CC BY
10
УДК 536.535
СПЕКТРАЛЬНАЯ ПОГЛОЩАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ГАЗООБРАЗНОГО ПРОПИЛЕНА
Д.В. КОСЕНКОВ, В.В. САГАДЕЕВ, В.А. АЛЯЕВ
Казанский национальный исследовательский технологический университет
Рассматриваются результаты экспериментальных исследований функции спектрального пропускания пропилена при повышенных давлениях и температурах.
Ключевые слова: пропилен, коэффициент поглощения, температура, давление.
Рациональное использование энергоресурсов в работе современных промышленных аппаратов возможно в случаях точных расчетов процессов переноса тепла [1, 2].
При наличии радиационного и радиационно-кондуктивного теплообмена точность расчетов во многом будет определяться надежностью радиационных характеристик сред, в первую очередь - спектральных коэффициентов поглощения.
Информация по спектрам пропускания углеводородов при атмосферном давлении и комнатной температуре в литературе представлена широко. Данные при повышенных параметрах состояния имеются в ограниченном количестве, что затрудняет их использование для расчета радиационных свойств углеводородов при повышенных давлениях и температурах.
Разработана экспериментальная установка для измерения коэффициента поглощения в жидких и газообразных средах в инфракрасной области при различных термодинамических параметрах состояния [3]. Экспериментальная установка позволяет измерять функции спектрального пропускания газов и жидкостей при давлениях 0,1^10 МПа и температурах до 500 К, спектральный диапазон - 4000.. .400 см-1.
Учитывая все недостатки измерительных кювет предыдущих авторов [4, 5], была специально спроектирована кювета.
Объектом исследования является пропилен естественного изотопного состава. Наличие углеводородных примесей отвечает требованиям ГОСТ 25043-2013.
Инфракрасные спектры пропускания пропилена в газовой фазе при повышенных температуре и давлении в литературе отсутствуют.
Спектры пропускания газообразного пропилена измерены нами в интервалах
давлений 0,1-7 МПа и температур 303-374 К при толщине слоя 0,015 м с разрешением
-1
2 см .
Результаты измерений показывают, что давление и температура оказывают сильное влияние на оптические свойства газообразного пропилена.
В спектрах пропускания с ростом давления растет поглощение в центре и крыльях полос, при достижении полного поглощения в центре полосы продолжается рост поглощения в крыльях, полоса становится шире (рис. 1).
Повышение температуры приводит к уширению полос поглощения в спектре газообразного пропилена (рис. 2) и снижению интенсивности в центре полосы [6].
© Д.В. Косенков, В.В. Сагадеев, В.А. Аляев Проблемы энергетики, 2016, № 5-6
XV 1
0,75
0,5
0,25 0
1750 1790 1830 1870 1910 V, см-1
317 К,
8 17
Рис. 1. Функции спектрального пропускания полосы пропилена при температуре
оптическом пути ¿=1,5 см и различных давлениях Р: Кривая 1 2 3 4 5 6 7
Р, атм 1 3 5 8 10 12 15
1930 V, см-1
Рис. 2. Функции спектрального пропускания полосы пропилена при давлении 1 Мпа, оптическом пути ¿=1,5 см и различных температурах
Спектральные коэффициенты поглощения пропилена рассчитаны по закону Бугера-Ламберта-Бера при заданных параметрах состояния:
1пт,,
(1)
к=—
ь
где Ь - толщина слоя исследуемого газа.
Использование моделей полос [7, 8] не представляется возможным, так как они разработаны для области идеального газового состояния и не отражают свойства реальных газов.
Изотермы спектральных коэффициентов поглощения пропилена при давлениях до 0,6 МПа практически совпадают (рис.3).
ку, см-1
Рис.3. Зависимость спектрального коэффициента поглощения пропилена от давления
(газовая фаза, у=3200 см-1)
Это монотонно растущие кривые. Соответствуют они идеально-газовому состоянию. С ростом давления, по мере приближения к фазовому переходу, характер кривизны изотермы изменяется - они загибаются вверх. При фазовом переходе газ-жидкость ку должен увеличиваться скачком. Закритическая изотерма вблизи критического давления плавно огибает ее. На ней ку также достаточно сильно увеличивается.
Опытные данные при атмосферном давлении показывают, что интегральный коэффициент поглощения этилена при малых оптических толщинах слабо зависит от температуры газа [5]. Наши измерения для пропилена аналогичны (рис. 4). При приближении к пограничной кривой линии отклоняются вверх.
к см-1
1,6
1,2 4.2 МПа
0,8 ЛИНИЯ насыщения 4 ■ 3,7
0,4 ------- -—-•.. —-3.1 —.2,5 —. 2 - 1,7 \
0 0,7
300 320 340 360 380 Т,К
Рис. 4. Зависимость спектрального коэффициента поглощения пропилена от температуры
(газовая фаза, у=3200 см-1)
Анализ зависимостей спектральных коэффициентов поглощения пропилена от давления и температуры в газовой фазе показал, что при низких давлениях в области идеального газа увеличение поглощения связано с изменением полуширин спектральных линий. При повышении давления на спектральные коэффициенты поглощения начинают оказывать влияние межмолекулярные взаимодействия [9], что приводит к усилению имеющихся и возникновению новых полос поглощения, неразрешенных в инфракрасной области при нормальных параметрах состояния.
Изменяется профиль полосы. Увеличению спектральных коэффициентов поглощения способствует ассоциация молекул.
В таблице представлены спектральные коэффициенты поглощения полосы пропилена при температуре 361 К и различных давлениях с шагом 10 см-1, рассчитанные по уравнению
Ку =- ^, (2)
у РL
где Р - давление исследуемого газа в кювете.
Таблица
V, см-1 атм-1см-1 V, см-1 атм-1см-1 V, см-1 атм-1см-1 V, см-1 атм-1см-1
1 2 3 4 5 6 7 8
Р=0,3 МПа
1575 0,061 1495 0,214 1415 0,220 1335 0,029
1565 0,058 1485 0,296 1405 0,219 1325 0,030
1555 0,065 1475 0,393 1395 0,148 1315 0,024
1545 0,069 1465 0,353 1385 0,121 1305 0,021
1535 0,072 1455 0,326 1375 0,090 1295 0,021
1525 0,086 1445 0,519 1365 0,063 1285 0,018
1515 0,113 1435 0,344 1355 0,038 1275 0,015
1505 0,160 1425 0,258 1345 0,031 1265 0,014
Р=0,5 МПа
1575 0,073 1495 0,266 1415 0,276 1335 0,039
1565 0,076 1485 0,373 1405 0,274 1325 0,037
1555 0,081 1475 0,530 1395 0,277 1315 0,038
1545 0,085 1465 0,453 1385 0,186 1305 0,031
1535 0,090 1455 0,415 1375 0,151 1295 0,027
1525 0,106 1445 1,086 1365 0,112 1285 0,027
1515 0,140 1435 0,432 1355 0,078 1275 0,020
1505 0,198 1425 0,325 1345 0,048 1265 0,019
Р=0,7 МПа
1575 0,079 1495 0,282 1415 0,295 1335 0,041
1565 0,077 1485 0,408 1405 0,291 1325 0,039
1555 0,086 1475 1,096 1395 0,293 1315 0,040
1545 0,090 1465 0,559 1385 0,197 1305 0,032
1535 0,095 1455 0,493 1375 0,159 1295 0,029
1525 0,112 1445 1,096 1365 0,118 1285 0,028
1515 0,148 1435 0,637 1355 0,082 1275 0,024
1505 0,209 1425 0,349 1345 0,051 1265 0,020
Общий характер изменения спектрального коэффициента поглощения пропилена при высоких давлениях аналогичен с зависимостью от давления теплофизических свойств - плотности, вязкости, теплопроводности и т.д. Объясняется это тем, что одни и те же межмолекулярные взаимодействия ответственны за изменение этих свойств.
Располагая данными по оптическим свойствам любого органического вещества при повышенных параметрах состояния, можно рассчитать радиационную составляющую коэффициента теплопроводности, вклад которой достигает порядка 10 % [10].
Summary
Discusses the results of experimental studies of the function of the spectral transmittance of propylene at high pressures and temperatures.
Keywords: propylene, coefficient absorption, temperature, pressure.
Литература
1. Аляев В.А. Радиационно-кондуктивный теплообмен в плоских слоях органических жидкостей при повышенных температурах: дис. ... д-ра техн. наук / В.А. Аляев. Казань : Казан. гос. технол. ун-т, 2004. 311 с.
2. Сагадеев В.В. Тепловое излучение жидких металлов и сплавов / В.В. Сагадеев. Казань.: Изд-во КГТУ, 2008. 294 с.
3. Пальцев А.В. Экспериментальная установка для измерения ИК-спектров поглощения в околокритической области / А.В. Пальцев, Д.В. Косенков, К.Б. Панфилович // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т.17, № 8. С.260-261.
4. Бударин А.П. Оптические характеристики и радиационно-кондуктивный перенос тепла в плоском слое жидких н-бутана и н-гексана при давлениях до 10 МПа / В.А. Аляев, А.П. Бударин, П.И. Бударин, К.Б. Панфилович // Вестник Казан. гос. технол. ун-та. 2003. №2. С. 172-184.
5. Бударин П.И. Интегральные коэффициенты поглощения СО2 и С2Н4 (область фазового перехода и закритическое состояние): дис. ... канд. техн. наук / П.И. Бударин. Казан. хим.-технол. инт. Казань, 1984. 140 с.
6. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия / А. Смит: Пер. с англ. М. : Мир, 1982. 328 с.
7. Edwards D.K., and Menard W. Comparison of models for correlation of total Band аbsortюn. Appl Optics 3, 1964, p 621-625.
8. Тьен К.Л. Радиационные свойства газов / К.Л. Тьен. М.: Мир, 1971. С.280-360.
9. Пеннер С.С. Количественная молекулярная спектроскопия и излучательная способность газов / С.С. Пеннер. М, 1963. 492 с.
10. Аляев В.А., Панфилович К.Б. Радиационно-кондуктивный теплообмен в полупрозрачных органических жидкостях. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2003. 195 с.
Поступила в редакцию 13 апреля 2016 г.
Косенков Дмитрий Валерьевич - ассистент кафедры ВТЭУ Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). Тел.: 8(843) 231-43-74, 8-905-376-54-06. E-mail: dmi-kosenkov@yandex.ru.
Сагадеев Владимир Владимирович - доцент кафедры ВТЭУ Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). Тел.: 8-950-320-86-34. E-mail: v.sagadeev@mail.ru.
Аляев Валерий Алексеевич - профессор кафедры ВТЭУ Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ). Тел.: 8(843) 231-42-37. E-mail: alyaev@kstu.ru.
