Оглавление

1. ВВЕДЕНИЕ
2. ГЛАВНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Системы водород-металл в технике

2.1.1. Применение водорода

2.1.2. Методы получения водорода

2.2. Физико-химические процессы в системе водород-металл

2.2.1. Адсорбция

2.2.2. Диффузия

2.2.3. Градиентная задача I рода

2.2.4. Современное описание кинетики взаимодействия водорода с металлами

2.2.5. Замечания о моделях водородопроницаемости

2.3. Экспериментальные методы

2.4. Методы моделирования систем водород-металл

2.4.1. Аналитические методы

2.4.2. Численные методы

2.4.3. Имитационные методы

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ВВЕДЕНИЕ

Металлы – важнейшая группа конструкционных материалов, а водород – один из основных компонентов примесей внедрения и рабочей атмосферы. Качество большого ряда современных изделий зачастую определяется взаимодействием металла с водородом и, в частности, диффузией последнего, что диктует необходимость исследовать кинетические аспекты, имеющие место в системе металл-водород.

Водород – один из наиболее распространенных элементов на земле (девятое место по массе). В земной коре из каждых 100 атомов на долю водорода приходится 15 (1 % по массе). В плотной части земной коры (16 км), включая воду и атмосферу, содержится примерно 0,88 % (масс.) или 15,4 % (атом.) водорода.

Водород выделяется в свободном состоянии при извержении вулканов, находится в газообразных продуктах выделения фумарол, а также присутствует в виде включений в калийных солях, некоторых других минералах, в изверженных горных породах (граниты, гнейсы, базальты). Свободный водород содержится в некоторых природных и попутных газах ряда нефтяных месторождений. Однако в результате геологических процессов в атмосферу переходит гораздо меньше водорода, чем от биологических превращений.

Ежегодно в почвах, водоемах разлагаются миллионы тонн растительных остатков, например, целлюлозы, белковых веществ и т.д. и происходит разложение их некоторыми видами анаэробных бактерий. Эти процессы дают значительные количества свободного водорода.

В природе водород находится в соединении со многими элементами: кислородам, серой, азотом, хлором, реже с фосфором, йодом, бромом и другими элементами. Он входит в состав пресной воды (11,19 %), морской воды (10,72 %), различных соединений, образующих угли, нефть, природные газы, а также организмы животных и растений, т.е. входит в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводородов и других сложных соединений [1].

Никель в природе находится в пяти стабильных изотопах, в Земной коре содержится около 8*10-3 % по массе. Содержится в таких минералах, как пентландит, никелин, гарниерит, ревдинскит. Чистый никель получают восстановительным плавлением оксида никеля (II), термическим разложением Ni(CO)4, электролизом (хлорида никеля, сульфата никеля), восстановлением водорода из аммиачных растворов под давлением.

Никель применяют как: 1) компонент легированных сталей, жаростойких, сверхтвердых, магнитных антикоррозийных и других сплавов; 2) конструкционный материал для химической аппаратуры и ядерных реакторов, электродов аккумуляторов; 3) материал защитных или декоративных покрытий на стали, чугуне, алюминии и других; 4) катион гидрогенизации. [2].

В инженерных расчетах часто возникает необходимость решения диффузионных задач. При этом нужно рассчитать такие характеристики систем водород-металл как: выходной и входной потоки, изменение потока водорода в материале со временем, изменение концентрации водорода в материале со временем. Для корректных решений необходимы методы расчета, позволяющие найти указанные характеристики, методы идентификации модели водородопроницаемости по экспериментальным данным для конкретного образца. Это обуславливает необходимость разработки методов расчета систем водород-металл.

2. ГЛАВНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Системы водород – металл в технике

2.1.1. Применение водорода

Наиболее перспективные направления в водородной технологии в новом веке следующие [1]:

1) синтез аммиака и метанола,

2) синтез газообразных и жидких углеводородов,

3) гидрогазификация твердых горючих,

4) гидропереработка и очистка жидких горючих,

5) прямое восстановление руд черных и цветных металлов,

6) получение чистых и сверхчистых металлов,

7) спекание металлических порошков,

8) производство авиационного, автомобильного и ракетного горючего, горючего для газовых турбин и МГД-генераторов.

9) водород в химической и нефтехимической промышленности, в производстве минеральных удобрений, в промышленности добычи и транспортировки газа,

10) водород и его изотопы в атомной промышленности,

11) атомная и тепловая энергетика,

12) в космической технике,

13) в электрохимическом производстве,

14) в пищевой и фармацевтической промышленности,

15) изотопы водорода и управляемый термоядерный синтез

В долгосрочной перспективе следует ожидать дальнейших структурных изменений среди потребителей водорода. Эти изменения, вероятно, будут связаны с получением водорода из воды на базе использования термохимических циклов. Использование таких энергетических источников, как атомная и солнечная энергия, откроет новые возможности для широкого использования водорода в качестве энергетического и бытового горючего, минуя процессы гидрирования твердого горючего.

2.1.2 Методы получения водорода

Водород в значительных количествах содержится во многих газовых смесях, например в коксовом газе, в газе, получаемом при пиролизе бутадиена, в производстве дивинила. Для извлечения водорода из водородосодержащих газовых смесей используют физические методы выделения и концентрирования водорода. Такими методами являются низкотемпературная конденсация и фракционирование, фотолиз, адсорбционное выделение, адсорбционное выделение водорода при помощи жидких растворителей, термический и термомагнитный, концентрирование водорода методом диффузии через мембраны [1].

Кроме этого водород получают электролизом воды. В наше время используется техника электролиза воды для космических целей, наметились новые возможности электролиза водных растворов щелочи под давлением, с электролитом в виде твердого полимера, при высокой температуре и с использованием твердых высокополимерных электролитов.

Недостатком обычного электролиза является тот факт, что избыточная энергия при электролизе выделяется в виде трудноиспользуемого низкопотенциального тепла, которое необходимо постоянно отводить от электролита, на что расходуется значительное количество охлаждающей воды. Поэтому для крупных установок необходимо ориентироваться на использование морской воды, чтобы не нарушить нормальные экологические условия в реках, кода обычно сбрасывается избыточное тепло.