CC BY
17
УДК 533.15
В. Н. Шекуров, М. Е. Кирягина ВЫБОР МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИФФУЗИИ ПАРОВ ЖИДКОСТЕЙ В ГАЗЫ
Ключевые слова: диффузия, хроматография.
Приводится описание экспериментальной установки, реализующей хроматографический метод, позволяющей с малыми затратами времени определять коэффициенты взаимной диффузии (КВД) в широком диапазоне температур и давлений.
^y/words: diffusion, chromatography.
Description of experimental apparatus realizing chromatographic method, allowing a small amount of time to determine mutual diffusion coefficients (HPC) in a wide range of temperatures and pressures.
Существующие экспериментальные способы определения коэффициентов взаимной диффузии (КВД) жидкостей в газы (метод Стефана, испарения в замкнутом объеме, диффузии через пористую перегородку, стационарный проточный метод имеют точность до 5%. Недостатками данных методов являются большое время проведения опытов (до 30 ч), невозможность проведения измерения при температурах выше точки кипения жидкостей. Более высокая точность определения требует более сложного оборудования и значительного увеличения времени проведения эксперимента. Если учесть, что в настоящее время в каждом из используемых методов определение одного КВД включает в себя ряд отдельных замеров, то понятно, почему так много времени затрачивается на получение каждого надежного значения коэффициента диффузии.
Наиболее быстрый метод определения КВД -хроматографический. На каждый коэффициент диффузии затрачивается 900-1200 с, позволяет в течение часа получать по 7-10 результатов отдельных замеров для определения каждого коэффициента [1]. Такое количество способствует устранению случайных ошибок, увеличивает точность и достоверность результатов.
Хроматографический метод является абсолютным, позволяет определять КВД парогазовых систем в широком диапазоне изменения температуры и давления. Точность определения КВД составляет 1-2% при атмосферном давлении и 3-4% при повышенных давлениях. Поэтому в настоящей работе был применен данный метод. В случае существенного отклонения экспериментальных результатов
от литературных значений, достоверность результатов подтверждалась измерением КВД методом Стефана.
Создана экспериментальная установка и разработана новая методика измерения КВД парогазовых систем, реализующая
хроматографический метод. Установка позволяет измерить коэффициенты в диапазоне температур от 290 К до 440 К и давлений от атмосферы до 2,4 МПа. С целью повышения надежности и точности определения КВД, дозированная малая по величине проба вводится непосредственно в
хроматографическую колонку, процесс размывания
пробы осуществляется при постоянной строго стабилизированной малой скорости газа-носителя, а извлечение КВД производится, обрабатывая только передний фронт снятой хроматограммы.
Дозирование вводимой пробы осуществляется путем подачи паров жидкостей в виде пробки длиной 8 мм в количестве 10-7 - 10-2 мг с помощью двух специально разработанных оригинальных устройств, ввода пробы: до давления 2 МПа проба вводилась иглой-поршнем, выше давления 2 МПа -краном-дозатором.
Стабильность скорости потока газа-носителя достигается введением в газовую линию хроматографа, после регулятора давления, постоянного дросселя. Постоянный дроссель представляет собой трубку длиной 30 мм с внутренним диаметром 0,5 мм. Проходное сечение равное (0,01-1,6) 10-3 мм2 достигается путем пережима данной трубки. Введение в газовую схему хроматографа постоянного дросселя привело к тому, что скорость потока газа-носителя равная 0,1-0,5 см/с изменялась в течение 2-3 часов не более чем на 0,3%.
Экспериментально определено, что задний фронт хроматографических пиков размывается
значительно больше, чем предсказывает теория хроматографического метода определения КВД.
С переднего профиля снимались координаты 512 точек (высота и время фиксации). Значения КВД вычислялись, аппроксимируя эти точки уравнением гауссовской кривой, используя метод наименьших квадратов. Для одной и той же системы при одинаковых условиях снималось 7 хроматографических пиков. Результаты измерений усреднялись. Границы погрешности результатов измерения определились при доверительной вероятности равной 95 согласно рекомендациям изложенным в ГОСТ 8.207-76, ГОСТ 8.011-72, ГОСТ 11.002-73, ГОСТ 11.004-74. Точность эксперинтально найденных КВД составляет 1-2% при атмосферном давлении и 2-4% при повышенных давлениях.
Работоспособность установки была проверена сравнением измеренных значений КВД 21 парогазовой системы при нормальном давлении и для 2 систем в условиях сжатия с имеющимися данными других авторов. Отклонения от литературных значений порядка 2%.
Проведены измерения КВД 27 парогазовых систем при атмосферном давлении в диапазоне температур 290-440 К, 6 систем при давлении до 1,4 МПа, 2 системы при давлении до 4 МПа.
Проведено сравнение экспериментальных КВД с результатами расчета по уравнениям математической теории неоднородных газов и теории Дьяконова. Отклонения рассчитанных КВД от экспериментальных значений превышают экспериментальную погрешность измерений при атмосферном давлении в 6-10 раз и в 8-12 раз при повышенных давлениях. Таким образом, в настоящее время нет теорий предсказывающих значения КВД парогазовых систем с точностью экспериментальных измерений.
Проделаны вычисления параметров
межмолекулярного взаимодействия разноименных молекул по собственным экспериментальным КВД. Параметры межмолекулярного взаимодействия рассчитывались для потенциала (6-12) Леннард-Джонса по температурной зависимости КВД при нормальном давлении, используя метод наименьших квадратов.
На основании полученных параметров потенциала (6-12) Леннард-Джонса вычислены по известным теоретическим формулам значения КВД исследуемых систем. Проведено сравнение вычисленных КВД с экспериментальными данными. Расхождения составляют в среднем 2% при атмосферном давлении и 8-12% при повышенных давлениях, а максимальные отклонения достигают 16,9% при атмосферном давлении и 40% при повышенном давлении. Следовательно, применение новых параметров взаимодействия разноименных молекул полученных на основе собственных экспериментальных данных приводит к лучшему согласию.
Экспериментальные результаты были обобщены по энтропийному уравнению подобия. На основе которого можно легко произвести расчеты новых значений КВД в области параметров, где эксперименты не проводились. Точность вычислений соответствует точности
экспериментальных данных как собственных, так и других авторов.
Проверена работоспособность пяти
комбинационных соотношений параметров. эффективного потенциала (6-12) Леннард-Джонса и потенциала (6-12) Леннард-Джонса. Ни один из рассмотренных потенциалов не имеет преимуществ, при предсказании значений КВД парогазовых систем. Из исследованных комбинационных соотношений можно отдать предпочтение соотношениям предложенным Конгом. Они позволяют вычислять КВД парогазовых систем с участием аргона и двуокиси углерода со средним отклонением 7% при максимальном отклонении в 17%. Наибольшие отклонения выявлены для парогазовых систем с участием гелия. Рассчитанные значения КВД паров в гелий отклоняются от экспериментальных результатов, даже при использовании соотношений Конга, в среднем на 10%, а максимальные отклонения достигают 32%,
В перспективе предполагается продолжить экспериментальное исследование процесса молекулярной диффузии в более широких диапазонах температур и давлений. Планируется использовать вычисленные параметры
межмолекулярного взаимодействия разноименных молекул в расчетах других свойств тепло- и массопереноса. Созданный метод
экспериментального определения КВД можно модифицировать для определения коэффициентов диффузии в многокомпонентных газовых средах [2].
Литература
1. Шекуров В.Н., Таренко Б.И., Бережной А.Н, Устройство ввода пробы паров жидкостей при измерении коэффициентов взаимной диффузии хроматографическим методом. Вестник Казанского технологического университета. Т. 17.№5; 2014. - 207С.
2. Таренко Б.И., Бережной А.Н., Шекуров В.Н. Экспериментальное определение коэффициентов диффузии в тройных парогазовых системах. Вестник Казанского технологического университета: №11; 2010.-457-460С.
© В. Н. Шекуров - канд. техн. наук, доц. каф. инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ, 6a1@mail.ru; M. E. Кирягина - ст. препод. каф. инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ, marina7011960@yandex.ru.
© V. N. Shekurov - candidate. tech. Sciences, Assoc. DEP. engineering computer graphics and computer-aided design of KNRTU, 6a1@mail.ru; M. E. Kiralina - senior lecturer, DEP. engineering computer graphics and computer-aided design of KNRTU, marina7011960@yandex.ru.
