Научная статья на тему 'Моделирование диффузии при хемосорбции этилена'

Моделирование диффузии при хемосорбции этилена Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства»

CC BY
16
3
Поделиться
Ключевые слова
ДИФФУЗИЯ / DIFFUSION / КОНВЕКЦИЯ / CONVECTION / ХЕМОСОРБЦИЯ / ГРАДИЕНТ ТЕМПЕРАТУР / GRADIENT OF TEMPERATURES / HEMOSORBTION

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства, автор научной работы — Бальчугов Алексей Валерьевич, Подоплелов Евгений Викторович, Бархатова Светлана Сергеевна, Андреенко Матвей Викторович

В результате численного решения дифференциальных уравнений теплопроводности и диффузии показано, что в плёнке жидкости при хемосорбции этилена раствором хлора возникает градиент температуры, превышающий критический. В этих условиях в плёнке жидкости возникает термокапиллярная конвекция, ускоряющая межфазный массоперенос.

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства , автор научной работы — Бальчугов Алексей Валерьевич, Подоплелов Евгений Викторович, Бархатова Светлана Сергеевна, Андреенко Матвей Викторович,

DIFFUSION MODELLING AT AN ETHYLENE HEMOSORBTION

As a result of the numerical solution of the differential equations of heat conductivity and diffusion, it is shown that in a liquid film at ethylene hemosorbtion the gradient of temperature exceeds the critical arising solution of chlorine. In these conditions in a film of liquid there is a thermocapillary convection accelerating an interphase mass transfer.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Моделирование диффузии при хемосорбции этилена»

Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

УДК 630*866.1.002.6 Бальчугов Алексей Валерьевич,

д. т. н., профессор, проректор по научной работе, Ангарская государственная техническая академия, e-mail: balchug@mail.ru

Подоплелов Евгений Викторович, к. т. н., доцент, зав. кафедрой машин и аппаратов химических производств, Ангарская государственная техническая академия, e-mail: uch_sovet_agta@mail.ru

Бархатова Светлана Сергеевна, техник кафедры машин и аппаратов химических производств, Ангарская государственная техническая академия Андреенко Матвей Викторович, техник кафедры машин и аппаратов химических производств, Ангарская государственная техническая академия

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФУЗИИ ПРИ ХЕМОСОРБЦИИ ЭТИЛЕНА

А. V. Balchugov, E. V. Podoplelov, S.S. Barhatova, M. V. Andreenko

DIFFUSION MODELLING AT AN ETHYLENE HEMOSORBTION

Аннотация. В результате численного решения дифференциальных уравнений теплопроводности и диффузии показано, что в плёнке жидкости при хемосорбции этилена раствором хлора возникает градиент температуры, превышающий критический. В этих условиях в плёнке жидкости возникает термокапиллярная конвекция, ускоряющая межфазный массоперенос.

Ключевые слова: диффузия, конвекция, хемосорбция, градиент температур.

Abstract. As a result of the numerical solution of the differential equations of heat conductivity and diffusion, it is shown that in a liquid film at ethylene hemosorbtion the gradient of temperature exceeds the critical arising solution of chlorine. In these conditions in a film of liquid there is a thermocapillary convection accelerating an interphase mass transfer.

Keywords: diffusion, convection, hemo-sorbtion, gradient of temperatures.

Прямое хлорирование этилена является основным методом получения 1,2-дихлорэтана в промышленности [1]. Исследование механизмов массопереноса позволит выяснить причину повышенного выхода побочных продуктов (трихлор-этана и др.) и наметить способы экологически безопасного ведения процесса.

Взаимодействие хлора с этиленом в присутствии катализатора относится к быстрым (мгновенным) реакциям [2]. Этилен взаимодействует с хлором в жидкой фазе, а именно в 1,2-дихлорэтане. Предварительно приготовленный раствор хлора в 1,2-дихлорэтане приводится в контакт с газообразным этиленом. Этилен, проникая в раствор, реагирует с хлором. Процесс лимитируется диффузией в жидкой фазе. Как пока-

зали ранее выполненные исследования [2], фронт реакции имеет вид плоскости, что объясняется высокой скоростью реакции (рис. 1). Со временем фронт реакции движется вниз, скорость его движения снижается в результате замедления проникновения этилена в раствор.

поверхность / жидкости

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

фронт реакции '

Рис. 1. Модель хемосорбции этилена раствором хлора

Реакция сопровождается выделением большого количества теплоты. Количества теплоты, выделяющегося при синтезе 1 кмоль 1,2-дихлорэтана, достаточно для испарения приблизительно 6 кмоль этой жидкости. Источником теплоты является фронт реакции, положение которого непрерывно изменяется в пространстве. Кроме того, непрерывно изменяется во времени мощность источника теплоты, поскольку скорость проникновения этилена в раствор со временем снижается. Поверхность жидкости при этом охлаждается вследствие испарения. По-видимому, в пленке жидкости вблизи поверхности возникает градиент температуры, который определяет гидродинамическую и массообменную обстановку на поверхности.

Рассмотрим распределение температуры в пленке жидкости при нестационарном диффузионном режиме хемосорбции. Уравнение нестационарной теплопроводности в безразмерной форме имеет вид

газообразный этилен -

1,2-дихлорэтан+этилен

t*-

1,2-дихлорэтан+ хлор

дг

дх2

(1)

где 2 = ■

а ■ т

Н

2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- безразмерное время, х =

НТ

т - т

безразмерная координата, 1 =-- - безразмер-

Т0

ная температура, а - коэффициент температуропроводности 1,2-дихлорэтана, Т0 - начальная температура пленки жидкости, 20 С, Н0 - толщина пленки жидкости, м, т - время, с.

Уравнение (1) решали методом конечных разностей [3]. Для определения температуры в узлах сетки справедливо уравнение

»¡,к+1 = '

Аг

(Ах )2

( »-1,к + »1+\,к ) "

(

(М.

Аг

\

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- 2

1,к

где параметры с индексом к относятся к временному шагу, а параметры с индексом / - к шагу по координате х.

Таким образом, температура в данном узле сетки зависит от температуры в соседних узлах сетки и от температуры в этом же узле сетки в предыдущий момент времени.

В расчетах необходимо учитывать зависимость положения фронта реакции от времени. В работе [4] приводится уравнение, характеризующее движение фронта при физической абсорбции при малых временах контакта. При хемосорб-ции с учетом коэффициента ускорения % это уравнение примет вид

х = 3,46^/гэт ,

% ■ 0ЭТ ' т

где гЭТ =

н 2

- безразмерное время при

абсорбции этилена.

Уравнение для температуры на поверхности жидкости получим из теплового баланса:

гВв = \■ Т0,

дх I Ах I

где г = 353500 Дж/кг - теплота парообразования

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

дс

1,2-дихлорэтана, —— - безразмерная движущая дх

сила процесса испарения, С* = 0,29 кг/м3 - равновесная концентрация паров 1,2-дихлорэтана в газе, I = 0,01 м - характерный размер, в нашем случае толщина пленки жидкости, Хп - безразмерная температура поверхности жидкости, ^ - безразмерная температура во втором от поверхности ряду узлов сетки, X = 0,142 Вт/(м2 ■град) - коэффициент теплопроводности жидкости.

При диффузионном режиме испарения при малых временах контакта движущая сила испарения с достаточно высокой точностью определяется по уравнению [4]

дсо дх

1,76

ъ^г—

где =-

—о ■т

н 2

- безразмерное время при испаре-

нии 1,2-дихлорэтана.

Уравнение для температуры поверхности жидкости примет вид

1 = 1 - -I п »1

А ■Ах

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(2)

. —

(3)

176тВ0С0

где А = ■

ХТ0 ъ

Уравнение для ряда узлов сетки, совпадающего с фронтом реакции, получим из теплового баланса:

дс

го

го Сго _ х

1\,к »1-1,к Т0

дх I

Ах

1\,к 1+1,к Т

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ах

_0_ I '

где Qp = 6,46-10 Дж/(кг этилена) - тепловой эффект реакции, ВЭТ = 0,35-10-8 м2/с - коэффициент диффузии этилена в 1,2-дихлорэтане, % - коэффициент ускорения абсорбции при химической реак-

дс

ции, —— - безразмерная движущая сила абсорб-

дх

ции этилена в 1,2-дихлорэтане, С*эт =1,738 кг/м3 -

равновесная концентрация этилена в 1,2-дихлорэтане.

Безразмерная движущая сила абсорбции:

дс

ЭТ

1,76

дх

Ф

Ъ г

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Коэффициент ускорения абсорбции определяем по уравнению

С О

% = 1 + С хл —хл

пСэ Т —ЭТ

где Схл = 0,4 и С*г = 0,062 - мольные концентрации хлора и этилена, кмоль/м3, п = 1 - мольное соотношение реагентов.

Уравнение для температуры фронта реакции примет вид

, _ »1-1,к + 1г+1,к * = 2

ВАх

(4)

о

ЭТ

где В = \,16<2Р

Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

С

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ЭТ

ЭТ

ЯТ0 л

Распределение температуры определяется по уравнениям (2)-(4) последовательно для каждого ряда сетки, начиная с k = 1.

Исследования показали [3], что рассмотренная вычислительная схема будет устойчивой, то есть вычислительные ошибки не будут возрастать при увеличении 2, если выполняется условие

(Ах )2

Аг

> 2.

Расчет выполняется в следующей последовательности. Задаемся температурой поверхности жидкости П Для данной П определяются равновесные концентрации С*, С*эт. Задаемся шагом

сетки Ах, определяем безразмерное время по формуле

Ах 3,46

\2

Ф

- + л г

к-1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ш

скольку она не зависит от направления силы тяжести и может возникать по всей поверхности всплывающего пузыря или падающей капли. Конвекция возникает практически мгновенно, как только возникает контакт между этиленом и раствором хлора, что приводит к нарушению диффузионного режима взаимодействия.

Определяется шаг по координате т. Затем рассчитываются температуры в узлах сетки по уравнениям (2)-(4). Температура поверхности, принятая ранее, сравнивается с рассчитанной температурой. Расчет повторяется до совпадения принятой и рассчитанной температур поверхности. Подобный расчет повторяется для следующего шага Ат и Ах.

Результаты расчетов по уравнениям (2)-(4) для первых двух шагов сетки представлены на рис. 2.

Максимум температуры в пленке соответствует положению фронта реакции. Через 4,2 секунды после начала контакта фронт реакции располагался на расстоянии 1,7 мм от поверхности, а через 16,6 секунды - на расстоянии 3,4 мм.

Таким образом, по высоте пленки жидкости возникает градиент температуры и, как следствие, градиент плотности. Например, через 4,2 секунды после начала контакта в пленке толщиной 1,7 мм градиент температуры составляет 2,5 оС. Градиент плотности приводит к возникновению конвекции под действием термокапиллярных и термогравитационных сил. Расчет по зависимости, приведенной в работе [5], показывает, что в случае хемо-сорбции этилена градиент температуры превышает критический, что является причиной возникновения термокапиллярной конвекции на поверхности жидкости. Помимо термокапиллярной конвекции, несомненно, имеет место термогравитационная конвекция Рэлея - Бенара. Наибольшее влияние на процесс в промышленных реакторах оказывает, конечно, термокапиллярная конвекция, по-

Рис. 2. Распределение температуры

Характер конвекции, по данным [5], зависит от толщины пленки жидкости и градиента температуры в ней. Можно предположить, что при малых временах контакта скорость хемосорбции определяется термокапиллярной конвекцией, поскольку толщина пленки мала. При больших временах контакта с ростом толщины пленки преобладающим становится влияние термогравитационной конвекции. Выводы, полученные в результате настоящей работы, подтверждаются экспериментальными исследованиями [6, 7]. При взаимодействии этилена с раствором хлора на поверхности возникала регулярная структура из конвективных ячеек. На начальном этапе ячейки на поверхности были небольшого размера, порядка 1 мм. По-видимому, они были вызваны градиентом поверхностного натяжения. Таким образом, в инженерных расчетах по кинетике хемосорбции необходимо учитывать не только ускорение физической абсорбции, вызванное химической реакцией, но и поверхностную конвекцию, вызванную градиентом температуры.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ошин Л. А. Промышленные хлорорганические продукты. М. : Химия. 1978. 656 с.

2. Бальчугов А. В., Громова Е. В., Ульянов Б. А. Массопередача при хемосорбции этилена раствором хлора на горизонтальной поверхности раздела фаз // Сборник научных трудов АГТА. 2001. Т. 1. С. 59-62.

3. Юдаев Б. Н. Теплопередача. М.: Высшая школа. 1973. 359 с.

4. Дильман В. В. Динамика испарения. Теоретические основы химической технологии. 2000. Т. 34. № 3. С. 227-236.

*

гк =

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Гершуни Г. З., Жуховицкий Е. М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М. : Наука. 1972. с. 298.

6. Бальчугов А. В., Громова Е. В., Ульянов Б. А. Термогравитационная конвекция на поверхности раздела фаз в системе этилен-раствор хлора. Сборник тезисов научной конференции //

Современные технологии и научно-технический прогресс. 2002. Т. 1. С. 72-73.

7. Бальчугов А. В., Громова Е. В., Подоплелов Е. В. Реактор синтеза 1,2-дихлорэтана с комбинированным способом отвода теплоты // Химическая технология. 2008. Т. 9. №1. С. 37-40.

УДК 621.365

Ларченко Анастасия Геннадьевна,

аспирант кафедры ТРТСиМ Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПС),

тел. 638395-149, e-mail: Larchenkoa@inbox.ru Попов Сергей Иванович,

аспирант кафедры ТРТСиМ ИрГУПС, тел. 638395-149, e-mail: ifpister@gmail.com

Филиппенко Николай Григорьевич, старший преподаватель кафедры ТРТСиМ ИрГУПС, тел. 638395-149, e-mail: ifpi@mail.ru

Лившиц Александр Валерьевич

к. т. н., доцент, заведующий кафедрой ТРТСиМ ИрГУПС, тел. 638395-362, e-mail: livnet@list.ru

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКОЧАСТОТНОМ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ НАГРЕВЕ В ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

A. G. Larchenko, S.I. Popov, N. G. Filippenko, A. V. Livchitc

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

DETERMINING THE PHYSICAL AND MECHANICAL

PARAMETERS OF POLYMER MATERIALS UNDER HIGH-FREQUENCY DIELECTRIC HEATING IN ELECTROTHERMIC PLANTS

Аннотация. Статья дает обоснование выбора метода и системы управления для установки высокочастотного электротермического оборудования с целью расширения возможностей их применения в области материаловедения.

Ключевые слова: электротермическая обработка, электрофизические и физико-механические параметры полимерных материалов.

Abstract. The article gives the rationale for the choice of method and system of control to set the high-frequency electrothermic equipment, with the purpose of expansion of opportunities of its application in the field of materials science.

Keywords: electrothermic treatment, electro-physical and physical-mechanical parameters of polymer materials.

Электротермические методы обработки полимерных материалов относятся к числу направлений, призванных обеспечить качественные изменения в производственных силах. Достоинством электротермической обработки является безопасность, экономичность, избирательность, саморегуляция процесса, а также равномерность разогрева

диэлектриков и комфортные условия обслуживающего персонала. К числу электротермических методов обработки материалов относится высокочастотный нагрев (ВЧ) полимерных материалов с целью нагрева, сушки, сварки.

Достаточно перспективным является процесс диагностирования материалов с использованием высокочастотного излучения [1]. Физические достоинства обработки токами высокой частоты (отсутствие тепловой инерции нагревателя, простота и точность регулирования теплового режима и др.) предопределяют возможность создания технически совершенных ВЧ-автоматизированных установок, обеспечивающих оптимальные условия процесса. Однако их реализация сдерживается рядом причин, к числу которых относится отсутствие надежных и прямых средств контроля и измерения показателей работы. Не определена окончательно и методика промышленного использования системы. Несмотря на внушительную практическую значимость данной технологии, оборудование ВЧ-диагностики материалов до сих пор не создано.