Диссертация (Исследование термодиффузии в разреженных трехкомпонентных газовых системах при различных концентрациях и температурах)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«Национальный исследовательский университет «МЭИ»На правах рукописиМакеенкова Ольга АндреевнаИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИФФУЗИИ В РАЗРЕЖЕННЫХТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ГАЗОВЫХ СИСТЕМАХ ПРИРАЗЛИЧНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХСпециальность:01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаДиссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук,профессор А.Ф.

БогатыревМосква – 2015СОДЕРЖАНИЕСписок использованных обозначений .................................................................... 4Введение ................................................................................................................... 61Теоретические методы описания термодиффузии в многокомпонентныхгазовых системах .................................................................................................... 141.1 Строгая кинетическая теория ....................................................................

141.2 Элементарная кинетическая теория .......................................................... 211.3 Описание термодиффузии в рамках термодинамикинеобратимыхпроцессов ............................................................................................................ 291.4 Обзорэкспериментальныхисследованийпотермодиффузиивмногокомпонентных газовых системах ............................................................ 342Экспериментальные методы исследования термодиффузии в газовыхсмесях .....................................................................................................................

442.1 Характеристики термодиффузии в газовых системах .............................. 442.2 Двухколбовый метод .................................................................................. 462.3 Метод разделительных «качелей» (качающийся разделитель) ............... 482.4 Термодиффузионная колонна .................................................................... 502.5 Установка и методика исследования термодиффузионного разделения втрехкомпонентных газовых системах ............................................................... 522.5.1Описание установки ......................................................................

522.5.2Методика исследования термодиффузионного разделения втрехкомпонентных газовых системах ....................................................... 572.6 Методикаопределениятермодиффузионнойпостояннойвмногокомпонентных газовых системах из экспериментальных данных ........ 673Термодиффузия в разреженных трехкомпонентных газовых системах .

723.1 Результаты эксперимента и расчета по строгой кинетической теории ... 723.2 Полуэмпирический метод расчета термодиффузионных характеристик втрехкомпонентных газовых системах ...............................................................

873.2.1Сравнение экспериментальных и расчетных данных .................. 912Основные результаты и выводы .......................................................................... 112Литература ............................................................................................................ 114Приложение ААнализпогрешностивыполненныхизмерений............................................................................................................................... 130Приложение Б Результаты экспериментального исследования разреженныхтрехкомпонентных газовых смесей .................................................................... 1383СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙp– давление газа, МПа;T1, T2– температурахолодной и горячей областей двухколбовогоаппарата, К;V– объем, м3;ρ– плотность, кг/м3;β–n– число компонентов в газовой смеси;i, j– номера компонентов в газовой смеси;kij–отношение компонентов i и j газовой смеси;xij–мольная доля компонента i в бинарной смеси газов;xi– мольная доля компонента i в многокомпонентной смеси газов;xiTk– мольнаяпреломляющее усилие;доля компонента i в многокомпонентной смеси газов притемпературе Tk;xijTk– мольная доля компонента i в бинарной смеси газов притемпературе Tk;xij– изменение состава газовой смеси для i-го компонента в результатетермодиффузии в бинарной газовой смеси;xi– изменение состава газовой смеси для i-го компонента в результатетермодиффузии в многокомпонентной газовой смеси;qij– коэффициент разделения газовой смеси;kTi– термодиффузионное отношение в многокомпонентной смеси;kTij– термодиффузионное отношение в бинарной смеси; Tijbin– теоретическое значение термодиффузионной постоянной (ТДП) вбинарной газовой смеси; Tijtrn– теоретическое значение ТДП в трехкомпонентной газовой смеси ; Tijmlt– теоретическое значение ТДП в многокомпонентной газовойсмеси;4Tijtrn– экспериментальное значение ТДП в трехкомпонентной газовойсмеси;mi– масса молекулы i-го компонента, кг;γij– термодиффузионные коэффициенты для многокомпонентнойсмеси;f V1T2V2T1– геометрический фактор установки;Δ(i)–абсолютная ошибка определения величины i;δ(i)–относительная ошибка определения величины i, %;ε(i)– отклонение экспериментального значения величины i отрасчетного, %;σi и εi– параметры потенциала Леннарда-Джонса для однородныхмолекул;σij и εij– параметры потенциала Леннарда-Джонса для разнородныхмолекул;5ВВЕДЕНИЕАктуальность проблемыРешение задач тепломассообмена необходимо во многих областях наукии техники [1 – 5].

Методы расчета тепло- и массообмена в различныхтехнологических аппаратах обладают своими особенностями. Однако все онииспользуют соответствующие коэффициенты, характеризующие транспортныесвойства веществ, участвующих в том или ином процессе.Большинство технологических процессов протекает в неизотермическихусловиях, при этом значительное их число происходит в газовой среде.Неизотермическая среда в газах приводит к появлению ряда сопутствующихфизическихпроцессов:диффузии,термодиффузии,теплопроводности,скольжения, диффузионного и термодиффузионного бароэффектов и т.д.Каждый из них характеризуется своими теплофизическими коэффициентами.Современная справочная литература содержит в основном данные посвойствам чистых веществ и частично бинарных смесей этих веществ [6,7]. Вто время как в подавляющем большинстве случаев практический интереспредставляют именно смеси газов.Одним из процессов, протекающих в газах в неизотермических условиях,является термодиффузия.

Явление термодиффузии теоретически было открытоЭнскогом и Чепменом в 1911-1916 гг. при рассмотрении явлений переноса врамках кинетической теории [8 – 10] и экспериментально подтвержденоЧепменом и Дутсоном в 1917 году [11].Явление термодиффузии заключается в изменении состава газовой смесив горячей и холодной областях при наложении на нее градиента температур.При этом в бинарной смеси газов, как правило, область с большейтемпературой обогащается более легким по массе компонентом, а холодная –более тяжелым. В многокомпонентных системах обогащение тем или инымкомпонентом зависит от состава смеси и газов, участвующих в процессе [12].6Термодиффузия относится к так называемым «слабым» эффектам, илиэффектам второго порядка малости, однако она весьма чувствительна кпараметрам потенциалов межмолекулярного взаимодействия [13,14].

Явлениетермодиффузии во многих процессах является определяющим и имеетсамостоятельный характер. Это проявляется, например, при очистке иразделении смесей газов и изотопов; извлечении различных нефтепродуктов;получении особо чистых веществ; процессах, протекающих в атмосферахпланет, высокотемпературной плазме, и многих других [5, 15 – 29].Во многих случаях термодиффузия является процессом, который можетсущественно воздействовать на течение других процессов или вызывать ихпоявление, в частности, в вопросах фазового равновесия, многофазнойфильтрации, сорбции, дегазации, гидратации, выпадения газоконденсата идругих процессов, связанных с нефтегазовым комплексом [30,31].

В этомслучаенеобходимолибовводитьсоответствующуюпоправкунатермодиффузию, либо исключать ее влияние.В настоящее время процесс термодиффузии может быть описан двумятеориями: кинетической и термодинамической. В кинетической теории в своюочередь выделяют две: элементарную и строгую. В основе элементарнойкинетической теории [32 – 37] лежит концепция длины свободного пробега илокально равновесная функция распределения молекул по скоростям (функцияМаксвелла). В основе строгой кинетической теории [8 – 10, 38 – 41] лежитнеравновесная функция распределения молекул по скоростям, с помощьюкоторойвычисляютсявекторыплотностейпотоковмолекул.Саманеравновесная функция находится из решения уравнения Больцмана [38 – 40].Обе эти теории развивались параллельно.

При описании термодиффузиибольшинство исследователей отдает предпочтение строгой кинетическойтеории. Однако еще в 1967 году в работе [42] была показана эквивалентностьстрогой и элементарной теорий.Термодинамическаятеориятермодиффузииразвитаврамкахтермодинамики необратимых процессов [43 – 46]. Согласно этой теории,7непосредственноевычислениесоответствующихкоэффициентов,характеризующих термодиффузию, невозможно. Однако можно оценитьзависимость коэффициентов от термодинамических параметров. То есть,можно получить зависимость термодиффузионной постоянной (ТДП) отдавления, температуры процессов и состава смеси [45 – 47]. Использованиеэтой теории для описания термодиффузии требует знания зависимостихимического потенциала смеси газов и энтальпии от термодинамическихпараметров.

В связи со сложностью определения указанных зависимостей,данная теория не получила широкого распространения.Как было отмечено выше, наибольшее распространение для описаниятермодиффузии получила строгая кинетическая теория. В первую очередьпроверялась возможность расчетов по данной теории ТДП для бинарныхсмесей газов и изотопов [14,48 – 55].

Следует отметить, что к настоящемувремени исследовано термодиффузионное разделение для около 60 бинарныхгазовых систем, и получены значения термодиффузионных характеристикпримерно для 2500 смесей газов. Однако, как следует из проведенногоразличными исследователями анализа, расчеты по строгой кинетическойтеории не всегда приводят к согласию между теорией и экспериментом,наблюдаютсярасхождениякаккачественного,такиколичественногохарактера. При этом большинство авторов для определения параметровпотенциалов взаимодействия разнородных молекул используют те или иныеправила комбинирования параметров потенциалов чистых компонентов[14,51,53,54].Для согласования теории с экспериментом очень часто используют такназываемыетрехпараметрическиепотенциалы,вкоторыхвводитсяиндивидуальный потенциал разнородных взаимодействий [13,56,57]. Этиметоды приводят к согласию теории и эксперимента, но для вычисленияпараметровпотенциаларазнородныхвзаимодействийнеобходимысоответствующие экспериментальные данные по транспортным свойствамисследуемой смеси газов.8Существуют определенные сложности и при описании в рамках строгой иэлементарнойкинетическихтеорийпроцессатермодиффузиивмногокомпонентных смесях газов.