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 V_I=214.6·10^-6 m³ и V_II=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 D_ij 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 C_2I, 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). (dc₁^r)/(dt)= (J)/(n· a), (1) где n - числовая плотность молекул, c₁^r, c₁^l - 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 (c₁^l-c₁^r)/(a), уравнение (1) принимает вид (dc₁^r)/(dz)= (b)/(Q)nD₁₃ (c₁^l-c₁^r)/(a), (2) где Q - модуль гидродинамического потока. Аналогичное соотношение имеет место и для молекул 1-го сорта в другой половине канала (dc₁^r)/(dz)= (b)/(Q)n D₁₃ (c₁^l-c₁^r)/(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, c₃^r=1; z=L, c₁^l=c₁^l(L), c₂^l=c₂^l(L) и положения, что перенос осуществляется в канале с одинаковыми квадратными сечениями его частей (b=a), имеют вид c₁^r= (nD₁₃zc₁^l(L))/(Q+nD₁₃L),    c₁^l= ((Q+nD₁₃z)c₁^l(L))/(Q+nD₁₃L), (4) где L - длина диффузионного канала. Аналогичный (1)-(3) подход дает выражения для тяжелого компонента 2 c₂^r= (nD₂₃zc₂^l(L))/(Q+nD₂₃L),    c₂^l= ((Q+nD₂₃z)c₂^l(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 Q_i. Для системы координат рис. 2 и в соответствии с условием анализа компонентов 1 и 2 (z=0) окончательно получим (Q₂)/(Q₁)= (c₂^l(L))/(c₁^l(L)) ( (Q+nD₁₃L)/(Q+nD₂₃L) ). (6) Максимальное значение (6) будет определяться условием Q<< nD_ijL, т. е. (Q₂)/(Q₁)= (c₂^l(L))/(c₁^l(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.

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.