О возможности принципиально нового электрокинетического способа разделения изотопов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

- максимум полезной выработки возобновляемой энергии.

Решение многокритериальной задачи оптимизации должно осуществляться методом ранжирования и переводом критериев к одному главному параметру сравнения - эквивалентной стоимости электроэнергии.

Таким образом, учитывая постоянное снижение стоимости энергетических комплексов, используюшдх возобновляемые источники энергии, их применение для нужд автомобильных дорог весьма перспективно.

Список литературы

1. Рац Г.И., Мординова М.А. Развитие альтернативных источников энергии в решении глобальных энергетических проблем. Известия Иркутской государственной экономической академии. Выпуск № 2 (82), 2012. С. 132-135.

2. Павлова А.И. Использование альтернативных источников энергии для освещения опасных участков автомобильных дорог // Молодой ученый, 2015. № 20. С. 58-61.

О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВОГО ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКОГО СПОСОБА РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ

Гордеев Ю.Н.

Гордеев Юрий Николаевич - кандидат технических наук, пенсионер, г. Кишинев, Республика Молдова

Аннотация: предложен принципиально новый электрокинетический механизм смещения фазового равновесия в системе жидкость - пар, который объясняет наблюдаемое в экспериментах снижение разделяющей способности массообменного участка при ректификации этилового спирта в электрических полях высокой напряженности. Смешение фазового равновесия связано со статистической вероятностью образования димеров дипольных молекул в паровой фазе и может быть использовано для разделения практически любых изотопов и изомеров на стадии их предварительного обогащения.

При изучении ректификации этилового спирта в электрическом поле высокой напряженности на небольших по высоте участках до 20 см было получено, что высота теоретической ступени разделения в массообменном участке с электрогидродинамическим распылением жидкости имеет величину порядка 2 см.

В докладе [1] приведены результаты очистки этилового спирта в массообменном участке высотой 1 метр, который обеспечивал крепость получаемого спирта, в широком диапазоне флегмовых чисел, более 92% об. При этом предполагалось, что участок метровой высоты имеет порядка 70 теоретических ступеней разделения. Тогда не задавались вопросом, так ли это на самом деле. Действительно ли участок имеет 70 ступеней. Поскольку в основном решался вопрос о возможности очистки от взвешенных частиц микронного размера. Однако при дальнейших экспериментах на участке 3-метровой высоты оказалось, что при содержании спирта в кубе 50%, крепость получаемого в голове колоны спирта в режиме с полным возвратом флегмы не превышает 94,5% объемных, что соответствует примерно 85% мольным. В таблице № 1 приведена диаграмма равновесия этиловый спирт - вода, разбитая на ступени разделения. Диапазон концентрации 50-95% об. соответствует примерно 8-10 теоретическим ступеням. При загрузке в куб спирта крепостью 95% в верхней части получался не более 96%. До предельной азеотропной концентрации оставалось еще 1,4%. Естественно было предположить, что такая низкая эффективность связана с конструктивными неполадками, нарушением центровки электродов или не равномерным распылом жидкости. Однако визуальные наблюдения свидетельствовали, что никаких сбоев в работе участка не происходит. Наблюдается равномерный и устойчивый распыл жидкости. Как минимум 20 - 30 см нижней части участка просматривается и картина распыла нормальная. Из таблицы № 1 видно, что на одну теоретическую ступень разделения вблизи концентрации 85% мол. приходится примерно 0,7- 0,5%. Получается, что 3-метровый участок имеет всего 1-2 ступени, это означает что разделение практически отсутствует. При нормальной гидродинамической обстановке,

отсутствие разделения можно объяснить, только отсутствием движущей разности концентраций между жидкостью и паром.

Таблица 1. Диаграмма равновесия этиловый спирт — вода, разбитая на ступени разделения, мольные

проценты

х у у -х ступени

7,5 39,0 31,5 1

39,0 60,65 21,65 2

60,65 70,15 10,5 3

70,15 75,4 5,25 4

75,4 78,55 3,15 5

78,55 80,6 2,05 6

80,6 82,0 1,4 7

82,216 83,345 1,13 8

83,345 84,26 0,915 9

84,26 85,0 0,74 10

85,0 85,6 0,6 11

85,6 86,116 0,516 12

86,116 86,56 0,44 13

86,56 86,94 0,38 14

86,94 87,27 0,33 15

87,27 87,55 0,28 16

87,55 87, 795 0,245 17

Отсутствие разделения указывает на существенное влияние электрического поля, на термодинамическое равновесие в системе этиловый спирт - вода, при высокой его концентрации. Такое влияние из термодинамических соображений было не понятно как объяснить. Тогда автор настоящей статьи решил, что такое снижение связано с дополнительным энергоподводом к жидкой фазе. И по этой причине аппараты с ЭГД распылом счел не перспективными.

В настоящей статье предлагается оригинальный электрокинетический механизм создания разности концентрации между жидкостью и паром в электрическом поле высокой напряженности, который может полностью подавить термодинамически равновесную разность концентрации между жидкостью и паром в системе этиловый спирт-вода и объяснить наблюдаемое в экспериментах снижение разделяющей способности.

Для простоты сначала рассмотрим смесь двух жидкостей, молекулы которых имеют одинаковые массы и одинаковые дипольные моменты. Пусть концентрация молекул сорта А в паре равна Са, а концентрация молекул сорта В равна Св. Концентрация димеров спаренных молекул в паре сорта Саа зависит от вероятности каждой из молекул попасть в определенный объем пространства Уа* Са, - где Уа скорость молекулы сорта А. Поэтому скорость образования димеров сорта АА зависит от вероятности их одновременного попадания в определенную область пространства и коэффициента их образования Каа

Каа (УаСа) 2 (1);

Концентрация димеров сорта АА, Саа определяется из равенства скорости их образования и скорости их распада.

Каа(УаСа)2 = КРааСаа (2);

Саа = (УаСа)2 Каа/ КРаа (3);

Аналогичным образом можно посчитать концентрацию димеров сортов Сав , Свв и относительное содержание молекул сорта А в димерах:

2Саа + Сав

Хда =--------------------------------------- (4);

2Саа + 2Сав + 2Свв

Если учесть, что массы и скорости молекул сортов А и В равны, и равны так же и коэффициенты образования и распада их димеров, то получается, что относительное содержание молекул сорта А в димерах зависит только от их содержания в паре Са. На рисунке 1 показана зависимость средней концентрации компонента А в димерах по отношению к его концентрации в паре.

2( Са)2 + Са(1- Са)

Сда =------------------------------------------------- (5);

2( Са)2 + 2Са(1 - Са) +2(1 - Са)2

Изменение концентрации в димерах Сда/Са

1.4 1.2 1

0.8 0 . 6 0.4

0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 Содержание примеси А в паре Са

Рис. 1. Концентрация примеси А в димерах по отношению к её содержанию в паре

При малом содержании компонента А в паре, например при 1% его содержание в димерах в два раза меньше. Такое изменение концентрации примеси А носит чисто статистический характер. При малом содержании примеси в паре вероятность ее попасть в димеры в два раза меньше, чем у основной примеси.

На рисунке 2 показаны результаты аналогичных расчетов для смеси этиловый спирт вода.

Изменение концентрации спирта в димерах Сд/Сп 1.2

1

0.8

0.6 0.4 0.2

0 20 40 60 80 100 Концентрация спирта в паре Сп

Рис. 2. Измерение концентрации этилового спирта в димерах

Из рисунка видно, что концентрация спирта в димерах меньше, чем в паре практически во всем диапазоне концентрации. А при малых концентрациях даже в три раза. Это связано с тем, что молекулярная масса молекул воды в два с половиной раза меньше массы молекул спирта. Соответственно выше скорость молекул в паре и выше вероятность попасть в димеры.

В обычных условиях относительное содержание димеров в паре не велико. В водяном паре, находящемся в типичных для атмосферы условиях, относительное содержание димеров составляет 10-3 -10-4 [2]. Поэтому их влияние на фазовое равновесие не велико. При температуре 400 К [3] их содержание уже порядка процента. В электрическом поле высокой напряженности число димеров должно еще возрасти. Полярные молекулы в поле приобретают дополнительную энергию. В поле напряженностью 100Кв/см молекула воды, которая имеет дипольный момент 1.85, приобретает энергию цЕ/кТ ~1.1%. Это означает, что почти один процент молекул ориентирован вдоль электрического поля. Такая их взаимно согласованная

33

ориентация позволяет существенно увеличить вероятность образования димеров. А если еще учесть, что димер имеет дипольный момент в двое выше, а напряженность поля у поверхности капли, если каплю рассматривать как диэлектрический шар, то же в два раза выше, чем средняя по межэлектродному зазору, то относительна энергия димера в электрическом поле становится равна уже 4%. Если это так, то такая величина может существенно изменить состав паровой фазы и кинетику обмена молекулами между паром и поверхностью жидкости.

Для расчета концентрации димеров введем коэффициент их образования

Коб = Ке(цв + цв)Ек/КГ (6);

Где Ке - экспериментально определяемая поправка

- (ца + цв) суммарный дипольный момент димера;

- Ек напряженность электрического поля у поверхности капли.

ЭДдвв = Коб^в (1 -Спс))2 (7);

ЭДдвс = Коб Ув (ЬСпс^сСпс) (8);

Nдсс = Коб ^Спс)2 (9);

Образование димеров изменяет состав паровой фазы. А так как общее парциальное давление паровой смеси должно остаться прежним, то изменение его состава определим из равенства парциального давления молекул покидающих жидкость суммарному давлению компонентов паровой смеси.

Ржмв+Ржмс = Рмв + Рмс + Рдвв +Рдвс+Рдсс (10);

Ржмв+Ржмс = Nж(УвMв(1-Cжc) + VсMсCжc) (11);

Рмв + Рмс = Nмдп(VвMв(1 -Cпc) + УсMсCпc) (12);

Где

- Nж общее число молекул покидающих жидкость

- Cжc концентрация спирта в потоке молекул со стороны жидкости

- Nмдп общее число молекул и димеров в паровой фазе

- Cпc концентрация молекул спирта в паровой фазе

Рдвв = Nмдп V дввMдвв ^вв (13);

Рдвс = NмдсVдвсMдвс ^вс (14);

Рдсс = NмдпУдссMдсс ^дсс (15);

Где

Удвв,Mдвв, ЭДдвв скорость, молекулярная масса и концентрация димеров соответствующего сорта.

Уравнения 6-15 позволяют рассчитать число молекул спирта и воды, а также число димеров разного сорта в паровой фазе. Коэффициент Ке принимается постоянным для всех димеров. Его численное значение можно определить из соответствия расчетной величины сдвига фазового равновесия в системе этиловый спирт вода его экспериментальным значениям. На рис.3 приведены результаты расчетов при напряженности поля 100кВ/см и

Ке =2*10-6.

Для того, что бы посмотреть, как такое количество димеров может изменить состав капли, рассмотрим поток молекул воды и спирта, которые движутся к поверхности жидкости со стороны паровой фазы и поток со стороны жидкости. В равновесном состоянии оба потока должны быть равны.

Nмдп(Vв(1-Cпc)a + 2NдввVввa д + NдвcVввa д /2) = NжУв(1-Cжc)a (16); Nмдп(VcCпca + 2NдccVcca д + NвVдвсa д /2) = NжVсCжca (17);

В уравнениях 16,17 а коэффициент аккомодации одиночных молекул на поверхности жидкости. Молекулы в паровой фазе, в отличие от молекул связанных в жидкости, дополнительно имеют энергии поступательного и вращательного движения. Поэтому при ударе о поверхность жидкости только не большая часть молекул прилипает к жидкости. Для молекул воды только 3% оседает на поверхности [4]. Для молекул связанных в димеры коэффициент аккомодации а д может быть значительно выше, до 50%.

Рис. 3. Концентрация димеров разного сорта в паре: 1. Концентрация димеров вода-вода.

2. Концентрация смешанных димеров вода-спирт. 3. Концентрация димеров спирт-спирт

Из двух молекул, связанных в димеры, одна оседает на поверхности жидкости, а другая уносит избыточную энергию поступательного и вращательного движения. На рисунке 4 показано, как взаимосвязаны концентрация спирта в паре с димерами и какая может быть концентрация спирта при этом в каплях. Расчеты приведены при средней напряженности электрического поля в паре у поверхности капли 100 кВт см и коэффициенте Ке = 2*10-6.

На рисунке видно, что при концентрации спирта 0-76% мольных электрокинетическое смещение имеет положительное значение. Концентрация в паре на несколько процентов выше, чем в каплях. При концентрации спирта выше 76%, наоборот концентрация в паре меньше, чем в жидкости. На рис. № 5 показаны те же зависимости при высоких концентрациях. На рисунке видно, что при концентрации спирта 85% мольных, что примерно соответствует 95% объемных, графики № 1 и 2 расположены по разную сторону от диагонали примерно на одинаковое смещение. При этой концентрации электрокинетический сдвиг по величине равен термодинамически равновесному. Это в принципе может объяснить, почему в аппарате 3-метровой высоты не удается получить спирт крепостью выше 85% мольных.

100 80 60 40 20 0

0 20 40 60 80 100 Концентрация спирта в жидкости

Рис. 4. Электрокинетическое смещение фазового равновесия: 1. Диаграмма равновесия этиловыш спирт-вода, мол. %>.

2. Электрокинетическое смещение равновесия спирт-вода 35

Концентрация спирта в паре

2

В предложенной модели напряженность поля на поверхности капли 100 кВт/см. и коэффициент Ке = 2*10-6 выбраны условно. При такой их величине модель позволяет объяснить экспериментальные результаты при средней напряженности поля в межэлектродном промежутке 35 кВт/см. На самом деле напряженность электрического поля на поверхности капли может быть другой. Поскольку капли формируются на заостренной кромке в сильно неоднородном поле. Кроме того капли сильно заряжены и имеют размер порядка нескольких микрон. Соответственно и другим тогда будет Ке.

95 90

85

80 75

Рис. 5. Электрокинетическое смещение фазового равновесия при высоких концентрациях спирта: 1. Диаграмма равновесия этиловый спирт-вода, мол.

2. Электрокинетическое смещение равновесия спирт-вода

Возможность создания электрокинетической разности концентрации полярных молекул между жидкостью и паром в электрическом поле высокой напряженности создает предпосылки для организации принципиально нового способа разделения схожего с ректификацией. Оригинальной особенностью такого способа является то, что разделять можно практически одинаковые молекулы. Разделение носит чисто статистический характер. Зависит от концентрации целевого компонента в паре и вероятности образования его димеров. Способ такого разделения пока не опробован. Однако основные предпосылки для его осуществления представляются достаточно убедительными. А именно:

-Значительное - в два раза, относительное изменение концентрации целевого компонента при образовании димеров;

- Несмотря на то, что скорость движения димеров в 1,4 раза меньше скорости движения одиночных молекул, количество переносимых ими молекул в 1,4 раза больше, даже без учета кинетики их дрейфа в сильно не однородном электрическом поле;

- Вероятность аккомодации димерных молекул к поверхности жидкости почти в 17 раз выше, чем одиночных молекул;

Проведенные выше грубые оценочные расчеты показали, что если число димеров имеет порядок нескольких процентов, то такое их количество может создать практически значимую кинетическую разность концентрации между паром и жидкостью в каплях. При этом остается открытым вопрос, какая для этого должна быть напряженность электрического поля. Обнадеживает то, что в электрическом поле высокой напряженности должна возрастать вероятность образования димеров за счет диполь дипольного взаимодействия полярных молекул. Энергия такого взаимодействия, например для ацетонитрила [5] равна 20 кДж моль, что составляет половину энергии фазового перехода жидкость пар. Кроме того, как показал опыт эксплуатации аппаратов с ЭГД распылом жидкости при соблюдении определенных конструктивных и режимных параметров имеется приличный запас по пробивной прочности паровой фазы.

Количественные оценки по предложенной модели, возможного коэффициента разделения изотопов углерода и азота для ацетонитрила могут составить величину 1,3 что вполне

Концентрация спирта в паре

/

/ / ■

ж>

70 75 80 85 90 Концентрация спирта в жидкости

достаточно для их предварительного извлечения и концентрирования до 30% в аппаратах с ЭГД диспергированием жидкости.

Автор статьи имеет многолетний опыт разработки и эксплуатации различных, в том числе и патентоспособных конструкций с электрогидродинамическим распылом жидкости. К сожалению почти 20 лет назад был вынужден прекратить исследования, но может и заинтересован их продолжить или передать наработанный опыт их эксплуатации.

Список литературы

1. Болога М.К., Максимук Е.П. Регенерация технологических жидкостей в электрическом поле. Международная конференция "Fizika-2005". Баку. № 114. С. 430-433.

2. Третьяков М.Ю., Кошелев М.А., Серов В.В., Паршин В.В, Одинцова Т.А., Бубнов Г.М. Димеры воды и атмосферный континуум. УФН. Т. 184, 2014. № 11. С. 1199-1214.

3. Храпатый С.В., Махлайчук В.Н. Константа равновесия димеризации молекул насыщенного пара тяжелой воды согласно второму вириальному коэффициенту уравнения состояния. Вюник ХНУ. № 1113. Серм 'фзика". Вип.20, 2014. С. 16-19.

4. Шиняев Б.М., Дубрович Н.А. О роли коэффициента аккомодации в механизме испарения. Ленинградский гидрометеорологический институт, труды выпуск 38, 1971. С. 101-106.

5. Фадеев Ю.А., Слтанова Е.В. Изучение межмолекулярного взаимодействия полярных молекул в твердых растворах с неупорядоченной микроструктурой. Ползуновский вестник. № 2, 2006. С. 49-52.

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ В ПРИЛОЖЕНИИ

ASP.NET MVC Хасенов Е.А.1, Санкибаев А.Т.2

'Хасенов Есиль Адикенович — кандидат физико-математических наук, доцент;

2Санкибаев Арман Темирханович — магистрант, кафедра информатики и информационной безопасности, Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана, Республика Казахстан

Аннотация: в статье рассматривается проблема визуализации больших объемов данных, которая заключается в создании модуля для информационно-аналитической системы, с помощью средств веб-разработки. Показан подход к решению задачи визуализации больших объемов данных, обеспечивающий анализ и правильную интерпретацию результатов вычислений, а также дальнейшую работу с вычислительной моделью. Ключевые слова: визуализация, график, ASP .NETMVC, Highcharts, jQuery.

УДК 004.81: 004.89

Построение моделей - универсальный способ изучения окружающего мира, позволяющий обнаруживать зависимости, прогнозировать, разбивать на группы и решать множество других задач. Основная цель моделирования в том, что модель должна достаточно хорошо отображать функционирование моделируемой системы [1].

Чтобы получить новые знания об исследуемом объекте или явлений, не обязательно строить сложные модели. Часто достаточно посмотреть данные в нужном виде, чтобы сделать определенные выводы или выдвинуть предположение о характере зависимостей в системе, получить ответ на интересующий вопрос. Это помогает сделать визуализация [1].

Все большую популярность приобретает язык JavaScript как средство визуализации данных на веб-интерфейсе. На текущий момент существует много JavaScript - библиотек визуализации данных.

Одной из самых популярных библиотек для построения графиков с помощью JavaScript является Highcharts. В Highcharts имеется много удобных функции и дополнений. Поддерживается во всех основных браузерах: Mozilla Firefox, Google Chrome, Safari, в Internet Explorer. С графиками можно взаимодействовать: менять масштаб, отключать ненужные графики или подсвечивать необходимые, добавлять новые точки, использовать обработчики нажатий кнопки мыши, надписи и т.п.; входные данные можно считывать из локального файла,