"Журнал технической физики"
Издателям
Вышедшие номера
Эффект разделения компонентов при изотермическом смешении тройных газовых систем в условиях свободной конвекции
Косов В.Н.1, Селезнев В.Д.1, Жаврин Ю.И.1
1Научно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики при Казахском государственном университете им. Аль--Фараби, Алма-Ата, Казахстан
Поступила в редакцию: 24 января 1997 г.
Выставление онлайн: 19 сентября 1997 г.

1. Экспериментальные исследования изотермического смешения в тройных газовых смесях показали, что из них при определенных условиях (давление, температура, геометрические параметры диффузионного канала) возникают конвективные потоки, наложение которых на диффузию делает процесс неустойчивым [1-4]. Сравнительный анализ полученных в [1-4] результатов показал, что на некоторых стадиях конвективного смешивания происходит нарушение пропорциональности количества перенесенного через капилляр вещества по отношению к исходным значениям концентраций компонентов перед каналом. Это позволяет предположить, что при наличии развитых конвективных течений, характерных для неустойчивых систем, происходит концентрационное разделение компонентов системы, обусловленное, по-видимому, различием в коэффициентах диффузии. Цель данной работы заключается в экспериментальной проверке указанного предположения и анализе причин, вызывающих эффект. 2. Измерения проводились на установке, реализующей двухколбовый метод [1,2]. Геометрические параметры диффузионного аппарата следующие: объемы верхней и нижней колб составляют VI=214.6·10-6 m3 и VII=226.8·10-6 m3 соответственно; длина и диаметр канала L=0.165 m, d=6.1·10-3 m. Методика проведения эксперимента была общепринятой [2,5]. Изучался диффузионный перенос бинарной смеси в чистый компонент. Состав бинарной смеси при заданных давлении и температуре подбирался таким образом, чтобы ее плотность была меньше плотности однокомпонентного газа, находящегося в нижней части аппарата. Определялась зависимость количества продиффундировавших компонентов от времени при фиксированном начальном составе и постоянных условиях опыта. Каждый эксперимент при данных условиях проводился неоднократное количество раз и итоговые значения определялись как арифметическое среднее результата. На рис. 1 приведены значения концентраций компонентов при различных временах переноса для систем 0.5673H2(1)+0.4327Ar(2)-N2; 0.6210He(1)+0.3790R12(2)-H-C4H10(3) (в скобках у химических символов указана нумерация компонентов). В первые часы диффузионно неустойчивого режима наблюдается аномальное для развитых конвективных течений концентрационное разделение элементов бинарной смеси, которое заключается в повышенном содержании тяжелого компонента в нижней колбе. С течением времени эффект ослабевает, но различие в разделенных концентрациях сохраняется достаточно долго. [!b] Концентрации легкого 1 и тяжелого 2 компонентов смеси при различных временах смешения в нижней колбе аппарата для систем. a --- 0.5673H2(1)+0.4327Ar(2)-N2(3), P=3.04 MPa, T=295.0 K; b --- 0.6210He(1)+0.3790R12(2)-H-C4H10(3), P=0.22 MPa, T=298.0 K (концентрация компонента 3 в верхней колбе определяется сложением 1 и 2). o, o --- экспериментальные данные концентраций для тяжелого и легкого компонентов бинарной смеси; сплошные линии --- полиноминальная обработка экспериментальных результатов; c в мол. долях. [!tb] Диффузионный канал. Геометрия задачи. 3. Обогащение смеси тяжелым компонентом может быть объяснено различием в коэффициентах взаимной диффузии газов Dij и наличием встречных конвективных потоков в канале (экспериментально обнаруженных в [1]) при диффузионной неустойчивости. Моделируя наблюдаемые потоки, рассмотрим встречное движение в плоском вертикальном канале (рис. 2) бинарной газовой смеси, поступающей на вход левой половины канала с концентрацией C2I, и однокомпонентного газа, текущего вверх по его правой половине. Полагаем, что скорость газа однородна по сечению каждой половины канала и равна u. Встречные потоки различаются по составу и поэтому будут обмениваться молекулами, причем за время движения бинарной смеси на пути L она обедняется легким компонентом, так как он быстрее будет проникать во встречный поток за счет диффузии. Для того чтобы рассчитать эффект разделения в описываемой ситуации, рассмотрим уравнение баланса числа частиц 1-го компонента в элементе толщиной dz в правом канале (рис. 2). (dc1r)/(dt)= (J)/(n· a), (1) где n --- числовая плотность молекул, c1r, c1l --- концентрация молекул 1-го компонента в правой и левой частях канала, J --- плотность диффузионного потока. Принимая во внимание, что dt= (dz)/(u),    u=(Q)/(a· b· n),    J=nD13 (c1l-c1r)/(a), уравнение (1) принимает вид (dc1r)/(dz)= (b)/(Q)nD13 (c1l-c1r)/(a), (2) где Q --- модуль гидродинамического потока. Аналогичное соотношение имеет место и для молекул 1-го сорта в другой половине канала (dc1r)/(dz)= (b)/(Q)n D13 (c1l-c1r)/(a). (3) При выводе (3) необходимо учитывать, что в левой и правой частях канала направления потока различны. Решения (2), (3) с учетом граничных условий z=0, c3r=1; z=L, c1l=c1l(L), c2l=c2l(L) и положения, что перенос осуществляется в канале с одинаковыми квадратными сечениями его частей (b=a), имеют вид c1r= (nD13zc1l(L))/(Q+nD13L),    c1l= ((Q+nD13z)c1l(L))/(Q+nD13L), (4) где L --- длина диффузионного канала. Аналогичный (1)--(3) подход дает выражения для тяжелого компонента 2 c2r= (nD23zc2l(L))/(Q+nD23L),    c2l= ((Q+nD23z)c2l(L))/(Q+nD23L). (5) Осуществляя переход от (4), (5) к выражениям для парциальных расходов компонентов, необходимо учитывать присутствие газов 1 и 2 в обоих частях канала, а также направление Qi. Для системы координат рис. 2 и в соответствии с условием анализа компонентов 1 и 2 (z=0) окончательно получим (Q2)/(Q1)= (c2l(L))/(c1l(L)) ( (Q+nD13L)/(Q+nD23L) ). (6) Максимальное значение (6) будет определяться условием Q<< nDijL, т. е. (Q2)/(Q1)= (c2l(L))/(c1l(L)) (D13)/(D23). Для экспериментально исследованных систем это отношение составляет 2.8 и 6.1 соответственно. Сравнение измеренных данных (рис. 1) показывает, что в первые часы конвективного смешения такое соотношение справедливо и определяет максимальную величину разделения компонентов смеси. В дальнейшем количественные измерения необходимо производить в предположении Q>0, что требует его корректного определения. 4. Таким образом, при изучении явления диффузионной неустойчивости обнаружен эффект разделения компонентов смеси, приводящий к ее обогащению тяжелым компонентом. Предложенная теоретическая модель на основе положения о различии в коэффициентах взаимной диффузии компонентов позволяет получить количественные оценки, характеризующие эффект в начальной стадии конвективного смешения.
  • Жаврин Ю.И., Косов Н.Д. и др. // ЖТФ. 1984. Т. 54. Вып. 5. С. 943--947
  • Жаврин Ю.И., Косов В.Н. // ИФЖ. 1988. Т. 5. N 2. C. 92--97
  • Жаврин Ю.И., Косов В.Н. // Письма в ЖТФ. 1993. Т. 19. Вып. 10. С. 18--21
  • Айткожаев А.З., Жаврин Ю.И., Косов В.Н. и др. // Письма в ЖТФ. 1995. Т. 21. Вып. 6. С. 7--12
  • Ивакин И.Ф., Лойко А.Э., Суетин П.Е. // ЖТФ. 1977. Т. 47. Вып. 4. С. 873--876
  • Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

    Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.