Изотермическая диффузия в многокомпонентных газовых смесях Жаврин, Юрий Иванович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Самопроизвольное проникновение одного вещества в другое - явление известное пак диффузия, широко распространено з природе л технике. Ни один насеообненный лро-цесс совреиенного производства, например, синтез аммиака из природного газа, горение газообразного топлива невозможно рассчи- ' тать не зная закономерностей диффузии, В настоящее время при разработке и расчете промышленных аппаратов химической, технологии, ракетной техники уне недостаточно знания констант нассопе-реноса, ограниченного только бинарными смесями. Однако в справочной литературе вопросы сложного массообмена освещены очень неполно. Практически отсутствуют систематизированные исследования особенностей многокомпонентной диффузии, не проводится обобщение результатов экспериментов, о из рекомендуемых способов расчета диффузионных характеристик в основном применяются наиболее простые, полученные для ряда частных случаев диффузии, и, поэтому не всегда отражающие реальности процесса. Изучение многокомпонентной диффузии, ее особенностей, различных методов описания - вот те задачи, которые на сегодняшний день стоят перед исследователями.

Для описания многокомпонентного иассопереноса чаще всего используют систему уравнений Стефана-Максвелла, но так как они чрезвычайно сложны в практическом прилокении, то приходится применять либо численное интегрирование, либо прибегать к какому-нибудь приближенному методу, позволяющему получать достаточно точные результаты при расчетах.

Одним из таких методов является метод эффективного коэффициента диффузии ( ЭКД )» Применение 8КД, выступающего как характеристика суммарного иассопереноса компонента, позволяет дать не только физически обоснованную картину диффузионного процесса в многокомпонентных смесях, но и произвести необходимые'количественные вычисления. Использование'ЭКД значительно упрощает по сравнению с матрицей коэффициентов расчет диффузионных потоков в многокомпонентной системе. Если учесть, что на сегодняшний день отсутствуют экспериментальные методы измерения коэффициентов многокомпонентной диффузии в газах ( коэффициенты мояно вычислить, но трудности'вычисления существенно возрастают с ростом числа компонентов смеси ), то преимущества метода ЭКД становятся очевидными.

- k -

В связи со сказанным выше, представляем научішй и-практический интерес исследование диффузии в многокомпонентных газовых смесях в самом общем виде, когда концентрации компонентов соизмеримы, распределение их произвольное. Изучение не ограничеваеі-ся одной системой отсчета, например, -среднеобъемной и только одним экспериментальным методом. Постановка акопериыентов по измерению коэффициентов диффузии в многокомпонентных газовых смесях задача довольно трудоемкая и требует от исследователя определенной квалификации. Именно благодаря эксперименту были выявлены ранее неизвестные особенности многокомпонентного массопереноса: диффузионная неустойчивость и циркуляция газа-разбавителя в диффузионном канапе. Исследование диффузионной неустойчивости ( концентрационной конвекции ) - явления чрезвычайно сложного, но интересного как с точки зрения практического приложения, так и теории в актуальности не вызывает сомнений.

На сегодняшний день для описания явлений переноса широко применяют строгую кинетическую теорию. Однако, как показал в ряде работ Н.Д. Косов, диффузию в газах мошш с успехом описывать менее формализованной элементарной кинетической теорией .Максвел-ла-Еольцыана-Дкинса ( ШЗД ). Эта теория нашла применение в наших исследованиях.

Экспериментальные методы измерения коэффициентов диффузии а многокомпонентных системах требуют постоянного совершенствования через разработку оригинальных диффузионных приборов и устройств, другого необходимого оборудования. Такой подход.позводил приступить к разработке таблиц рекомендуемых справочных.данных по.аффективным коэффициентам диффузии технически важных газов.

Таким образом, кратний анализ наиболее ванных проблзы многокомпонентного массопереноса свидетельствует о необходимости не только их изучения, но к практической реализации в различных технических устройствах.

Цель работы.. Более полное раскрытие физического механизма диффузии в многокомпонентных газовых смесях, возможность применения идеи о молекулярной и гидродинамической составляющих при. многокомпонентной диффузии ( роль молекулярной и гидродинамической составляющих в бинарных'газовых смесях достаточно изучена и отражена в ряде публикаций и диссертаций ).

Дать анализ системам отсчета при измерении коэффициентов диффузии з многокомпонентных системах, так как такая задача в

сложных смесях не рассматривалась.

Измерить коэффициент диффузии в различных многокомпонентных емзеях в широкой области параметров для различных условий. В связи с этим провести дальнейшее совершенствование экспериментальных методик исследования диффузии в газовых смесях. Исследовать влияние газа-разбавителя па диффузию основных компонентов. Дать анализ методов расчета коэффициентов диффузии в многокомпонентных смесях и продолжить разработку метода ЭКД.

Провести комплексное исследование параметров и условий, до-рондаюцих з гидростатически устойчивых трзхкомлоиентиых газовых сиг сих конвенции, з вместе с ней и диффузионную неустойчивость. Изучить характер течения диффузионного процесса в случае ее возникновения. Определить области существования устойчивой и неустойчивой диффузии.

Научная новизна работы:

1. Стационарным проточным методом на различных диффузионных кюветах при температуре 298 К и атмосферном давлении в различных системах отсчета в широком интервале концентраций в 21 трех- и четырехкомпонентных системах измерены коэффициенты диффузии. Для ряда смесей такій измерения выполнены впервые.

2. Измерзни скорости компенсирующих потоков, реализующих в диффузионной ячейке средне объемную или. среднемассовую системы отсчета.

3. Выявлено влияние газа-разбавителя на диффузию двух основных. Показано, что соответствующий подбор балластного газа .может либо интенсифицировать, либо замедлить диффузию активных компонентов.

4. Показано, что для описания многокомпонентной диффузии, в частности, в средне импульсной системе отсчета применима теория МЕД, которая неплохо согласуется с экспериментальными донными.

5. Усовершенствована методика работы при измерении коэффициентов диффузии стационарным проточиш іятодом в средне импульсной, средне объемной и. ере дне мае совой системах отсчета.

6. Предложен и изготовлен ряд приборов я аппаратов, в том числе способных к эксплуатации при повыйенных давлениях л визуализацией процесса. ' '

7. Обнаружено'явлэниг диффузионной неустойчивости'в некоторых трехкомлонентных 'газовых смяеих.

8. Экспериментально определены условия, порокдащие неус
тойчивое течение дийфувионного процесса. Соблюдение либо несоб
людение этих условий может приводить или к устойчивой, или к не
устойчивой диффузии..

9, Обнаружена циркуляция во диффузионному каналу газа-раз
бавителя в случае неустойчивого процесса в системах с балласт
ным газон.

10. Рассмотрена математическая модель диффузионной неустойчивости для плоского слоя. Определены области существования устойчивой диффузии, монотонной и колебательной неустойчивости.

11. Показано, что метод эффективного коэффициента ыоает с успзхом применяться при описании массопереноса в рааличных многокомпонентных газовых смесях.

12. Для ряда многокомпонентных систем ЕКД представлены в качестве рекомендуемых справочных данных.

На защиту выносятся:

1. Применимость идеи о молекулярной и гидродинамической составляющих диффузии б многокомпонентных газовых смесях, которая физически просто объясняет особенности многокомпонентной диффузии. . . .

2. Метод эффективных коэффициентов и его приложение к описанию многокомпонентной диффузии.

3. Экспериментальные данные по истинным и аффективным коэффициентам диффузии в многокомпонентных газовых смесях, а также теоретические методы расчета.

'и Аппаратура и методики измерения коэффициентов диффузии в широкой области параметров, различных условиях, различных'системах отсчета в многокомпонентных системах,.

5. Явление диффузионной неустойчивости. Влияние на ее возникновение давления, концентрации, температуры, коэффициентов диффузии компонентов, геометрических размеров диффузионного канала и.ряда других условий.

6. Некоторые особенности массопереноса в трехкомпонентных газовых смесях с балластным газом.

7. Математическая иодель диффузионной неустойчивости б трр.хкомдонен'лшй газовой смеси для плоского слоя.

Практическая ценность работ. Предложен метод эффективных коэффициентов диффузии для описания в широкой области параметров массопереноса в многокомпонентных газовых смесях.

Экспериментальные данные по коэффициентам диффузии исследо-занннх систем могут быть использованы при ращщд&х .массообмеиных процессов в различных технологических схемах, где лимитирующую роль играет диффузия.( горение, массоойменные процессы в порах катализатора и т.д. ).

Результати исследований ЕКД в системах водород-азот-мзтан, зодород-аэот-аргон, водород-азот-аммиак з области давлений от 1,0 до 5,0 МПа и концентраций компонентов в исходных бинарных смесях от 0,1 до 0,9 мольных долей п температуре 298,0 К утверждены в качестве таблиц рекомендуемых справочных данных'и могут быть использованы при расчете.массообменных процессов при синтезе аммиака из природного газа.

Данные, полученные при изучении диффузии в системах с балластным газом, позволяют находить оптимальные скорости протекания массообменных процессов через соответствующий подбор гаэа--разбавителя.

Исследования явления диффузионной неустойчивости и условий, влияющих на ее возникновение, позволяют давать рекомендации как по постановке экспериментов, так и проведению расчетов в многокомпонентных газовых смесях, в которых возможно проявление концентрационной конвекции. Это позволит избежать ошибок при расчетах и проектировании массообменных технологических схем. С другой стороны,, исследование явления диффузионной неустойчивости представляет и чисто научный интерес'

. Апробация работы/ Отдельные результаты работы докладывались и обсуждались но: Всесоюзном семинаре "Актуальные химико-диффузионные проблемы в свете задач повышения эффективности восстановительных процессов". Днепропетровск, 1977 г»; Выездном заседании секции теплофизических свойств веществ Научного совета АН СССР по комплексной проблеме ."Теплофизика". Алма-Ата, 1982 г₀; УП Всесоюзной конференции по тешгофизическии свойствам ведеств. Ташкент, 1982 г.; Ш Всесоюзном семинаре по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости. Черноголовка, 198ч- г.; УШ Республиканской межвузовской конференции по математике .в механике, посвященной 50-летию КазГУ им. СМ» Кирова. Алма-Ата, І9В'і- г.;.Научнб--теоретической конференции, посвященной 50-летию .КазГУ им; С,М. Кирова ( физико-математические науки ), Алма-Ата, 198ч-' г.; Всесоюзном'совещании-семинаре молодых.ученых "Явления переноса в газах и яидкостях". Адїіа-Ага,.Ї985 г.і Всесоюзной научно-технической конференции "Теплофизичесяне измерения в'решении актуальных

88Д8Ч современной науки и техники". Киев, 1985 г.; Заседании секции "Теплофизическиа и иассообманные свойства вещаств" научного совета по проблема "Массо- и теплоперанос в технологических цро-цессах" ПШТ СССР. Алма-Ата, 1986 г.; УІ Всесоюзном съезде по та оре тиче ской и прикладной механике. Ташкент, 1986 г.; Заседании президиума секции теплоэнергетики Научно-технического совета Минвуза СССР. Алма-Ата, 1986 г.; Всесоюзной конференции по кинетической теории разреженных и плотных газовых сне сей и механике неоднородных сред. Ленинград, 1987 г.; IX Всесоюзной конференции по динамика разраженных газов. Свердловск, 1987 г.; Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых "Новейшие исследования в области теялофизичаоких свойств" ( IX Всесоюзная таплофизическая шкода ). Тамбов, 1988 г.; X Всесоюзной конференции по динамике разраженных газов. Москва, 1989 г.; IX Республиканской иешвувовской научной конференции по математика и механике. Алма-Ата, 1989 г.; Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых "Теплофизика релак-сирующих систем" ( X Всесоюзная теплофизическая школа ). Тамбов, 1990 г.; Международном симпозиуме "Генерация крупномасштабных структур в сплошных средах". Пермь-Ыосква, 1990 г.; X Международном конгрессе по химической технике, проектированию химического оборудования и его автоматизации. Прага, 1990 г.; Рабочем совещании по структурам Министерства народного образования КазССР. Усть-Каменогорск, 1990 г.; У Всесоюзной конференции по проблемам механики неоднородных сред и турбулентных течений. Одесса, 1990 г.; XI Всесоюзной конференции по динамике разраженных газов. Ленинград, 1991 г.і Международном симпозиума по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости. Церць-Москваі 1991 г, I Международном симпозиуме "Физические проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения". Ижевск, 1992 г.; IX Теплофи-зической конференции СНГ. Махачкала, 1992 г.; Международной конференции по методам аэрофизических исследований. Новосибирск, 1992 г.; Международной совещании-семинаре молодых ученых ( Международная теплофизическая школа ). Тамбов, 1992 г.; Я Совместном по СНГ семинаре "Гидродинамическая устойчивость и турбулентность". Алма-Ата, 1992 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Диссертация содержит 302 страницы машинописного текста, 62 рисунка, 29 таблиц, список литературы из 234 наименований и приложения ( <і копии таблиц РСД по коэффициентам диффузии ).

.. 9 ~