CC BY
54
УДК 541.12.012.6
А.Ю. Смирнов, О.А. Каширская
Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, Москва, Россия
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА НЕСТАЦИОНАРНОГО ИСПАРЕНИЯ СМЕСИ ЭТАНОЛ-МЕТАНОЛ В АРГОН В КОНВЕКТИВНОМ РЕЖИМЕ
В данной статье изложен анализ имеющихся работ по математическому моделированию процессов с конвекцией. Приведены результаты физических экспериментов по нестационарному испарению системы метанол - этанол в аргон для различных составов смеси в температурном диапазоне от 30 до 60 градусов Цельсия. Опыты иллюстрируют ускорение процесса испарения при переходе его к конвективному режиму.
Для совершенствования существующих и создания новых технологических процессов необходимо иметь четкое представление о механизмах нестационарного массо-переноса, которые лежат в их основе.
На данный момент в литературе представлены два способа изучения этих механизмов, а именно, проведение натурных (физических) экспериментов и моделирование физических процессов на компьютере на основании фундаментальных законов сохранения.
В статье [1] выполнено численное моделирование процесса стационарного испарения воды в воздух из цилиндрических сосудов при следующем наборе параметров: внутренний радиус сосудов изменяли от 5 до 30 мм, температуру границы раздела фаз - от 20 до 65 °С, при этом температурное число Грасгофа GrТ изменялось в пределах 200 - 115000, а концентрационное число Грасгофа Grк от 75 до 50000. Здесь GrТ =
«^Ъ/у2, &к = «2Ъ'У2, «1 = К -и)(М2 -М1)/М1, а2 = (Т -т)/т, Т8, т -температуры над поверхностью и окружающей среды, g - ускорение силы тяжести, R -радиус цилиндра, у - кинематическая вязкость, М1 и М2 молярные массы паров воды и
и и
неконденсирующегося газа, 4 и ш мольные доли пара над поверхностью и в окружающей среде.
В работе [1] отмечено, что при суммарных числах Грасгофа Gr = GrT + Grк выше критического ^гкр=1000) происходит нарушение устойчивости газовой фазы и возникает конвективное перемешивание, что находиться в соответствии с работой Тэй-лора [7]. Однако в диапазоне чисел Gr от 300 до 165000 скорость конвективного испарения не превышала диффузионную более чем на 2%. На основании этого в [1] сделан итоговый вывод об отсутствии интенсификации процессов испарения за счет естественной конвекции.
В работе [2] проведено исследование развития двумерной тепловой гравитационной конвекции в удлиненном горизонтальном слое, ограниченном твердыми поверхностями, при внезапном подогреве нижней границы. Рассмотрены особенности перехода от режима молекулярной теплопроводности к конвективному режиму, дано описание структуры течения и характеристик теплопередачи от начального момента, соответствующего покоящейся в целом изотермической жидкости, до установления стационарного режима валиковой [9] конвекции. Получена критериальная зависимость между безразмерным временем начала влияния тепловой гравитационной конвекции на
теплопередачу и числом Релея - Яа = & РО Куа), где g - ускорение силы тяжести, 1 -характерный линейный размер, Р - температурный коэффициент объемного расшире-
ния, 9 - избыточная температура подогрева, у - коэффициент кинематической вязкости, а - коэффициент температуропроводности. Из чего можно сделать вывод об интенсификации процессов обмена за счет естественной конвекции.
Изучение механизма нестационарного испарения, основанного на проведении физических экспериментов, представлено в работах [3,4]. Результаты опытов по испарению различных бинарных и однокомпонентных систем также показывают ускорение процессов испарения при наличии конвекции, природа которой объясняется выталкивающей силой Архимеда, возникающей в среде с переменной по высоте цилиндра плотностью, которая в свою очередь появляется в результате расположения тяжелых слоев газа над легкими.
Особый интерес представили эксперименты с системой метанол - этанол, которые были проведены при температуре 20 градусов Цельсия. Интерес к этой системе был вызван тем, что компоненты этой смеси имеют молекулярные массы больше (этанол - Мг = 46г/моль) и меньше (метанол Мг = 32г/моль) чем принимающий газ (аргон Мг = 40г/моль), что при определенных условиях (состав) дает возможность наблюдать явление самоорганизации, отмеченное впервые в диссертации [3]. Суть этого явления заключается в том, что за счет действия сил плавучести на испарившийся в аргон метанол возникает конвекция, за счет которой происходит перенос паров этанола, которые при испарении этанола в чистом виде переносятся в молекулярном режиме.
В данной работе был расширен температурный диапазон проведения опытов по испарению смеси этанол - метанол в аргон, что увеличило диапазон физико-химических свойств изучаемой системы.
Эксперименты проводили на установке (рис.1), подробное описание которой содержится в статье [5]. Установка состояла из цилиндрической ячейки с радиусом R=0,056 м и высотой газового пространства ^=0,257 м, соединенной с манометром.
Рис. 1. Установка для измерения коэффициента диффузии барометрическим методом: 1 - стеклянная ячейка, 2 - воздушный термостат, 3 - и-образный манометр, 4 - трехходовой кран, 5 - шприц; I, II - штуцеры
Перед началом эксперимента ячейку продували 10-тикратной порцией аргона, в который, подготовив установку к опытам, испаряли раствор метанола с этанолом заданного состава, предварительно насыщаемый аргоном и подогретый до температуры опыта. Для этого термостатированную при температуре опыта на водяной бане жидкость барботировали газом в течение 30 мин. С помощью шприца 5 вводили 30 мл жидкости на дно ячейки через вход I. Одновременно прекращали сообщение системы с
атмосферой и запускали секундомер. Температуру в течение опыта поддерживали постоянной, используя термостат. Поскольку в опытах применяли труднорастворимые газы, влиянием их растворимости на измеряемые коэффициенты De пренебрегали. Высота слоя жидкости составляла 3 • 10-3 м. Количество испарившейся жидкости определяли по показаниям манометра и рассчитывали на основании закона Бойля-Мариотта. При этом условия опыта были таковы, что позволяло считать газовую фазу идеальным газом.
По методике приведенной в статье [5] были рассчитаны коэффициенты диффузии, значения которых приведены в таблице 1.
Табл. 1. Зависимость коэффициента диффузии от температуры проведения опыта испарения смеси метанол(1)-этанол(2) в аргон(3)
Условия проведения опыта De, м2/о105 D23*, м2/о'105
Р, мм рт.ст. Мольная доля этанола
744** 20** 0,5** 6,76** 1,03**
740 30 0,456 11,8 1,03
760 40 0,456 9,09 1,09
755 50 0,456 9,11 1,16
753 60 0,456 6,77 1,22
Б23*-коэффициенты молекулярной диффузии[8]; **-данные работы [3]
Из приведенной таблицы видно, что коэффициент диффузии при конвекции больше коэффициента молекулярной диффузии в несколько раз, что находится в соответствии с выводами работ [2-4] и противоречит заключению в работе [1].
Также по данным опыта при составе смеси 0,75 мольных долей этанола было установлено, что испарение происходит в режиме близком к молекулярному.
Таким образом, результаты проделанной работы позволяют сделать следующие выводы: 1. Подтверждено, что ускорение испарения смеси этанол - метанол в аргон, которое было отмечено в диссертации [3] при температуре 20 градусов Цельсия, также присутствует в диапазонах составов от 0 до 0,75 мольных долей этанола на интервале температур от 30 до 60 градусов Цельсия. 2. При содержании этанола в смеси с метанолом 0,75 и более мольных долей увеличение скорости испарения за счет конвекции не происходит, что может быть объяснено тем, что плотность по всей высоте цилиндра имеет значение больше чем плотность аргона, таким образом, не создается предпосылок для возникновения неустойчивости.
Список литературы
1. Вяткин, Г.П. Испарение жидкостей в условиях свободной конвекции / Г.П. Вяткин, А.Е.Коренченко, Ю.Г. Измайлов // Докл. РАН. - 1998. - Т . 363. - №1. - С. 56.
2. Полежаев, В.И. /В.И.Полежаев, В.ПЯремчук //Изв. РАН МЖГ.- 2001.- № 4.- С. 34-45.
3. Липатов, Д.А. Динамика нестационарного испарения в условиях естественной конвекции в газовой фазе: дис. канд. техн. наук / Д.А.Липатов.-ИОНХ РАН, Москва 2006.
4. Дильман, В.В. Кинетика нестационарного испарения / В.В.Дильман, В.А.Лотхов // Доклады Академии Наук - том 416 - № 4 - Октябрь 2007. - С. 506-508.
5. Каширская, О.А. Определение коэффициента молекулярной диффузии барометрическим методом. / О.А.Каширская, В.А.Лотхов, В.В.Дильман // Журнал физической химии - 2008. - том 82. - № 7. - стр. 1-4.
6. Taylor, G.I. Diffusion and Mass Transport in Tubes / Taylor G.I. // Proc. Phys. Soc. 1954. - LXVII. - 12-B. - p. 857.
7. Дж. Перри Справочник инженера-химика. / Дж. Пери.- М.: Химия.-1969.- Т. 1.
8. Willis, G.E. Roll-diameter dependence in Raleigh convection and its effect upon the heat flux. / Willis G.E., Deardorf J.W., Somerville R.C. // J J. Fluid Mech. - 1972 54 (2). - pp. 351-367.
УДК 541.8
М.Д. Осокина, Д.В. Логинова, А.С. Лилеев, А.К Лященко
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН. Москва, Россия.
СТАБИЛИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ВОДЫ В РАСТВОРАХ ФТОРИДА АММОНИЯ.
The microwave dielectric properties of aqueous NH4F solutions are studied. The parameters of dielectric relaxation of water molecules are found. Stabilizing action of ammonium fluoride on joint H-bond net in highly concentrated solutions is shown.
Изучены СВЧ-диэлектрические свойства водных растворов фторида аммония, найдены параметры диэлектрической релаксации молекул воды. Показано стабилизирующее действие NH4F на совместную сетку водородных связей в высококонцентрированных растворах.
Гидратация ионов NH4+ и F- представляет особый случай в ряду других однозарядных ионов. Они имеют размеры близкие молекуле воды и могут образовывать с нею тетраэдрически направленные связи. Фторид аммония является единственной солью, образующие твердые растворы во льду [1]. В пересыщенных растворах кристаллы плавают на поверхности. Согласно развиваемым структурным представлениям [2,3], ионы NH4+ и F- могут замещать молекулы Н2О в узлах сетки водородных связей или размещаться в междоузлиях сетки(так же как молекулы воды) без значительного нарушения её геометрического порядка. Это показано на Рис.1. В растворах фторида аммония сходство строения ионов NH4+ , F- и молекул воды определяет то, что структурные изменения связаны только с появлением заряда на частицах и соответствующими пере-ориентациями молекул. Выяснить какое действие оказывает фторид аммония на структурно-кинетические свойства воды при образовании растворов можно с использованием метода СВЧ-диэлектрической спектроскопии. Ранее диэлектрические свойства растворов NH4F исследовались [4], однако измерения проводились в области начальных концентраций и только на трех частотах. Это не позволяло достаточно точно определить параметры релаксации, необходимые для заключений об изменении ориентацион-ной подвижности молекул воды.
Рис.1. Возможные способы размещения ионов КИ4+ и F" в сетке водородных связей воды.
