KINETICS OF OXIDATION OF ALUMINUM POWDER IN WATER IN AN IDEAL STIRRED REACTOR WITH A PORTION FEEDING OF THE REAGENT

Abstract

В работе рассматривается реакция окисления мелкодисперсного порошка алюминия водой в реакторе идеального смешения. На основе полученных ранее данных о макрокинетике реакции взаимодействия дисперсного алюминия с водой теоретически рассматриваются режимы порционной подачи порошка в реактор. Решение проблемы поиска кинетических параметров реакции дисперсного алюминия с водой актуально в связи с разработкой источников водорода для питания топливных элементов. Задача оптимизации режимов генерации водорода в реакции алюминий-вода встает в связи с тем, что динамика реакции взаимодействия алюминия высокой дисперсности с водой носит экстремальный характер с резким нарастанием давления водорода и резким спадом. С другой стороны, в технологиях, использующих водород как топливо, необходимо равномерное поступление газа к топливному элементу. Рассматривается реактор идеального смешения, содержащий нагретую воду (80°С), в который через некоторые промежутки времени (10–270 с) подается порошок алюминия. Определяется степень превращения алюминия, и скорость образования водорода в зависимости от времени. В расчетах принимаются кинетические параметры порошка марки Alex; считается, что масса воды существенно превышает стехиометрическую. Проводится сравнение динамики протекания реакции для случаев единовременной загрузки порошка в реактор и порционной подачи с разными промежутками времени. Показано, что при порционной подаче водород генерируется, практически, в стационарном режиме, и теплового взрыва в результате экзотермической реакции не происходит. Найденные закономерности протекания реакции в дальнейшем могут быть использованы для расчета технических параметров систем генерации водорода. The paper considers the reaction of oxidation of finely dispersed aluminum powder with water in an ideal stirred reactor. Based on the previously obtained data on the macrokinetics of the reaction of the interaction of dispersed aluminum with water, the modes of portion feeding of the powder into the reactor are theoretically considered. Solving the problem of searching for the kinetic parameters of the reaction of dispersed aluminum with water is important in connection with the development of hydrogen sources for fuel cells. The problem of optimizing the modes of hydrogen generation in the aluminum-water reaction arises in connection with the fact that the dynamics of the interaction of highly dispersed aluminum with water are extreme with a sharp increase in hydrogen pressure and a sharp decline. On the other hand, technologies that use hydrogen as a fuel require a uniform supply of gas to the fuel cell. An ideal stirred reactor containing heated water (80 ° C) is considered, into which aluminum powder is fed at some time intervals (10–270 s). The degree of conversion of aluminum and the rate of formation of hydrogen as a function of time is determined. The calculations are based on the kinetic parameters of the Alex brand powder; it is believed that the mass of water significantly exceeds stoichiometric. The dynamics of the reaction are compared for the cases of a one-time loading of the powder into the reactor and portion feeding with different time intervals. It is shown that, with portion feeding, hydrogen is generated practically in a stationary mode, and no thermal explosion occurs as a result of an exothermic reaction. The found regularities of the course of the reaction can be used in the future to calculate the technical parameters of hydrogen generation systems.