Введение к работе
Актуальность работы. Большинство химических процессов в
технологических системах протекает в растворах, изучению свойств которых уделяется большое внимание. Так, например, при изучении процессов переноса (теплопроводность, вязкость, электропроводность, диффузия) применяются различные расчетные модели, дающие возможность прогнозировать различные свойства растворов. В связи с этим предметом исследования являются водные растворы индивидуальных и смешанных электролитов.
Растворы электролитов являются удобной моделью для исследования и моделирования различных свойств систем зарядов, поскольку у них имеется возможность изменения внешних параметров, таких, как температура и концентрация, в широком диапазоне изменения этих величин. В отличие от газовой плазмы, достаточно неустойчивой, и твердотельной плазмы, где изменение концентрации носителей тока ограничено, растворы электролитов позволяют моделировать различные процессы диссипативных явлений (электропроводность, диффузия, вязкость, теплопроводность) в рамках плазмоподобной теории, как основных параметров гидродинамики. Они являются весьма удобными объектами для исследований систем зарядов в целом.
Водные растворы электролитов широко применяются в энергетических установках в различных отраслях промышленности. Многие технологические процессы в промышленности осуществляются при подводе и отводе теплоты. Поэтому одной из важных проблем является проблема экономии энергоресурсов. Перенос теплоты имеет большое практическое значение для интенсификации теплоэнергетических, энерготехнологических и химико-технологических процессов.
Эффективное использование водных растворов электролитов в указанных областях во многом определяется точностью сведений по их теплофизическим свойствам, и в частности, по теплопроводности в широком диапазоне изменения концентраций и температур.
Данные по теплопроводности растворов электролитов в литературных источниках носят разрозненный характер, часто при-
сое НАЦИОНАЛЬНАЯ j БИБЛИОТЕКА I
ведены в небольших интервалах температур и концентраций растворенного вещества, а по теплопроводности смесей водных растворов электролитов сведения практически отсутствуют. Поэтому возникла проблема более глубокого и детального изучения данной проблемы в более широком диапазоне изменения концентраций и температур.
Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка теоретической модели оценки коэффициента теплопроводности водных растворов индивидуальных и смешанных электролитных систем в широком диапазоне изменения концентраций и температур в рамках плазмоподобной концепции растворов электролитов. Реализация этой идеи осуществляется решением следующих задач:
а) создание теоретической модели взаимодействия ионов в рас
творах электролитов, основанной на использовании:
подвижности в рамках плазмоподобного состояния ионов в растворах электролитов с учетом силы сопротивления среды;
сольватных чисел, масс и радиусов сольватированных ионов в водных растворах;
параметра затухания колебаний, вызванных процессом диссоциация - ассоциация сольватированных ионов;
б) разработка теоретической модели расчета теплопроводности
растворов индивидуальных электролитов и их смесей в рамках
плазмоподобной концепции;
в) создание экспериментальной установки для определения теп
лопроводности водных растворов электролитов и их смесей;
г) разработка математических моделей оценки энергий межмо
лекулярных взаимодействий растворителя при различных темпера
турах и их применение для расчетов теплопроводности электро
литных растворов.
Научная новизна работы. Разработаны модельные представления для оценки теплопроводности симметричных и несимметричных электролитов и их смесей в рамках плазмоподобной концепции. По разработанным моделям проведены оценки и экспериментально определены теплопроводности индивидуальных электролитов и их смесей в широком интервале изменения концентраций и температур.
Впервые экспериментально определены теплопроводности смесей галогенидов, нитратов и сульфатов одно-, двух-, трехвалентных металлов и аммония в диапазоне изменения температур при различных концентрационных соотношениях компонентов смеси.
Разработана модель расчета энергии межмолекулярных взаимодействий растворителя при различных температурах. Впервые, с использованием метода множественной регрессии получены данные по энергиям взаимодействия между молекулами таких растворителей, как ацетон, метилэтилкетон и N, N- диметилфор-мамид.
Практическая значимость. Большинство экспериментальных данных по теплопроводности водных растворов многокомпонентных электролитов получены впервые и могут быть использованы при проектировании теплообменных аппаратов, а также при научных исследованиях различных технологических процессов.
Модельные представления по теплопроводности и полученные результаты могут применяться в технологическом контроле различных химических предприятий, а также для расчетов параметров теплопроводящих узлов и агрегатов и отдельных конструкций, связанных с производством, транспортировкой и хранением растворов сильных электролитов (кислот, щелочей, концентрированных растворов солей и т.д.).
Разработанный в диссертации комплекс расчетных методов может быть использован для оценки теплопроводности растворов электролитов в расширенном диапазоне изменения концентраций и температур при наличии ограниченных опытных данных, а также при их отсутствии.
Методы исследований. Для решения приведенных задач по свойствам отдельных ионов использованы разделы таких классических научных дисциплин, как квантовая механика, классическая и неравновесная термодинамика, физико-химические основы переноса энергии.
С целью сравнения теоретически полученных значений теплопроводности объектов исследования разработана экспериментальная установка для определения теплопроводности водных растворов электролитов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и
обсуждались на международных и региональных конференциях: VIII Международная конференция "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах" (г. Иваново, октябрь 2001 г.), Международная конференция "Байкальские чтения - II по моделированию процессов в синергетических системах" (Максимиха, оз. Байкал, июль 2002 г.), 3-я Международная конференция молодых ученых "Актуальные проблемы современной науки" (г. Самара, сентябрь-октябрь 2002 г.), 4-я Международная конференция молодых ученых и студентов "Актуальные проблемы современной науки" (г. Самара, сентябрь 2003 г.), конференции преподавателей, научных сотрудников и аспирантов ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 1999-2003 гг.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах (в т.ч. 1 патент).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания разработанной модели оценки теплопроводности водных растворов электролитов и их смесей, описания объектов и методики определения теплопроводности на разработанной экспериментальной установке, представления и обсуждения полученных результатов, выводов, списка использованной литературы из 148 наименований и 2-х приложений. Содержание работы изложено на 136 машинописных страницах, включая 16 рисунков и 29 таблиц.
