ar apărea zone în care amestecul este bogat, producând puternic particule carbonice. Calitatea amestecului este, de asemenea, foarte importantă; în special, o recirculare adecvată a fluidului poate limita producția de particule carbonice prin limitarea formării zonelor bogate la nivel local; în acest context, turbulența are și un efect pozitiv.

Modele numerice pentru formarea și oxidarea funinginii

Procesul de formare și oxidare a particulelor carbonice în arderea fluxurilor turbulente rămâne în esență slab înțeles în ciuda importanței sale de bază. Acest lucru se reflectă într-o dificultate de a simula și analiza eficient procesul. În ciuda acestui fapt, și datorită puternicelor probleme tehnologice și de mediu legate de formarea sa (și, prin urmare, de emisii în mediu), în ultimii ani au înflorit o serie întreagă de modele semiempirice care, deși cu limitări majore, încearcă să simuleze fenomenul .

Modele de antrenament

Cel mai caracteristic punct al oricărui model se referă, fără îndoială, la simularea formării de funingine, dată fiind dependența puternică și nu complet clară a fenomenului de tipul de combustibil utilizat. Apoi pe această parte se efectuează o primă clasificare a modelelor în două grupuri mari: prima folosește o singură ecuație pentru a obține fracția de masă sau fracția volumetrică a particulelor carbonice: în acest caz formarea și oxidarea funinginii este evidențiată în termenul productiv al unei ecuații de echilibru .

Al doilea tip include modele cu două ecuații (mai sensibile la realitatea fizică), în care este necesară soluția a două ecuații de echilibru, în general una pentru fracțiunea volumetrică ( f v [m 3 funingine / m 3 ]) și una pentru numerică densitate ( n [1 / m 3 ]) sau concentrația particulelor de funingine (n p [parte / m 3 ]).

Unele dintre aceste modele sunt enumerate mai jos.

  • Modelul Khan-Greeves [4]
  • Model Tesner-Snegiriova-Knorre [5]
  • Modelul Gilyatzedinov / Stewart-Syed-Moss [6]
  • Modelul Leung-Lindstedt-Jones [7]

O problemă comună tuturor modelelor este definirea numeroaselor constante, o problemă care devine critică în cazul modelului lui Gilyazetdinov. Un model mai simplu, precum cel al lui Khan-Greeves, este mai puțin sensibil la această problemă, chiar dacă, datorită corespondenței fizice mai mari, primul oferă răspunsuri cantitative mai bune odată stabilite efectiv constantele.

Modele de oxidare

Astfel de modele constau în general dintr-un singur termen care descrie rata de oxidare a funinginii și care este apoi încorporat în termenii sursă ai uneia sau a două ecuații de echilibru.

În acest caz, problema constantelor nu mai este critică, așa cum sa întâmplat pentru modelele de instruire și adesea constantele existente sunt fixate a priori. Această simplitate mai mare depinde de faptul că fenomenul de oxidare este mai bine înțeles și, în orice caz, nu mai depinde de combustibilul de pornire, ci doar de concentrația de particule și de condițiile de funcționare. În ciuda acestui fapt, modelele propuse pornesc de la baze fizice foarte diferite.

O limitare comună la modelele enumerate aici este că acestea analizează doar rolul jucat de oxigenul molecular și nu cel legat de ionii O și OH; cu toate acestea această aproximare este necesară pentru a nu face calculul excesiv de greu.

  • Modelul Magnussen-Hjertager [8]
  • Model Lee-Thring-Beer [9]
  • Modelul Nagle și Strickland-Constable [10]

Note privind implementarea matematică

În cazul tipic al modelelor cu două ecuații, termenii definiți în modelele de formare și oxidare devin termenii de „producție” (sau „sursă”) a celor două ecuații de echilibru ale fracției de volum a particulelor și a densității numerice ( adică numărul de particule pe unitate de volum).

Aceste ecuații sunt apoi inserate în sistemul general de ecuații ale câmpului de mișcare ( Navier-Stokes și ecuații de ardere).

Adesea inserarea acestor ecuații se face pur și simplu „post-procesând” soluția (așa cum se face în general, de exemplu, pentru calculul NO x ), chiar dacă prin aceasta se presupune că funinginea nu afectează în mod apreciabil fluxul câmp și temperatura prestabilită.

În realitate acest lucru nu este cazul, de fapt, producția de funingine influențează câmpul de temperatură printr-o creștere a schimbului de căldură prin radiație și câmpul fracției amestecului, deoarece poate acționa ca o "chiuvetă" pentru carbon, deoarece acesta este în general un stare mai puțin reactivă decât faza gazoasă; aceste ecuații ar trebui deci rezolvate în același timp cu celelalte ecuații ale câmpului.

Probleme legate de formarea și emisia de funingine

Probleme legate de mediu și sănătate

Pe baza celor mai recente studii, se poate afirma că particulele carbonice pot fi considerate dăunătoare atât pentru mediu, cât și pentru sănătatea umană.

Ca produs secundar al practic al tuturor proceselor de ardere (deși cu o mare variabilitate a formelor și cantităților produse), este o componentă „obișnuită” a atmosferei , în special în zonele cu urbanizare mai mare. Mai mult, aceste particule constituie „scheletul” în jurul căruia se coagulează și se formează smogul din zonele urbane; ar trebui, de asemenea, să se considere că dimensiunea tipică a acestei particule (de ordinul unui micron) o plasează sub „ pragul de inhalabilitate ”, stabilit în mod convențional la 10 µm ( PM 10 ), dezvăluindu-l astfel ca fiind o cauză a tulburărilor sistemului cardiovascular. și respirator [11] .

Negrul de fum se află (împreună cu azbestul ) în centrul unei bătălii în favoarea mediului și a sănătății desfășurată de diferite organisme, menită să informeze publicul care se ocupă cu aceste substanțe despre riscurile pe care le prezintă și să reducă utilizarea acestora.

În cele din urmă, aceste particule conțin în structura sa un număr mare de compuși organici (cum ar fi HAP-urile puternic suspectate de a conține agenți cancerigeni ), iar o relație strânsă între poluarea mediului cu particule carbonice și decese a fost acum evidențiată în multe cercetări.

Acest pericol se traduce în mod evident prin existența confirmată a bolilor profesionale legate de expunerea și contactul cu negru de fum de către lucrătorii din producția, transportul și utilizarea acestei substanțe. În special, s-a constatat în mai multe studii epidemiologice (de exemplu, un studiu epidemiologic asupra lucrătorilor docului din Genova, editat de „ INAIL și IST [12] ) este o corelație strânsă între expunerea dermică la negru de fum și o incidență crescută a tumori ale vezicii urinare .

Probleme tehnologice

Formarea de particule carbonice este un produs secundar „nedorit” în practic toate procesele de ardere; în special pentru că, dacă acest reziduu solid nu este ars ulterior, acesta poate obstrucționa conductele de evacuare ale camerelor de ardere, așezându-se pe pereții mai puțin fierbinți. În plus, acest reziduu poate conține compuși corozivi periculoși pentru suprafețe.

Aceste probleme devin critice la motoarele cu reacție , în care particulele ne-arse, antrenate de fluxul de mare viteză din combustibil, devin unul dintre factorii responsabili pentru uzura palelor turbinei .

Particulele de funingine sunt, de asemenea, nedorite în camera de ardere (și în special în arzătoarele aeronautice) deoarece au capacitatea de a crește foarte mult fluxul radiativ de căldură din zona flăcării către pereții combustorului. De fapt, la presiunea atmosferică, aceste particule emit în principal în spectrul radiației vizibile („ radiația luminii ”); iar pe măsură ce presiunea crește, această radiație crește în intensitate, în timp ce radiația datorată gazelor arse fierbinți (H 2 O și CO 2 ) devine mai puțin pronunțată. La nivelurile de presiune ridicate ale turbinelor cu gaz moderne, particulele de funingine ating o dimensiune și o concentrație suficientă pentru a emite ca un corp negru în regiunea infraroșie și, prin urmare, flacăra în sine este caracterizată de predominanța acestei radiații.

În practică, din punct de vedere „tehnologic”, particulele carbonice sunt „problematice” nu numai în faza de emisie, ci și în timpul fazei de formare, chiar dacă este urmată de oxidarea consecventă.

Este interesant de remarcat faptul că, din punct de vedere istoric, primele studii pentru limitarea emisiilor de particule carbonice au fost făcute tocmai în domeniul aeronauticii militare, deoarece traseele de funingine constituiau o „urmă” ușor vizibilă pentru radarele inamice.

Utilizări industriale și producția de negru de fum

Producția industrială de negru de fum dintr-un manual din 1906: Leçons élémentaires de chimie (B.Bussard, H. Dubois), 1906, pagina 39

Tipurile de particule carbonate produse special, care au aplicații multiple în domeniul industrial, sunt numite în mod normal negru de fum sau negru de fum sau negru de fum .

Utilizarea sa principală este în procesul de producție a cauciucului (în special anvelopele auto), dar este, de asemenea, utilizat ca vopsea în tonere , precum și în producția de cabluri, electrozi de sudură, cerneluri , hârtie carbon , produse de tipografie, în industria poligrafiei, în producția de vopsele și în industria petrochimică.

Este produs cu trei procese principale:

  • Proces negru de canal - Un gaz care conține metan este ars la o temperatură scăzută (aproximativ 500 ° C) și în absența aerului. Gazul ars este adus la canalele metalice răcite pe care se depune pulberea de negru de fum, ulterior cernută. În general, particulele nu depășesc 40 nanometri în diametru.
  • Procesul cuptorului cu combustie parțială - Metanul și alte hidrocarburi sunt arse în absența aerului. Negrul de fum produs este precipitat cu cicloni pentru reducerea prafului. Particulele au un diametru mai mare decât în ​​procesul anterior și sunt mai eficiente, necesitând în același timp costuri mai mari.
  • Procesul de descompunere termică - Gazul este împărțit în două fluxuri, unul care este ars și altul care este încălzit de primul până la aproximativ 900 ° C, astfel încât să se obțină negru de fum prin descompunere termică.

Notă

  1. ^ BS Haynes-H.Gg. Wagner - Formarea funinginei - Prog.En.Comb.Sci. v.7 (1981)
  2. ^ I. Glassman - Formarea funinginei în procesele de ardere - 22th Symp. on Combustion (1988)
  3. ^ H. DD Wagner - Influența condițiilor de funcționare asupra formării funinginei și ... (1993)
  4. ^ Khan IM - Greeves G. - O metodă pentru calcularea formării și arderii funinginei în transferul de căldură al motorului diesel în flăcări (1974)
  5. ^ Tesner-Snegiriova-Knorre - Cinetica formării carbonului dispersat - Combustion and Flame v.17 (1971)
  6. ^ Moss-Stewart-Syed - Modelarea chimică a flamelelor a formării funinginei pentru predicția radiațiilor în câmpurile de curgere a combustorilor - AGARD CP-422 (1987)
  7. ^ Leung-Lindstedt-Jones - Un mecanism de reacție simplificat pentru formarea funinginei în flăcări nepremixate - Combustion and Flame v.87 (1991)
  8. ^ Magnussen-Hjertager - Despre modelarea matematică a arderii turbulente cu accent special ... - Simpul 16. on Combustion (1977)
  9. ^ Coelho-Farias-Pereira-Carvalho - Predicția numerică a flăcărilor cu difuzie turbulentă - AGARD CP-536 (1993)
  10. ^ Nagle J.-Strickland-Constable RF - Oxidarea carbonului între 1000-2000 ° C - Proc. 5 Conf. Pe carbon - Pergamon (1961)
  11. ^ Douglas și colab. - O asociație între poluarea aerului și mortalitate ... - New England J. of Medicine (1993)
  12. ^ Institutul Științific pentru Studiul și Tratamentul Cancerului din Genova

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Carbonioso_Particolato&oldid=116101835 ”