碳纤维是92和100wt％之间的各向异性碳。通常，碳纤维具有出色的拉伸性，高热和化学稳定性，热和电导率良好，密度低，抗蠕变性。
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许多行业，如军事、建筑、航空航天、医疗、汽车和体育用品都渴望利用碳纤维的卓越性能。
聚丙烯腈(PAN)是制造碳纤维最重要的前驱体。碳纤维的消耗量正在增长，而汽车行业则在为不断上涨的成本和缺乏高速制造方法而苦苦挣扎。为了降低制造成本和扩大生产规模，对碳纤维的制造方法有一个清晰的认识是至关重要的。
使用PAN的碳纤维产生在碳化线中进行，其包括三个特征步骤：烤箱，LT和HT。每个制造步骤都有自己的一系列挑战。要成功完成生产，重点应在LT炉上发生，其中大部分纤维质量损失发生。LT炉内的温度通常在400-800℃之间，质量损失为30％至40％。
炉子在60至90秒之间具有停留时间的单个牵引带。在整个系统宽度中实现一致的纤维质量至关重要，这是由于不断增长的容量需求而增加。与传统的1到2米宽的系统相比，新系统宽3至4米。
考虑到系统的高度最小，在增加宽度下实现均匀条件是挑战的挑战性。通过保持一致的工艺气体条件和温度，可以实现一致的纤维性能。
本文的第一部分涉及废气性质的定义，第二部分涉及在LT炉系统的长度上进行的计算流体动力学（CFD）分析，其具有聚焦气体组成和温度。该研究将继续满足，横跨宽度模型进行一致考虑因素。
废气成分和浓度
在LT炉内的碳化过程中，废气从稳定的PAN纤维（SPF）排出。几篇论文突出了废气成分作为工作温度的函数。碳化过程的常用化学物质是CH4.、有限公司2，co，nh3.， H2， H2o和hcn。
在稳定过程中，各物种的数量与参数有很强的依赖关系。其中一些参数包括含氧量、停留时间、升温速率和温度。
基于目标纤维的最终性质，在行业中存在几种差异。为了开发基础，假设稳定的平底锅是基于凝固和溢流的稳定平移纤维的分析。
在该模拟中，作为从10种化学物种的组成，分配了诸如进化气体和挥发物的废气：7个常见组件和n2， C2H4.C2H6.．对稳定的PAN (C2.99H1．16不0.29）N可以写如下;
(C2.99H1．16不0.29）N+热→IF + γHCNHCN +γ.H2O.H2o +γ.H2H2+γNH.3.NH.3.γ.CO.CO +γ.CO.2CO.2+γCH.4.CH.4.+γN2N2+γC2H4.C2H4.γ.C2H6.C2H6.
其中如果代表LT炉的中间光纤，以及υ一世表示化学计量系数TH.化学物种。
然而，在LT的出口处的中间纤维的组成是不知道的。中间纤维的化学组成是LT炉工作条件（停留时间，温度等）和稳定的前体的复杂功能。LT炉系统内发生大量的质量损失。
为了进行废气成分分析，提出了一种简化的假设，即HT炉内的质量损失远小于LT炉中。假设在LT炉内发生整个质量损失，假设中间纤维具有相同的组合物至最终产物（含有5wt％氮和95wt％碳）。目前的研究使用了这个假设。
随着输出光纤和输入光纤定义了化学计量系数，υ一世，对于所有物种要求定义废气成分估计。11种化学计量系数，产品纤维和10种空气物种，5种方程式：4原子（C，H，O，N）平衡和总质量平衡;对于11个化学计量系数的数学独特的解决方案，需要更加独立的数学关系。
如前所述，废气组合物是操作条件的作用，主要是纤维组成，停留时间和局部纤维的温度。除了六个独立的数学方程之外，还必须考虑局部纤维组成，停留时间和温度效应。
一般将这些关系定义为化学反应动力学方程。稳定聚丙烯腈炭化的化学动力学关系通过文献检索并不容易得到。对这一复杂的主题进行了分析，并将结果用于开发构成的基础。
废气成分的文献强调了潜在成分的相当大的差异。这是不可避免的，因为组成是PAN的确切组成、温度、稳定过程、时间，甚至在一定程度上的张力的函数。
废气变化肯定存在于所有这些变量和靶向不同的产品品种。对于该分析，废气成分的放电体积取自磨削和溢出，并在表1中呈现。这些值是通过使用Chung的条件来产生它们的分析模型来产生的。
表格1。稳定聚丙烯腈、产品纤维及废气的化学组成。
|
物种 |
mw [g / mol] |
100 G STB PAN基础[G / 100 GPAN] |
MOL BISIT [MOL / PAN] |
| 输入 |
C（2.99）H（1.16）O（0.29）n |
55.71133 |
100. |
1 |
| (固体)出口 |
CF（95wt％c 5％n） |
12.09689. |
56.766 |
2.614316 |
| (气)出口 |
H2 |
2.01588 |
0.013 |
0.003593. |
|
N2 |
28.0134 |
13.8 |
0.274446 |
|
CO. |
28.0101 |
2.06 |
0.040973. |
|
CH.4. |
16.0425 |
2.36 |
0.081957 |
|
CO.2 |
44.0095 |
3.24 |
0.041015 |
|
NH.3. |
17.0305. |
1.317 |
0.043083 |
|
H2O. |
18.0153 |
5.29 |
0.16359 |
|
HCN |
27.0253 |
14.3 |
0.294788 |
|
C2H4. |
28.0532 |
0.412 |
0.008182 |
|
C2H6. |
30.069 |
0.442 |
0.008189 |
废气的物理性质
废气的物理性质包括特定的热，粘度，扩散性和导热性，这是系统建模中的关键参数。
纯气态物质被分成真实的气体和理想的气体。在理想气体的情况下，纯物质的几种物理性质仅是温度函数。当它不接近饱和条件和/或低密度气体时，这种气体是独特的。因此，低压条件下的气体和高温满足这些条件。
应用两个独特的标准，以利用减压P建立理想的气体状态R.= p / pC和降低温度tR.= t / tC如下，
P.R.«1
P.R.<1和tR.≥2
对于所有废气成分，评估临界温度和压力数据及其降低的温度和压力（@ 1巴和300℃）。基于这些计算，这是合理的假设，即废气在理想的气体状态LT炉。NASA气体属性数据用于特定导热性，热量和该研究的粘度。
反应热量
反应热量，也称为反应标准焓，定义为基于单摩尔限制反应物的正常条件下发生化学反应的焓变化。使用标准化学计量系数和所有涉及的化学物质的焓形成测量。
相反，由于稳定的PAN纤维(低温电炉的反应物)和中间纤维(低温电炉的产品)的生成焓还不知道，因此评估炭化反应热确实是一项具有挑战性的任务。通过假设高温炉内的质量损失可以忽略不计，可以将从高温炉出口的中间纤维视为碳纤维。
需要进一步估计来检查中间纤维产品的标准焓，因为它也是未知的。考虑到碳纤维仅由碳原子组成的碳纤维尽管5％wt％的氮来计算焓。基于这两个假设，来自LT炉中间纤维产品的地层的标准焓近似与固体碳，石墨一样。
为稳定锅纤维，从明确的状态下，这是一个更复杂和需要的连续评估。丙烯腈形成的常规焓是用于液态和气态的。估计稳定锅纤维的形成标准焓应开始丙烯腈。
液体丙烯腈经历聚合成型固体锅（聚丙烯腈），罗伯茨报道该聚合反应的热效应为-17.3 kcal /（单体）76.8℃。原则上，它不是标准的形成热量，因为它在标准温度下没有测量，但在这里假设聚合热的变化可以忽略不计。
在固体盘纤维的情况下形成的标准焓为72.38kJ / mol低于液体丙烯腈，因为它是放热反应。140kJ / mol是液体丙烯腈的形成热，因此固体锅纤维的形成热可以评估为67.62kJ / mol（单体）。
聚丙烯腈前驱体在通过氧化炉时是稳定的;这个过程有许多反应:氧化、脱氢和环化。炉内的反应称为放热反应，强调炉内的热管理是非常重要的。热效应对稳定的评价可以通过多种方法来进行。Dunham和Edie报告的价值在本研究中考虑。
邓瑟姆和埃德专注于平行和串联发生的已建立的反应，以及个体反应的热效应。从敦瑟姆和伊迪，潘稳定热效果可以表示如下：
ΔH.Stbpan.=ΔH.赛克+ΔH.Dehydro.+εoxi.ΔH.oxi.
ΔH在哪里Stbpan.为稳定反应的标准反应热，ΔH赛克，ΔH.Dehydro.，ΔH.oxi.对于环化，脱氢和氧化分别是反应的热量和εoxi.是氧化反应的程度。
基于Gupta报道的结构，可以在0.45〜0.5达到氧化程度。取决于Dunham和EDIE技术的氧化总量的0.5范围，可以实现为-77.3 kJ / mol（单体）。
稳定聚丙烯腈的生成热为77.3 kJ，低于每摩尔聚丙烯腈的生成热。图1解释了这个过程。为了评价标准反应热，需要从低温电炉中排出的产品的标准生成热。
LT炉的废气产品是明确定义的，并且从NASA数据库获得了10个气态化学物质的所有标准组合热。在该研究中，中间纤维假设为5wt％氮和95wt％碳，但是为纯固体碳（石墨）获得的标准形成热。
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图1。稳定锅纤维碳化反应热估计。
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精确化学反应的热效应与前面讨论的标准反应热量不同。通常基于标准状态测量反应的标准焓，尽管在该温度下进行实际反应。
应考虑对产品和反应物的显性热效应进行化学反应的实际热效应。实际的热效果由三种单独的热量效应组成：对产品（和未反应的反应物），反应热和反应物的明智热效应的显性热效应。从NASA数据库获得了产品物种的热量，以评估产品的明智热效应。
稳定锅纤维的比热是主要的并发症。Zoltek的白皮书具有少量其产品的热性能。Panex的热量®35以Zolteck的白皮书给出。事实上，（Panex®35)更像碳纤维而不是氧化的聚丙烯腈。Zoltek的白皮书有比热@两种不同的温度和线性比热用于热容量稳定的PAN。
这些属性在出版物中受到限制。测得的标准反应热量为124 kJ / kg stbpan @ 25℃，将稳定的锅中的热效应从240℃变为500°C产品需要867.9 kj / kg stbpan。
结论
对pan基碳纤维碳化炉的CFD模拟结果进行了分析。温度、速度和挥发物体积分数显示为等高线。CFD模拟的目标是炭化炉内的气相。
为支持这项研究，考虑了几种科学努力，以确定稳定锅碳化过程的废气的物理性质。为了简单起见，从模拟中消除了纤维，但由于消除纤维，废气排出率和纤维的局部温度，衍生出几种假设。这种简化的废气排放速率从系统的顶部到底部显示出组成差异。
如预测的，废气量级分在通风口的最大值中增长至最大值。废气放电也影响了气体温度，如锥形和均匀均匀的温度所示的变化。在该模拟中，从废气到流动和温度的耦合是无反馈的单向耦合。
提供了废气排出速率而不是从纤维和温度的局部质量分数评估。这种双向耦合将由碳化的化学动力学提供。
这种CFD模拟即使是在基本条件下，也会刺激和促进动力学表达的发展，提高工业炉的设计和性能。需要进行额外的研究，以观察沿炉宽的差异，这将影响系统的一致性。需要一个拖带宽度模型来处理这个沿宽度的差异。
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