Методика проведения опытов

Основные кинетические исследования выполнены в реакторе, обеспечивающем изохорное ведение процесса. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 3.1.

Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки для исследования изохорного процесса (кинетический реактор):

• 1 — реактор, 2 — горловина; 3 — кассета, 4 — металлическая нить, 5 — предохранительная мембрана,
• 6 — записывающее устройство, 7 — манометр, 8 — контакт, 9 — пусковая кнопка, 10 — выпрямитель,
• 11 — контрольный манометр, 12 — конденсатор, 13 — сепаратор, 14 — редуктор, 15 — расходомер,
• 16 — электрообмотка, 17 — термопара, 18 — вторичный прибор.

В начале опыта необходимое количество водного раствора едкого натра заливают в реактор 1. Порошок исследуемого сплава засыпают в кассету 3. Кассету подвешивают в горловине 2 на металлической нити 4, соединенной через контакт 8, пусковую кнопку 9 и выпрямитель 10 с электросетью. После герметизации и разогрева реактора нажимают кнопку 9 и одновременно фиксируют время начала реакции. Поступающий из электросети импульс тока расплавляет нить 4, кассета падает, и порошок высыпается в раствор щелочи. Производят автоматическую запись изменения давления и температуры, для чего к реактору подсоединены манометр 7 и термопара 17 с соответствующими вторичными приборами 6 и 18.

Опыт считается законченным при прекращении заметного роста давления и снижения температуры среды в реакторе на 3 — 5 °C. По окончании эксперимента реактор охлаждают, газ пропускают через конденсатор 12 и, после отделения капель воды в сепараторе 13 через редуктор 14 и расходомер 15, сбрасывают в атмосферу. Продукты реакции сливают, реактор тщательно промывают.

Реактор 1 снабжен контрольным манометром 11 и предохранительной мембраной 5. Температуру среды в реакторе поддерживают постоянной за счет значительного избытка раствора щелочи. При этом исключается влияние изменения концентрации щелочи в ходе реакции. Температуру измеряют термопарой типа ХК (диаметр спая 1 мм, толщина проводов 0,4 мм) и вторичным прибором КСП-4.

Для записи давления применена система, состоящая из датчика давления МПЭ-МИ и самописца Н-37. Выходной сигнал тока, пропорциональный давлению, с датчика подается на усилитель (УПТ И-37), а затем регистрируется самописцем Н-37.

При высоких температурах опыты проводят в следующей последовательности. В реактор подвешивают кассету, систему герметизируют и вакуумируют. Подачей определенного количества азота в реактор создают избыточное давление, предотвращающее кипение жидкости при заданной температуре. В период нагрева горловину реактора, где размещена кассета, интенсивно охлаждают. Как показали предварительные измерения, температура азота в горловине незначительно превышает температуру окружающей среды. Последнее обстоятельство позволяет резко понизить давление водяного пара в зоне горловины и, тем самым, предотвратить начало реакции в период выхода на режим. Дальнейшая последовательность ведения эксперимента не отличается от изложенной выше.

Течение реакции отслеживают по повышению давления в реакторе. Количество выделившегося газа оценивают по показаниям манометра и волюметрическим методом. В поисковой серии опытов применен газовый счетчик типа ГСБ-400 (класс точности приборов см. приложение А).

Степень превращения (бт) определяют, как отношение максимального фактически выделившегося объема водорода к теоретически возможному бт = Vr/Vт, (3.1).

где Vr — приведенный к н.у. объем Н2, выделившийся за время реакции;

Vт — объем водорода, выделяющийся при взаимодействии 1•10−3 кг чистого элемента (Si или Al) с водой.

Для алюмокремниевых соединений Vт определяется по правилу аддитивности на активную часть сплава.

Предельная относительная погрешность измерения W и бт ±2%.

Доля прореагировавшего во время опыта сплава бт = Рф/Рmax, (3.2).

где Рф — давление водорода в момент времени ф;

Рmax — максимальное давление к концу реакции.

Предельная относительная погрешность измерения бr составляет ± 3%.

Скорость выделения водорода рассчитывают по формулам.

(3.3).

где ?V — приведенный к н.у. объем выделившегося водорода, м3;

?ф — время, за которое выделился данный объем газа, с;

m — масса сплава, кг.

(3.4).

где fуд — удельная площадь поверхности порошка сплава, м2.

Объем опытного кинетического реактора составляет 1,13•10−3 м3. Реактор рассчитан на давление 50 МПа, масса реактора 51 кг. Количество водного раствора щелочи, заливаемого в реактор 0,5•10−3 м3. Масса сплава, загружаемого в реактор в поисковой серии опытов 5•10−3 кг, в основных опытах 1•10−3 кг.

После нагрева до заданной температуры электрообмотку отключают, и реактор выдерживают определенное время до установления стационарной температуры.

Во время реакции температура среды повышается на 1 — 3 °C при загрузке m = 1•10−3 кг сплава и на 5 — 7 °C при m = 5•10−3 кг.

Кинетические исследования выполнены в интервале температур 90 — 130 °C, дисперсном составе порошков сплавов (0,05 — 1,5)•10−3 м, концентрации щелочи.

10 — 13,3%, давлений 0,1 — 1,1 МПа. Состав и свойства продуктов реакции исследованы в ИПМаш НАНУ.