Физические свойства смеси неон-гелий Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.565

И. А. Архаров, С. Н. П у р т о в, Е. С. Навасардян

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМЕСИ НЕОН-ГЕЛИЙ

В криогенной технике при решении ряда задач, связанных с расчетом схем рабочих циклов и проектированием тепломассообменных аппаратов, необходимы данные о термодинамических свойствах бинарной смеси неон-гелий в широких диапазонах температуры и давления. Экспериментальные исследования свойств весьма ограниченны и не дают полной информации. Приведены аналитические зависимости, позволяющие определять концентрации гелия в жидкости и паре с погрешностью 1,5... 3% (в сравнении с имеющимися экспериментальными данными). E-mail: [email protected] Ключевые слова: разделение газов, извлечение неона из воздуха, разделение воздуха, расчет свойств газовых смесей.

При извлечении неона из атмосферного воздуха исходная газовая смесь содержит все низкокипящие компоненты — неон, водород и гелий. Поскольку водород в отличие от гелия и неона не является инертным газом, то очистка успешно проводится при температурах +400 ... + 600 °С методом каталитического выжигания (оксигена-ции). Возможна также низкотемпературная очистка от водорода, но в большинстве случаев это связано с дополнительными энергозатратами и повышением требований безопасности к криогенным установкам. Поэтому в криогенной технике наибольший практический интерес представляют свойства бинарной смеси неон-гелий. Для расчета параметров процессов и установок разделения неоногелиевой смеси необходимо наличие информации о свойствах в широких диапазонах температуры и давления. Экспериментальные исследования свойств весьма ограниченны и не дают полной информации. В работе [1] предпринята попытка получить уравнение состояния бинарной смеси методами математического моделирования. За основу были взяты экспериментальные данные по фазовому равновесию [2, 3]. При таком подходе, наибольшие трудности представляет расчет в двухфазной области (жидкость-пар, пар-твердое тело), так как поведение смеси в двухфазной области существенно сложнее, чем поведение чистого вещества. Диапазон параметров — давление от 2,8 до 200 атм, температура от 24,71 до 41,9 K. Аналитические зависимости для определения концентраций в жидкой и паровой фазах получены при Т ^ 29,91 K.

Для жидкости значение концентрации гелия предлагается определять как

xi = a(P - Pa), где a = 0,000019183T2 - 0,00092103T + 0,0113957.

Максимальное отклонение от экспериментальных данных для изотермы Т = 26,95 К составляет 1,25%, а для всех остальных изотерм не превышает 0,44 %.

Значения концентрации гелия в паре при Т < 29,91 К определяются по формуле

У2 = 1 - VI = (а + 1) —,

р

где а! = а(р - р8) + Ь(р - р8)2, а = 0,00002920Т3 - 0,01364Т2 + + 0,04261Т + 0,3373; Ь = -0,000003205Т3 + 0,0002775Т2 + 0,078202.

Рис. 1. Сравнение расчетных и экспериментальных концентраций гелия в жидкости (а) и паре (б) при Т < 29,91 Ю • - 24,71 К; о - 26 К; ♦ - 26,95 К; Л-27,03 К; □ -29,91 К

Максимальное отклонение экспериментальных данных от расчета для пара наблюдается при Т = 27,03 К и Т = 26,95 К и составляет

Лу1тах = 1,48 % и | ^^ ) = 2,52 % соответственно.

V У1 /тах

На рис. 1 приведено сравнение аналитических зависимостей х1 (р, Т) и у2(р,Т) с экспериментальными данными [2, 3]. Значения концентраций при Т > 29,91 К определяются по программе, которая по заданным параметрам смеси р, Т,у с помощью зависимостей Ткр = Ткр (р) определяет критическую температуру смеси. Если Т < Ткр, то значения концентраций х1 и у1 в жидкой и паровой фазах определяются посредством интерполяции между ближайшими изотермами, а в области вблизи критической точки — интерполяцией между значением у на критической кривой и ближайшей изотермой.

Фазовое равновесие системы твердый неон-гелий было исследовано экспериментально в работах [4-6]. При этом измерялись концентрации неона в газообразном гелии, так как обычно [7] при исследовании фазового равновесия считают, что растворимость летучего компонента в твердом веществе отсутствует, что является достаточно грубым допущением. На рис. 2 приведены зависимости равновесных концентраций неона в газообразном гелии над твердым неоном при различных температурах и давлениях по данным [4-6]. Гелий содержится в твердом неоне в виде защемленных молекул, находящихся в дефектах кристаллической решетки и адсорбированных на поверхности. Некоторые данные по адсорбции гелия на поверхности твердого неона при Т = 4,2 К приведены в работе [8]. Показано, что количество адсорбированного гелия эквивалентно двум-трем монослоям.

Рис.2. Зависимость растворимости твердого неона в гелии от давления при различных температурах

Исходя из анализа имеющейся в литературе информации по фазовому равновесию смеси неон-гелий, можно сделать следующие выводы:

— отсутствуют экспериментальные данные по фазовому равновесию пар-жидкость неоногелиевой смеси в диапазоне низких давлений;

— практически отсутствуют экспериментальные данные по остаточному содержанию гелия в твердом неоне;

— для паровой области в диапазоне высоких давлений для температур выше 10 K недостаточно данных о содержании неона в гелии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пуртов С. Н. Моделирование неоновых и неоногелиевых криогенных установок: Дис.... канд. техн. наук. - М., 2002. - 176 с.

2. K n o г n M. Vapour-liquid equilibria of the neon-helium system // Cryogenics. -1967. - No.3. Vol.7. - P. 177.

3. H e c k C. K., B a г г i c k P. L. Liquid-vapor equilibria of the neon-helium system/ Advances in Cryogenics. - 1967. - Vol. 12. - P. 714-718.

4. И о м т е в М. Б., Д о р о ш е н к о А. И., К у ш н е р Л. С., С а р о в Х. -М. А., Калиниченко Л. Т. Растворимость твердого неона в газообразном гелии // Журнал физической химии. - 1977. - № 6 (51). - С. 1373-1376.

5. Растворимость твердого неона в газообразном гелии при давлениях до 500 атм. / М.Б. Иомтев, А.И. Дорошенко, Л.С. Кушнер и др. // Журнал физической химии. - 1980. - № 42. - С. 257-259.

6. Растворимость твердого неона в сжатом гелии при 9-14K / М.Б. Иомтев, А.И. Дорошенко, Л.С. Кушнер и др. // Журнал физической химии.

— 1976. - № 50. - С. 3000.

7. R o b i n s o n R. L. (J r), H i z a M. J. Solid-vapor equilibrium — A survey / Fourth Joint AIChE-CSChE Meeting Proc., Vancouver, B.C., Canada, - 1973. - P. 218-239.

8. Юферов В. Б., К о б з е в П. М. Исследование криосорбционной откачки гелия, водорода и дейтерия слоями сконденсированных газов / ЖТФ. - 1969. -T. 39, № 1. - С. 1683-1688.

Статья поступила в редакцию 1.07.2010