فلوتاسیون انتخابی توسط آب اکسیژنه

مقدمه

در مطالعه بر روی  فلوتاسیون انتخابی توسط آب اکسیژنه ، با افزایش نیاز به نیروی محرکه فضای سبز ، موسسات ملی تحقیقات فضایی تلاش می کنند . تا جایگزین هایی برای پیشرانه های سمی مورد استفاده فعلی مانند هیدرازین، تتروکسید نیتروژن و اسید نیتریک طراحی نمایند . آب اکسیژنه نیز با تست بالا به عنوان یکی از کاندیدهای امیدوار کننده به عنوان عامل اکسید کننده سبز در نظر گرفته شده است .

زیرا توسط یک کاتالیزور یا منبع انرژی حرارتی می تواند به راحتی به بخار فوق گرم و گاز اکسیژن که دوستدار محیط زیست هستند تجزیه شود .  HTP که به عنوان اکسید کننده کاربرد دارد انگیزه و امید  کمتری نسبت به هیدرازین به محققین ارائه می دهد. اما HTP متراکم ، قابل ذخیره و کار با آن هم سهل و  آسان است .

به طوری که کاربردهای آب اکسیژنه به طور مداوم برای سیستم های پیشرانه ای که خواهان کاهش هزینه ، سطح ریسک پایین و خدمات هستند در حال افزایش است .  ماموریت های فضایی سرنشین دار علاوه بر این ، بر خلاف نیترات هیدروکسی آمونیوم (HAN) و آمونیوم دینی ‌ترامید (ADN) موتورهای پرانرژی سبز تازه توسعه‌یافته می باشند .

HTP  می‌تواند توسط یک کاتالیزور بدون پیش‌گرم کردن بستر کاتالیزور در زمانی که نیاز به راه‌اندازی اضطراری دارد تجزیه شود . یک کاتالیزور به دلیل سادگی و قابلیت اطمینان به طور گسترده برای تجزیه آب اکسیژنه استفاده می شود . فرآیند تجزیه را می توان برای هر دو سیستم پیشرانه ای تک پیشرانه و دو پیشرانه استفاده کرد . و با توجه به اینکه الزامات عملکردی سیستم ‌های محرکه معمولاً مطابق با اهداف استفاده متفاوت است . بستر انژکتور و کاتالیزور باید به روشی مجزا طراحی شوند .

 

فرآیند آماده سازی برای رانشگر تک پیشرانه و بستر کاتالیزوری در مقیاس 50 نیوتن

در این تحقیق ، یک رانشگر تک پیشرانه در مقیاس 50 نیوتن برای بررسی تأثیر الگوهای تزریق آب اکسیژنه بر ویژگی‌های بستر کاتالیست انتخاب شده است. اگر یک رانشگر در مقیاس کوچک مانند سطح رانش یک نیوتن انتخاب شود ، ممکن است بسته به الگوهای تزریق ، انعکاس ویژگی های اسپری از نزدیک دشوار باشد.

اگر از یک رانشگر در مقیاس بزرگ مانند سطح رانش صدها یا هزاران نیوتن استفاده شود. مصرف مقدار زیادی ، پیشران اجتناب ناپذیر است. زیرا هزینه ها افزایش می یابد. بنابراین برای رسیدن به هدف این تحقیق مناسب است از یک رانشگر طراحی شده با سطوح رانش ده ها نیوتن استفاده شود.

شکل زیر نقشه مقطعی پیشرانه تک پیشرانه در مقیاس 50 نیوتن و صفحات انژکتور طراحی شده برای این کار را ارائه می دهد.

 

 

فشار محفظه طراحی 20 بار و نرخ جریان جرمی تعیین شده آب اکسیژنه تقریباً 39.1 گرم در ثانیه است. پراکسید هیدروژن تجزیه شده 90٪ از نظر وزن متمرکز است. بدون اینکه نشانی از دقت غلظت داشته باشد. و دمای تجزیه آدیاباتیک آن تقریباً به 700-750 ℃ ​​می رسد. همچنین  طول و قطر بستر کاتالیزور به ترتیب 40 میلی متر و 27 میلی متر است.

از آنجایی که رانشگر به عنوان یک مدل مهندسی طراحی شده است. تمام اجزا به راحتی با اتصالات فلنجی مونتاژ می شوند. صفحه انژکتور را نیز می توان به راحتی تعویض کرد. شکل زیر آزمایش جریان سرد دو نوع مختلف انژکتور را نشان می دهد که به دلایل ایمنی از آب به عنوان شبیه ساز استفاده می کنند.

 

خرید آب اکسیژنه 35 درصد صنعتی پاشا و استفاده از آن در آزمایش های فلوتاسیون انتخابی

همانگونه که از نامش پیداست این محصول در گرید صنعتی طبقه بندی می شود. زیرا دارای عناصر و ترکیباتی می باشد که این محصول را از گرید خوراکی متمایز می نماید. و این تمایز باعث ایجاد تفاوت در نوع کاربردها و مصارفش می شود. به عنوان مثال گرید خوراکی آب اکسیژنه در صنایع غذایی و امثالهم کاربرد دارد. اما گرید صنعتی در مصارف صنعتی و غیر خوراکی مورد استفاده قرار می گیرد.

همچنین کاربردهای و مصارف خوراکی با نوع صنعتی بسیار متفاوت می باشند. که این مساله لزوم بررسی و دقت در خرید آب اکسیژنه 35 درصد صنعتی پاشا را بیش از پیش حائز اهمیت می نماید. در این مقاله هم با توجه به نوع آن که در حیطه صنعتی می باشد. از آب اکسیژنه صنعتی استفاده شده است.

چون پایه و اساس این مطالعات و تحقیقات بر اساس گرید صنعتی پراکسید هیدروژن می باشد. و لزومی به استفاده از گرید خوراکی  در این تحقیق نمی باشد. به همین سبب محققین در طول روند مطالعاتی و تحقیقاتی از نوع صنعتی بهره بردند.

 

 

دستگاه آزمایشی و روش آزمایش فلوتاسیون انتخابی توسط آب اکسیژنه به همراه نتایج

در دستگاه آزمایش فلوتاسیون انتخابی توسط آب اکسیژنه ، پیشران تحت فشار قرار گرفت و با گاز نیتروژن با خلوص بالا تغذیه شد. سیستم تغذیه پیشرانه از یک مخزن سوخت ، یک فیلتر، رگولاتورها، یک شیر بازرسی ، یک جریان سنج جرمی (MFM)، شیرهای پنوماتیکی و شیرهای برقی تشکیل شده است.

یک MFM نوع روزنه ای برای اندازه گیری نرخ جریان جرمی پیشرانه نصب شد. خطاهای بین نرخ جریان جرمی تعیین شده و نرخ جریان جرمی واقعی در طول آزمایش های شلیک حالت پایدار کمتر از 5 ± بود. نتایج آزمایشات آتش داغ زمین از نظر فشار و دما ارائه شده است. همانطور که در بالا ذکر شد ، اگرچه کل چرخه هر آزمایش 472 ثانیه طول کشید.

اما مقیاس محور x اعداد حاصل از 472 ثانیه فراتر رفت. زیرا بین زمان شروع کار سیستم DAQ و زمان باز شدن سوپاپ متغیر بود. تصاویر ذیل نتایج آزمایش انژکتور سر دوش را نشان می دهند.

 

 

 

و شکل های زیر نتایج جت انژکتور برخوردی را نشان می دهند.

 

 

 

با وجود استفاده از یک نوع کاتالیزور، تفاوت‌های آشکاری در عملکرد پیشران بسته به دو انژکتور مختلف وجود داشت. تصاویر 4 و 6 نشان دهنده داده های به دست آمده از ابتدای هر عملیات پالس هستند.و  با توجه به داده ها ، بارزترین تفاوت بین این دو انژکتور این است که رانش در حالت پالس هنگام استفاده از جت انژکتور برخوردی ، حتی در شرایط شروع گرم ، شکست خورده است.

 

 

 

 

ویژگی های واکنش پیشران در فلوتاسیون انتخابی توسط آب اکسیژنه

حین مرحله آزمایش بر روی ویژگی های واکنش پیشران در  فرآیند فلوتاسیون انتخابی توسط آب اکسیژنه بررسی ویژگی های پاسخ رانشگر برای یک مهندس جهت طراحی یک سیستم کنترلی واکنش و مانور دادن یک وسیله نقلیه فضایی مهم .و حائز اهمیت می باشد. در این کار زمان پاسخ رانشگر بسته به الگوهای تزریق پیشرانه متفاوت است.

از آنجایی که تطبیق دقیق سیگنال الکتریکی شیر برقی و زمان باز شدن شیر دریچه پنوماتیک دشوار بود. لحظه ای که فشار تغذیه شروع به کاهش کرد ، زمان باز شدن شیر در نظر گرفته شد. همچنین تاخیر زمانی ناشی از فاصله بین شیر و بستر کاتالیزور می تواند ناچیز باشد زیرا شیر مستقیماً با انژکتور مونتاژ شده است.

فاصله خروجی شیر تا بستر کاتالیزور تنها تقریباً 3 سانتی متر می بشاد. و جداول زیر نتایج را نشان می دهند.

 

زمان پاسخ کل	زمان افزایش	تاخیر جرقه زنی	زمان پاسخ
1103	1032	20	51	Steady #1 (cold start)	انژکتور سردوش
69	43	5	21	Steady #2
68	44	4	20	Steady #3
390	316	13	61	Steady #1 (cold start)	جت انژکتور برخوردی
159	17	6	136	Steady #2
155	16	5	134	Steady #3

 

 

 

 

زمان پاسخ کل	زمان افزایش	تاخیر جرقه زنی	زمان پاسخ
268	137	12	119	Steady #1 (cold start)	انژکتور سردوش
179	117	18	44	Steady #2
173	117	13	43	Steady #3
469	333	56	80	Steady #1 (cold start)	جت انژکتور برخوردی
179	110	16	53	Steady #2
171	100	17	54	Steady #3

 

داده‌ ها و اطلاعات به‌دست‌آمده از Steady #1 نشان‌ دهنده ویژگی‌های پاسخ رانش در شرایط شروع سرد (بدون گرم کردن بستر کاتالیست). و مابقی نتایج نشان‌ دهنده ویژگی‌ های پاسخ در شرایط شروع گرم می باشد.

 

 

بررسی روند از دست دادن بستر کاتالیست

در طی این مطالعه تلفات جرم و حجم کاتالیزور  مورد آنالیز و بررسی های لازم  قرار گرفت. به گونه ای که  افت جرم کاتالیزور با مقایسه تغییر در کل جرم کاتالیست بارگذاری شده در بستر کاتالیست قبل و بعد از آزمایش شلیک مورد اندازه گیری و محاسبه واقع شد . افت حجم کاتالیزور نیز با استفاده از یک سیلندر اندازه گیری کننده به صورت مقایسه روند تفاوتی قبل و بعد از آزمایش شلیک اندازه گیری گردید.

برای دقت ، حجم روی استوانه در مقیاس با دو رقم قابل توجه پس از نقطه اعشار به نمایش درآمده است. سطح بالای گلوله های کاتالیزور در سیلندر تا حدودی ناهموار بود ، بنابراین هنگام اندازه گیری افت حجم ، اعداد را به دو رقم اعشار گرد می کرد.

وزن ذرات ریز بیرون آمده از آسیب به گلوله ها توسط الک با سایز مش 30  اندازه گیری شد . حجم اولیه گلوله های کاتالیست در تمامی موارد 23.25 میلی لیتر بود. حجم اولیه نشان دهنده حجم گلوله های کاتالیست است که بستر کاتالیست را بدون فضای خالی در ابتدا پر می کند.

 

 

منبع:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0094576516300133?via%3Dihub