Cd|KOH|NiOOH

Zn|NH4CI|MnO2

Li|LiClO4|MnO2

Pb|H2SO4|PbO2

H2|KOH|O2

Моделирование химически индуцированных напряжений в трубчатых мембранах со смешанной кислород-ионной и электронной проводимостью

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).

На примере трубчатой кислородопроницаемой мембраны из смешанного проводника LaGa0.65Mg0.15Ni0.20O3-δ, работающей под перепадом химического потенциала кислорода в режиме окисления углеводородов, проведено моделирование химически индуцированного расширения газоплотного керамического материала в изотермических условиях. Моделировалась работа мембран разного радиуса в различных конфигурациях реактора. Анализ распределений активности кислорода и химически индуцированных напряжений показал, что наиболее выгодная с точки зрения минимизации механических напряжений газовая конфигурация включает подачу атмосферного воздуха внутри трубчатой мембраны при встречном потоке окисляемого углеводорода. Максимальные напряжения в мембране возникают со стороны, на которую подаётся окисляемый газ. где для многих конфигураций реакторов может существовать нерабочая зона с примерно постоянным химическим потенциалом кислорода на поверхности мембраны. Размер такой зоны, формирование которой может быть обусловлено как особенностями распределения компонентов в газовой фазе, так и конфигурацией реактора, значительно влияет на распределение механических напряжений.

Литература

1. Huang P., Petric A. // J. Electrochem. Soc. 1996. Vol. 143. P. 1644–1648.
2. Stevenson J. W., Armstrong T. R., McCready D. E., Pederson I. R., Weber W. J. // J. Electrochem. Soc. 1997. Vol. 144. P. 3613.
3. Huang K., Tichy R. S., Goodenough J. B. // J. Amer. Ceram. Soc. 1998. Vol. 81. P. 2565.
4. Ishihara T., Higuchi M., Furutani H., Fukushima T., Nishiguchi H., Takita Y. // J. Electrochem. Soc. 1997. Vol. 144. P. 122.
5. Ishihara T., Shibayama T., Nishiguchi H., Takita Y. // J. Mater. Sci. 2001. Vol. 36. P. 1125.
6. Ishihara T., Takita Y. // Catal. Surv. Japan. 2000. Vol. 4. P. 125.
7. Shaula A. L., Yaremchenko A. A., Kharton V. V., Logvinovich D. I., Naumovich E. N., Kovalevsky A. V., Frade J. R., Marques F. M. B. // J. Membr. Sci. 2003. Vol. 221. P. 69.
8. Ishihara T., Matsuda H., Bustam M. A., Takita Y. // Solid State Ionics. 1996. Vol. 197. P. 86–88.
9. Yaremchenko A. A., Kharton V. V., Naumovich E. N., Shestakov D. I., Chukharev V. F., Kovalevsky A. V., Shaula A. L., Patrakeev M. V., Frade J. R., Marques F. M. B. // Solid State Ionics. 2006. Vol. 177. P. 549–558.
10. Turner M. J., Clough R. W., Martin H. C., Topp L. J. // J. Aeronaut. Sci. 1956. Vol. 23. P. 805–824.
11. Segerlind L. Applied Finite Element Analysis. N. Y.: Wiley, 1985.
12. Zienkiewicz O. The Finite Element Method in Engineering Science. L.: McGraw Hill Publ., 1971.