CC BY
42
Процессы и аппараты химических и других производств. Химия
УДК 533.15; 536.25
НЕУСТОЙЧИВОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ В СИСТЕМЕ ДВУХ КАНАЛОВ * Ю.И. Жаврин, В. Мукамеденкызы, И.В. Поярков
Научно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики при Казахском Национальном Университете им. аль-Фараби, г. Алматы
Представлена членом редколлегии профессором С.В. Пономаревым
Ключевые слова и фразы: диффузия в газах; концентрационная конвекция; многокомпонентная диффузия; неустойчивый диффузионный процесс.
Аннотация: Методом двухколбового прибора исследованы процессы смешения бинарных смесей пропана и двуокиси углерода в закись азота. Эксперименты проводились при различном расположении исходных газов в колбах диффузионного аппарата в зависимости от давления, концентрации смешивающихся компонентов и геометрических размеров диффузионного канала. Определены режимы смешения и границы перехода «молекулярная диффузия - концентрационная конвекция» при определенных термодинамических и геометрических параметрах.
В предлагаемой статье рассмотрим эксперимент по изучению диффузии в изотермических трехкомпонентных газовых смесях. Оказывается, что при определенных термодинамических параметрах, таких как давление, температура, концентрация, система, состоящая из смеси двух газов, диффундирующая в третий компонент, имеет тенденцию к образованию конвективных потоков.
Проведенный и описанный ниже эксперимент позволяет также судить о влиянии геометрических характеристик диффузионного канала - длины канала, его характерных поперечных сечений и т.д. [1].
Влияет ли давление и геометрические характеристики двух диффузионных каналов на процесс устойчивости в тройной газовой системе? Бинарная смесь, в нашем случае - пропана и двуокиси углерода - диффундировала в чистую закись азота.
Выбор данной газовой системы обусловлен тем, что при нормальных условиях основные характеристики (плотность, коэффициенты диффузии и вязкости) газов, входящих в смесь, примерно одинаковы. Однако при увеличении давления они проявляют эти свойства неравномерно. В свою очередь, неравномерность проявления этих свойств сказывается на динамике их плотностей.
Исследования проводились методом двухколбового диффузионного аппарата [2]. Экспериментальная установка состояла из двух частей. Первая - это блок
* Избранные доклады Международной теплофизической школы МТФШ-6, Тамбов, ТГТУ, 2007 г.
подготовки газов, который включает в себя набор игольчатых вентилей для заполнения из баллонов исходными газами колб аппарата и по окончании опыта взятия проб газов на анализ.
Вторая часть установки - диффузионный аппарат с объемами колб верхней и нижней: Ув = 2,268 -10-4 м3 и Ун = 2,145 -10-4 м3, соответственно. Колбы соединялись щелевым каналом с размерами (0,17 х0,05 х0,003) • 10-4 м3.
Методика работы на установке двухколбового метода заключалась в следующем. Колбы аппарата 14 и 16 (рис. 1) разобщались между собой, и форваку-умным насосом производилась откачка, например, верхней колбы 16, которая потом промывалась соответствующим газом из баллона С3Н8 + СО2. Эта процедура повторялась несколько раз, до тех пор, пока в колбе осталось минимальное количество посторонних примесей, и затем она окончательно заполнялась газом до давления, несколько превышающего давление опыта. Аналогичную процедуру проделывали с нижней колбой 14, но заполняли ее до давления, несколько меньшего давления опыта. Это делалось для того чтобы нейтрализовать влияние паразитных емкостей. Давление в колбах выравнивалось через выравнивающую емкость 13, и затем через кран 10 излишки газов стравливались в атмосферу. По образцовым манометрам 12 регистрировалось давление газов в колбах аппарата. Абсолютное значение давления опыта вычислялось как сумма атмосферного давления и снятого по манометру избыточного давления.
После выравнивания давления в колбах открывался капилляр 15, и одновременно отмечалось время начала опыта. Когда планируемое время эксперимента истекало, капилляр перекрывался, и отмечалось время переноса. Основной измеряемой характеристикой для всех газовых систем являлись концентрации компонентов, перешедшие из исходной колбы в другую за время опыта. Анализ газов проводился на хроматографе из верхней и нижней колб прибора.
На установке проводили эксперимент по смешиванию трехкомпонентных газовых смесей в системе двух вертикальных каналов в поле силы тяжести. Продолжительность всех экспериментов составляла 1200 секунд, это время рассчитывалось, исходя из необходимости полного перемешивания смеси. Давление варьировалось от 3 до 10 МПа, а концентрация пропана в бинарной смеси составляла
Рис. 1. Схема экспериментальной установки двухколбового аппарата:
I - блок подготовки газов; II - двухколбовый аппарат; 1 - 10 - краны;
11 - мембранные разделители; 12 - образцовые манометры; 13 - выравнивающая емкость; 14 - нижняя колба; 15 - диффузионный капилляр или блок капилляров; 16 - верхняя колба; 17 - фторопластовая таблетка; 18 - шток; 19 - вороток
0,14 и 0,148 мольных долей. Верхний предел давлений соответствовал условию, когда пропан находился в газовой фазе, а нижний предел определялся возможностью взятия нескольких проб для анализа на хроматографе.
Диффузионный канал разделялся нами на две трассы вертикальной перегородкой. В случае возникновения конвективного потока (когда верхний газ тяжелее) газ с большим удельным весом будет течь преимущественно по одному каналу, а газ с меньшим удельным весом, наоборот, подниматься по другому каналу. В данной системе мы наблюдаем явление конвекции.
Анализ результатов показывает, что в открытом канале для системы (0,14С3Н8 + 0,86СО2) - N20 при всех значениях давления процесса смешения протекает устойчиво по законам молекулярной диффузии [3]. Это заключение подтверждается совпадением опытных данных с результатами расчетов по уравнению Стефана-Максвелла. А в системе (0,148С3Н8 + 0,852С02) - ^О двух связанных каналов были определены границы перехода «молекулярная диффузия -диффузионная неустойчивость» (рис. 2).
При расположении бинарных смесей в нижней колбе аппарата, при любых значениях концентраций пропана процесс смешения в трехкомпонентных системах носит диффузионный характер.
Граничный переход «молекулярная диффузия - диффузионная неустойчивость» можно проследить различными способами: либо через визуализацию процесса, либо через изменение параметра а, рассчитанного согласно зависимости
Qe
'ли
где С/ех - экспериментальные значение концентрации /-го компонента; Сг111 -расчет концентраций по уравнениям Стефана-Максвелла в предположении диффузии (/ = 1, 2, 3). Если а = 1 для всех газов, то можно говорить, что перенос компонентов происходит по законам молекулярной диффузии, а при а > 1, хотя бы для одного компонента, - о присутствии конвективных потоков.
Этот процесс отображен в виде графика на рис. 3, где представлена зависимость безразмерного коэффициента а, считанного для пропана от давления.
Из анализа результатов можно сделать следующие выводы:
- при небольшом изменении в составе смеси (именно, нами взята смесь (0,14С3Н8 + 0,86СО2) - К20, измененная же смесь имела состав (0,148С3Н8 + 0,852СО2) - К20, то есть она получена незначительным изменением концентрации входящих в состав этой смеси газов), в открытом канале для системы (0,14С3Н8 + 0,86С02) - К20 при всех значениях давления процесс смешения
Рис. 2. Зависимость перешедшей концентрации пропана от давления для системы (С3Н8 + СО2) - ^О:
• - (0,14С3Н8 + 0,86С02) - Ы2О; ▲ - (0,148С3Н8 + 0,852С02) - Ы2О
Рис. 3. Зависимость а, = —— от давления:
Cith
точки - экспериментальные данные для систем:
• - (0,14С3Н8 + 0,86С02) - N2Ü; ▲ - (0,148С3Н8 + 0,852С02) - N2Ü
протекает устойчиво по законам молекулярной диффузии. Это же заключение подтверждается совпадением опытных данных с результатами расчетов по уравнению Стефана-Максвелла. А в системе (0,148С3Н8 + 0,852С02) - N2Ü для двух связанных каналов, где были определены границы перехода «молекулярная диффузия - диффузионная неустойчивость»;
- получен ответ на поставленный в начале статьи вопрос о влиянии геометрических характеристик диффузионного канала (его длины, характерных поперечных сечений и т.д.) на процесс устойчивости диффузионных процессов в трехкомпонентной газовой смеси. В частности, при разделении канала на две трассы наблюдается конвекция.
Список литературы
1 Косов, В.Н. Ü проведении экспериментов по изучению диффузионного процесса в многокомпонентных газовых смесях / В.Н. Косов, Ю.И. Жаврин, И.В. Поярков // Х Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ. - Казань, 2002. - С. 99.
2 Marrero, T.R. Gaseous diffusion coefficient / T.R. Marrero, E.A. Mason // J. Phys. Chem. Ref. Date. - 1972. - V. 1, № 1. - P. 1-118.
3 Жаврин, Ю.И. Диффузионное и конвективное смешение бинарной смеси пропана и двуокиси углерода с чистой закисью азота / Ю. И. Жаврин, В. Мукамеденкызы, И.В. Поярков // ЖТФ. - 2007. - Т. 77, № 7. - С. 127-129.
Instability of Mechanical Equilibrium of Three-Component Gaseous Mixtures in a Two-Channel System
Yu.I. Zhavrin, V. Mukamedenkyzy, I.V. Poyarkov
Kazakh National University named after al-Faraby, Almaty
Key words and phrases: concentration convection; gas diffusion; molecular diffusion; multi-component diffusion; unstable diffusion process.
Abstract: Applying two-flask apparatus the mixing processes of binary mixtures of propane and hydrocarbon dioxide into nitrous oxide are studied. The experiments have been carried out on a variety of initial gases arranged in the flasks of diffusion channel according to pressure, concentration of mixing components and geometrical sizes of diffusion channel. The mixing conditions and limits of transfer within the frame “molecular diffusion - concentration convection” under certain thermo-dynamical and geometrical parameters are identified.
Instabilität des mechanischen Gleichgewichtes der dreikomponenten Gasmischungen im System der zwei Kanäle
Zusammenfassung: Von der Methode des Zweikolbengerätes sind die Prozesse der Vermischung der binären Mischungen des Propanes und des Dioxides des Kohlenstoffes in das Oxid des Stickstoffes untersucht. Die Experimente wurden bei verschiedener Anordnung der Ausgangsgase in den Kolben des Diffusionskanales je nach dem Druck, der Konzentration der gemischten Komponenten und der geometrischen Größen des Diffusionsapparates durchgeführt. Es sind die Regimes der Vermischung und die Grenzen des Übergangs «Molekulardiffusion -Konzentrationskonwektion» bei bestimmten thermodynamischen und geometrischen Parametern bestimmt.
Instabilité de l’équilibre mécanique des mélanges gazeux de trois composants dans le système de deux canaux
Résumé: Par la méthode de l’appareil de deus matras sont étudiés les processus du mélange des mélanges binaires de propane et de bioxyde de carbone dans le protoxyde. Les expériments se déroulaient avec une différente disposition des gaz de départ dans les matras du canal de diffusion en fonction de la pression, de la concentration des composants mélangés et des dimensions géométriques de l’appareil de diffusion. Sont définis les régimes du mélange et les limites du passage «diffusion molleculaire - convenction contradictoires» lors des paramètres thermodynamiques et géométriques déterminés.
