Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение свойств веществ является неотъемлемой частью исследований строения материи. Знание свойств веществ необходимо также для расчета технологических тепломассообменных процессов и оборудования в самых различных областях энергетики, химической и других отраслей науки и техники.
К настоящему времени в разреженных газах накоплен определенный экспериментальный материал и созданы кинетические теории диффузии, позволяющие рассчитать соответствующие коэффициенты.
Несколько по-иному обстоит дело с исследованием диффузии в плотных и умеренно-плотных газовых системах. Количество экспериментальных данных ограничено, зачастую данные противоречат друг другу. Измерение коэффициента взаимной диффузии проводилось в ряде работ. Однако сложность аппаратуры и многие методические трудности не всегда позволяют получить надежные экспериментальные данные по диффузии в широком интервале давлений, температур и концентраций. Процесс диффузии требует дополнительного экспериментального исследования в реальных газовых системах. Не существует и надежного метода или соответствующей теории для расчета коэффициентов взаимной диффузии в плотных газах, хотя коэффициенты взаимной диффузии широко используются для расчетов различных технологических процессов (например, транспорта и регазификации природных газов), входят во многие безразмерные критерии тепло- и массопереноса.
Существующие методы описания процесса диффузии при повышенных давлениях, такие как строгая кинетическая теория с ее модификациями, элементарная кинетическая теория, теория димеров и феноменологический подход в рамках неравновесной термодинамики не позволяют в широких пределах изменения термодинамических параметров описывать этот процесс.
Исследование диффузии в системах, содержащих углеводородные газы, в широком диапазоне термодинамических параметров, несомненно, актуально, и имеет технически важное прикладное значение.
Работа выполнялась в соответствии с заданием и планами научно-исследовательской работы по гранту РФФИ 2003 г, проект №03-02-96375 "Теоретические основы физико-химических и тепломассообменных процессов в реагирующих гетерогенных системах для обеспечения энергосберегающих режимов работы" и госбюджетным темам, финансируемым Рособразованием РФ: тема №2001020 (гос. per. №01200605918) "Моделирование и управление сложными теплоэнергетическими системами и химическими реакциями", 2005 г.; тема №1048060 (гос. per. №01200202449) "Исследования закономерностей тепло- и массопереноса в неизотермических условиях в реальных газовых и парогазовых смесях", 2006-2008 гг.
Цель работы:
Экспериментальное и теоретическое исследование зависимости коэффициентов взаимной диффузии от давления в газовых системах, содержащих углеводородные газы и другие технически важные газы, при различных температурах и давлениях.
Анализ зависимости экспериментальных данных коэффициентов взаимной диффузии бинарных газовых систем от давления, температуры и концентрации.
Получение надежных методов расчета коэффициентов взаимной диффузии газовых систем в широком интервале давлений, температур и концентраций.
Научная новизна экспериментальных и теоретических результатов заключается в следующем:
получены экспериментальные данные по коэффициентам взаимной диффузии систем, содержащих углеводородные и другие, технически важные, газы, в широком интервале давлений, температур и концентраций;
большинство данных по коэффициентам взаимной диффузии газов получены в исследованной области термодинамических параметров впервые;
предложены формулы для расчета коэффициентов взаимной диффузии
газов в широком диапазоне термодинамических параметров, использующие
минимальное число экспериментальных данных.
Практическая ценность. Полученные экспериментальные данные и методики расчета коэффициентов взаимной диффузии газов в широком диапазоне термодинамических параметров (давлений, температур, концентраций) могут быть использованы:
для пополнения банков и баз данных по коэффициентам диффузии;
при расчетах тепломассообменных процессов и оборудования в самых различных областях науки и техники - энергетике, химической, нефтеперерабатывающей промышленности и т.п.;
для развития теории молекулярного массопереноса.
Обоснованность и достоверность в диссертационной работе выводов обеспечивается хорошим совпадением между достоверными экспериментальными и расчетными данными, а также корректным использованием кинетических теорий молекулярного массопереноса.
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты экспериментальных исследований коэффициентов взаимной диффузии 18 пар газов;
формулы для расчета коэффициентов диффузии в широком диапазоне давлений, температур и концентраций.
Апробация и публикации. Материалы работы докладывались и обсуждались на:
11-12 Российских Конференциях по теплофизическим свойствам веществ, Санкт-Петербург, 2005 г.; Москва, 2008 г.;
МНТК «ЭНЕРГЕТИКА-2008: инновации, решения, перспективы», Казань, 2008 г.;
17, 20-21 Международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях», Кострома 2004г.; Ярославль 2007 г.; Саратов 2008 г.;
9-15 МНТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2003-2009 гг.;
IV-й МНТК «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Санкт-Петербург, 2009 г.;
26, 28 Российских школах по проблемам НиТ, Миасс, 2006, 2008 гг.;
Всероссийской НТК «Современные инновационные технологии и оборудование», Тула, 2006 г.;
3-5 МНТК студентов и аспирантов «Информационные технологии, ресурсосбережение, энергетика и экономика», Смоленск, 2006-2008 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 научная работа, из которых 1 статья в журнале из перечня ВАК и 20 докладов и тезисов докладов на Международных и Всероссийских конференциях.
Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на 119 страницах основного текста, включающих 14 рисунков и 28 таблиц. Работа состоит из введения, трех разделов, основных выводов, списка использованных источников из 167 наименований и трех приложений на 50 страницах.
