авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Кинетика испарения и конденсации органических веществ и воды в присутствии неконденсирующихся газов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Каширская Ольга Александровна

КИНЕТИКА ИСПАРЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ

ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И ВОДЫ В ПРИСУТСТВИИ НЕКОНДЕНСИРУЮЩИХСЯ ГАЗОВ

02.00.04 – физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Москва 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Дильман Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

профессор

Товбин Юрий Константинович

(ФГУП «НИФХИ им. Карпова»)

доктор химических наук,

профессор

Алиханян Андрей Сосович

(ИОНХ РАН)

Ведущая организация: Российский химико-технологический

университет им. Д.И. Менделеева

Защита диссертации состоится «23» ноября 2010 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 002.021.02 при Институте общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, д. 31. Автореферат см. на сайте www.igic-ras.ru

C диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН.

Автореферат разослан «22» октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат химических наук, доцент Л.И. Очертянова

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Процессы испарения и конденсации, обеспечивающие круговорот воды на земле, активно используются человеком в промышленности. Они встречаются во многих процессах производства различных продуктов, при разделении смесей, ректификации (в том числе каталитической), абсорбции, хемосорбции, выпаривании и др. Практический интерес представляют как стационарные, так и нестационарные режимы испарения и конденсации.

Межфазный перенос является важнейшей составляющей этих процессов и часто лимитирует скорость процесса. Показано, что плотностная конвекция, возникающая из-за разности молекулярных масс принимающего газа МВ и испаряющегося вещества МА, существенно ускоряет отвод вещества от поверхности испарения и значительно повышает скорость процесса. При испарении многокомпонентных жидких систем, где один из компонентов имеет большую молекулярную массу, чем принимающий инертный газ, а другой – меньшую можно подбирать состав испаряющейся смеси так, что процесс будет идти в заданном режиме: либо оба компонента испаряются в медленном молекулярном режиме, либо в газовой фазе возникнет конвективное перемешивание. В диссертации впервые отмечено, что такое кооперативное взаимодействие компонентов друг с другом наблюдается и в процессе конденсации, но если испарение идет в конвективном режиме при MA<MB, то конденсация будет проходить в молекулярном и наоборот. Это связано с тем, что меняется направление процесса относительно вектора силы тяжести.

Диссертационная работа посвящена экспериментальному изучению концентрационной гравитационной конвекции на примере массопереноса в бинарных и многокомпонентных парогазовых системах при нестационарном испарении и конденсации на плоской охлаждаемой поверхности в присутствии не растворяющегося в жидкости (инертного) газа. На основе опытных данных даны объяснения этого явления, в том числе в области, где имеет место кооперативное взаимодействие компонентов. Рассмотрены математические методы исследования особенностей этих процессов.



Цель и задачи работы.

Цель работы задается стремлением восполнить существующий пробел в научных представлениях о конвективных процессах переноса вещества в поле сил тяжести. Она определяется, как экспериментальное и теоретическое изучение влияния молекулярных масс компонентов на кинетику и механизм нестационарных процессов испарения и конденсации чистых жидкостей и их бинарных растворов в присутствии инертного газа в закрытой цилиндрической ячейке.

Диссертация посвящена решению следующих задач:

  • Установить взаимосвязь величин молекулярных масс компонентов парогазовой смеси и механизма массопереноса в опытах по конденсации паров воды и органических веществ на плоской горизонтальной охлаждаемой поверхности из их насыщенной парогазовой смеси c инертным газом.
  • Проверить, имеет ли место кооперативное взаимодействие компонентов пара в процессе нестационарной конденсации на плоской охлаждаемой поверхности массообменной ячейки.
  • Рассмотреть процессы конденсации и испарения во взаимосвязи как однородные в цикле фазовых переходов первого рода.
  • Найти математическую форму, позволяющую описывать с единых позиций экспериментальные данные в области явлений гравитационной концентрационной конвекции, как для испарения, так и для конденсации.
  • Найти ранее неизвестные коэффициенты ускорения процесса переноса вещества k=DE/DAB при конденсации в конвективном режиме, а также измерить коэффициенты диффузии при испарении для ряда новых систем и условий.
  • Определить условия существования аномальных режимов стационарной трехкомпонентной диффузии паров в трубке Стефана.

Научная новизна.

  1. Исследована динамика нестационарной конденсации органических веществ и воды на плоской горизонтальной охлаждаемой поверхности в замкнутых массообменных ячейках в присутствии неконденсирующихся газов и впервые выявлены два режима протекания этого процесса: молекулярный и конвективный.
  2. Экспериментально показана существенная разница скоростей родственных процессов испарения и конденсации (явление гистерезиса), протекающих в одной и той же парогазовой системе. Показано, что в замкнутых ячейках формула Стефана не может быть использована при одном и том же коэффициенте переноса для расчета потоков пара в рассматриваемых процессах, как это предлагается в литературе.
  3. Введено понятие о коэффициенте интенсификации процесса переноса за счет концентрационной гравитационной конвекции в изотермических процессах испарения и конденсации на охлаждаемых поверхностях замкнутых ячеек. Предложено математическое описание этих процессов.
  4. Обнаружено кооперативное взаимодействие компонентов в процессе нестационарной конденсации этанола с водой на плоской охлаждаемой поверхности в присутствии воздуха.
  5. Расширен диапазон изменяемых параметров (температура, физико-химические свойства веществ) при изучении испарения и конденсации в конвективном режиме.

Практическая значимость.

Полученные в работе результаты по кинетике испарения и конденсации могут быть использованы для создания научно обоснованных методов расчета процессов нестационарного массообмена, при выборе оптимальных условий таких важных производственных процессов как сушка, дистилляция в токе инертного газа с водяным паром, сублимация и др. Понимание механизма гравитационной конвекции при испарении и конденсации дает возможность управлять ходом этих процессов. Например, можно использовать ускорение или замедление соответствующего процесса в качестве технологических приемов в промышленности.

На защиту выносятся:

    1. Экспериментальные методики, позволяющие определять коэффициенты молекулярной и конвективной диффузии, а также момент бифуркации режимов при конденсации паров вещества из насыщенной ими парогазовой смеси на плоской охлаждаемой поверхности.
    2. Экспериментальные данные по динамике нестационарных процессов испарения и конденсации в замкнутом пространстве в присутствие инертного газа для различных бинарных и многокомпонентных систем.
    3. Результаты вычислительного эксперимента по исследованию аномальных режимов трехкомпонентной диффузии в трубке Стефана.
    4. Математическое выражение, позволяющее приближенно описывать кинетику нестационарного испарения и конденсации, как в молекулярном режиме, так и в режиме концентрационной конвекции.

Личный вклад автора заключается в выборе методов и объектов исследования с учетом их специфики, планировании и проведении физических экспериментов и их последующей обработке, модернизации установок по изучению испарения и сборке новой установки по исследованию процесса нестационарной конденсации на охлаждаемой поверхности, отработке методики ведения эксперимента. Осуществление вычислительного эксперимента, анализ полученных результатов, подготовка и написание статей, автореферата, диссертации и докладов на научных конференциях.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на конференциях:

Международная конференция по химической технологии ХТ`07 (посвященная 100-летию со дня рождения академика Н.М. Жаворонкова), Москва, ИОНХ РАН, 2007; Международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ`07 и МКХТ`08, Москва, РХТУ им. Д.И. Менделеева; 18th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2008, Prague, Czech Republic; Международный симпозиум, посвященный 175-летию со дня рождения Д.И. Менделеева, Москва, РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009; XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2009; 7th European Congress of Chemical Engineering 7 and 19th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2010, Prague, Czech Republic.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и 7 тезисов докладов на Российских и международных конференциях.

Объем работы:

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, теоретической и экспериментальной частей работы, результатов и обсуждений, выводов, содержит 107 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 3 таблицы, список литературы из 94 источников на 9 страницах и дополнена 3 приложениями на 8 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение.

Обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследовании, показана научная новизна, практическая ценность, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Обзор литературы.

Глава посвящена развитию и современному состоянию теории стационарных и нестационарных изотермических процессов испарения и конденсации в замкнутых массообменных ячейках и трубках Стефана, особое внимание уделено процессам, сопровождающимся концентрационной гравитационной конвекцией. Отражены механизмы молекулярного и конвективного переноса вещества.

В 1855 г. были сформулированы законы Фика для описания диффузии в бинарных системах. В 1872 г. в своей работе Стефан впервые подчеркнул значение дополнительного потока, ускоряющего движение испаряющегося компонента и возникающего в трубке Стефана (трубка с открытым концом, сообщающимся с атмосферой) при испарении вещества в инертный газ.

Многокомпонентную диффузию в газовой фазе с учетом стефановских потоков, возникающих и в бинарных системах, рассчитывают на основе дифференциальных уравнений Стефана–Максвелла. Эти уравнения связывают градиенты концентраций отдельных компонентов с их потоками при стационарном режиме диффузии, но потоки компонентов записаны в неявном виде, что усложняет использование этих уравнений. Относительно простые решения получаются только для бинарных смесей. Решение уравнения для смеси, состоящей уже из трех компонентов, представляет большую сложность для практического использования из-за громоздкости получающихся выражений. Аналитические решения для трехкомпонентных систем получены для частных случаев: либо поток одного из компонентов равен нулю, либо потоки считаются эквимолярными, то есть сумма всех потоков в любом сечении трубки равна нулю. Точное решение для трехкомпонентной диффузии без ограничений, накладываемых на потоки, представлено в работе Дильмана (2009 г.), и оно использовалось для расчетов в диссертации.

Среди работ, посвященных изучению многокомпонентной диффузии, на мой взгляд, самыми выдающимися являются "пионерские" работы Тура (1962 г.), где автор впервые обнаружил аномальные режимы диффузии при изучении трехкомпонентных газовых систем (диффузионный барьер, осмотическая диффузия, реверсивная диффузия). Прошло уже почти полвека со дня открытия этого нового направления науки, результаты изучения которого могут послужить источником эффективных решений в технологии, а в литературе нет ни экспериментальных, ни вычислительных работ по изучению этого интересного и перспективного явления.





Рассмотрены работы, посвященные экспериментальной проверке уравнений Стефана–Максвелла, в которых впервые были измерены не только потоки компонентов, но и профили концентраций в трубке Стефана (это работы Хупса, 1951 г. и Карти и Шродта, 1975 г.).

Большой научный и практический интерес представляют процессы переноса с гравитационной конвекцией (возникающей в поле силы тяжести). Много работ было посвящено тепловой гравитационной конвекции, тогда как концентрационная конвекция в отсутствии градиента температуры остается мало изученной до сих пор. При изучении этого явления в Институте общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН обнаружено синергетическое взаимодействие компонентов парогазовой смеси при условии испарения компонентов с разной молекулярной массой в инертный газ молекулярной массы, имеющей промежуточное значение. В развитии этих работ в рамках диссертации проведены исследования гравитационно-концентрационной конвекции в процессе нестационарной конденсации, изучено кооперативное взаимодействие совместно конденсирующихся компонентов, расширена опытная база физико-химических свойств компонентов при испарении, проведено сопоставление процессов испарения и конденсации.

Глава 2. Теоретическая часть работы.

Приведены решения задач стационарной и нестационарной диффузии в ограниченной по длине трубке Стефана для испарения и конденсации.

В диссертации для расчетов используются приближенные методы: стационарная диффузия рассматривается на основании уравнений Стефана–Максвелла с постоянными бинарными коэффициентами Dij, а нестационарная – с помощью корреляции, формально совпадающей со вторым законом Фика:

, (1)

где DE=kDAB – эффективный коэффициент переноса, определяющийся экспериментально по приведенной ниже методике; k – коэффициент интенсификации процесса, с помощью которого может быть приближенно учтен перенос как молекулярными, так и конвективными потоками.

Проведен подробный анализ экспериментальной работы Карти и Шродта (1975 г.), посвященной проверке уравнений Стефана–Максвелла. В ней авторы допустили ряд неточностей. Например, вместо реальной длины трубки Стефана L=24,25 см для лучшего согласования с теорией они используют в расчетах длину L`=23,8 см, объясняя это тем, что на верхнем срезе происходит небольшая турбулизация потока, приводящая к уменьшению пути диффузии. Кроме того, экспериментальные потоки отличались от потоков, рассчитанных по точному решению уравнений Стефана–Максвелла при условии, что один из трех потоков равен нулю (формулы Джиллиленда, 1937 г.).

В диссертации показано, что экспериментальные данные авторов могут быть удовлетворительно согласованы с расчетными кривыми по уравнениям Стефана­­–Максвелла на основе реальной длины диффузионного канала, а также объяснены возможные причины других неточностей этой работы.

После анализа основных работ Тура по аномальным режимам, проведен вычислительный эксперимент по трехкомпонентной диффузии в газовой фазе. Распределение концентраций в трубке Стефана при испарении вычислено по уравнениям Стефана–Максвелла. Разработана методика нахождения условий, при которых возникают аномальные режимы диффузии. Вычислительный эксперимент проведен для газовых смесей: ацетон–метанол–воздух, водород–вода–диоксид углерода, водород–аммиак–азот.

В работе впервые отмечено, что аномальные режимы диффузии могут наблюдаться и в общем случае, а не только при эквимолярной трехкомпонентной диффузии или диффузии с инертным газом. (В работах Тура ввиду существенных математических сложностей существование таких режимов подтверждено лишь для этих случаев.)

Рис.1. Вычисленное распределение концентраций по длине трубки Стефана для системы водород(1)–аммиак(2)– азот(3), полученное с помощью вычислительного эксперимента.

В диссертации впервые приводятся рисунки, иллюстрирующие влияние аномальных режимов на профили концентраций по высоте трубки (рис.1.). Вычислено, что за счет механизмов осмотической и реверсивной диффузии, на отдельных участках трубки Стефана может быть достигнуто более чем двукратное повышение мольных долей водяных паров и аммиака по сравнению с концентрацией смесей газов на входе.

Из рис.1 видно, что на высоте трубки от 0,7 до 0,8 от ее длины концентрация аммиака возросла от 0,3 мол.д. на входе до 0,75 мол.д., хотя на верхнем срезе трубки аммиака остается только 0,1 мол.д. Этот факт можно использовать для эффективного извлечения аммиака из смеси газов, осуществляя отбор из той часть трубки, где концентрируется вещество.

Таким образом, уравнение Стефана–Максвелла, представляющее собой математическую модель многокомпонентной диффузии, построенную на учете только парных соударений молекул, допущении о постоянстве коэффициентов молекулярной диффузии, входящих в эти уравнения (хотя Гиршфельдер и Кертис показали, что это справедливо только для разреженных газов), правильно отражает основной вклад молекулярного и конвективного механизмов переноса вещества в многокомпонентную диффузию. Сложное взаимодействие этих двух механизмов переноса в определенных условиях приводит к аномальным режимам диффузии, которые не могут существовать в бинарных смесях.

Глава 3. Экспериментальная часть работы.

3.1. Экспериментальные установки и методики исследования динамики испарения и конденсации веществ на охлаждаемой поверхности.

Исследования нестационарного испарения последующей конденсации паров чистых веществ из инертного газа проводили на двух установках. На одной из них опыт поводили при постоянном давлении и изменяющемся объеме газовой фазы, а на другой – объем массообменной ячейки был постоянным, менялось давление.

Установка конденсации при постоянном давлении. Установка состояла из герметичной стеклянной ячейки цилиндрической формы (внутренний диаметр d=3,7 см, высота газового пространства H=16,6 см) и пленочного расходомера. Воздух в ячейке предварительно осушали. Принципиальная схема опытной установки показана на рис.2.

а б

Рис.2. Экспериментальная установка: а – испарение, б – конденсация: 1 – герметичная стеклянная ячейка; 2 – рубашка для обогрева ячейки; 3 – пленочный расходомер; 4 – штуцер для ввода вещества; 5 - штуцер для соединения с расходомером; 6 – штуцеры входа и выхода термостатирующей воды; 7 – емкость с охлаждающим агентом; 8 – подъемный столик.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.