预混燃烧器的模拟优化设计及碳纳米管的合成研究

发布时间：2020-05-31 16:59

【摘要】：碳纳米管材料因其良好的性能而广受关注。然而,受限于碳纳米管的合成成本使之不能广受应用,燃烧法合成碳纳米管的出现,使得低成本、大规模、连续地合成碳纳米管成为可能。本文通过模拟计算的方法研究了预混合燃烧器的结构对火焰形态的影响,选取了最优化的预混合燃烧器结构进行实验,并分析了影响合成碳纳米管的主要因素,得到了合成碳纳米管的最佳工艺条件。本文以数值模拟的方法,利用COMSOL软件对不同结构下燃烧器模型进行计算,并将计算所得最佳结构的燃烧器安装搭建;利用CHEMKIN软件对不同条件下的预混火焰模拟计算,得到合成碳纳米管的最佳工况和取样高度。同时,将计算结果和实验数据相验证,证明了计算结果的合理性,为燃烧法合成碳纳米管提供一定的预测作用。具体结论如下:(1)通过COMSOL软件建立了进气孔径分别为26mm、4.0mm、3.0mm、2.0mm、1.0mm的三维燃烧器模型,由模型计算结果的对比分析可以得出,预混合燃烧器铜盘进气孔径的最佳值为1.0mm,在此结构下预混火焰的质量最高,同一水平面的温度、反应物浓度等条件最为均一。(2)在进气孔径为1.0mm的燃烧器模型中,计算了乙炔和氧气的当量比、进气流量、惰性气体含量、压力等对燃烧状态的影响。由此可得到合成碳纳米管时最佳火焰形态的工艺条件为:压力为6000[Pa],反应物当量比为1.4,进气流量为1.2*10~(-5)[m~3/s],惰性气体氩气的含量为0.2。(3)在上述最佳火焰形态的工艺条件下,通过CHEMKIN软件计算了轴线上CO、H_2、C、OH、H、HCCO、HCO、CH_3等各中间组分的浓度分布,由此预测出最佳的取样高度在12mm~16mm之间。(4)通过实验研究了火焰形态、当量比、进气流量、惰性气体的含量对合成过程中温度的影响,验证了三维燃烧模型的合理性,得出最优的实验工艺条件与模拟分析结果相一致。同时,实验证明了催化剂的存在对碳纳米管的合成有着关键性的作用。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TQ127.11

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 高星;常彬杰;矫卫东;;碳纳米管研究进展[J];化工管理;2017年10期

2 练澎;张小凤;;碳纳米管制备方法的研究进展[J];当代化工;2015年04期

3 李洪涛;何英华;朱丽娜;姜道华;刘龙;;常用化工流程模拟软件发展概述[J];化工技术与开发;2015年01期

4 包巧云;;碳纳米管/聚合物复合材料的力学性能综述[J];化工管理;2014年20期

5 张红霞;孟东霞;姜志旺;;应用计算机技术仿真设计压电超声微型发动机[J];电子元件与材料;2014年01期

6 杨少波;郭涛;曹婷;李星根;;应用COMSOL有限元软件分析储层的电各向异性[J];无线互联科技;2013年06期

7 曹宏辉;孙晓刚;王健;姚军;高明;;十八胺改性碳纳米管导电纸的性能研究[J];材料导报;2013年02期

8 王志永;施祖进;顾镇南;;纳米空间化学——碳纳米管的填充研究[J];大学化学;2011年05期

9 朱利刚;;湍流数值模拟研究进展[J];江苏科技信息;2011年05期

10 孙俊;李格升;;预混燃烧气体层流燃烧速度和马克斯坦长度的测定方法[J];武汉理工大学学报(交通科学与工程版);2010年03期

相关会议论文 前1条

1 李元年;刘思峰;方志耕;;基于GM(1,1)的中国能源缺口预测[A];2006年灰色系统理论及其应用学术会议论文集[C];2006年

相关博士学位论文 前2条

1 刘东;煤层气开采中煤储层参数动态演化的物理模拟试验与数值模拟分析研究[D];重庆大学;2014年

2 何学超;丙烷空气预混火焰在90°弯曲管道内传播特性的实验和模拟研究[D];中国科学技术大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 吴小光;单壁枝节碳纳米管拉伸力学性能多尺度模拟[D];南昌航空大学;2014年

2 吴熔琳;碳纳米管制备与光电热物性表征[D];长沙理工大学;2014年

3 袁金国;负压下层流预混火焰结构和特征参数研究[D];国防科学技术大学;2013年

4 刘方;新型两亲性单壁碳纳米管的制备及表征[D];郑州大学;2013年

5 曾科;负压下层流预混火焰结构与不稳定性研究[D];国防科学技术大学;2012年

6 秦凤华;层流预混燃烧火焰的数值研究[D];东北大学;2011年

7 韩学斌;管道内甲烷—空气预混气体火焰传播特性和结构特征的研究[D];北京化工大学;2011年

8 班书宝;单壁碳纳米管阵列制备及其粘附力研究[D];苏州大学;2011年

9 杨刚;以纳米石墨为碳源固相合成纳米炭纤维的研究[D];北京化工大学;2009年

10 杨槐;原位生长碳纳米管化学修饰电极的研制[D];西南交通大学;2009年

，

本文编号：2690180