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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

О.А. Макеенкова, аспирант кафедры физики филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске

М.А. Незовитина, к.т.н., доцент кафедры физики филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске

Актуальность и проблематика работы. Одним из явлений, протекающих в неизотермических условиях в газах, является термодиффузия, которая заключается в изменении состава газовой смеси в горячей и холодной областях при наложении на нее градиента температур. Термодиффузия является одним из процессов, в котором межчастичные взаимодействия играют существенное значение, и поэтому может являться одним из способов проверки правильности выбора потенциала межмолекулярного взаимодействия в газовых смесях. В неизотермических условиях в газах могут одновременно протекать несколько физических процессов: концентрационная диффузия, термодиффузия, термодиффузионный бароэффект, тепловое скольжение. Во многих случаях именно термодиффузия является определяющим процессом, который может существенно воздействовать на течение других процессов или вызывать их появление. Поэтому необходимо либо вводить соответствующую поправку на термодиффузию, либо исключать ее влияние на течение других процессов. Экспериментально термодиффузия в многокомпонентных газовых системах на данный момент исследована недостаточно полно. При этом выполненные к настоящему моменту исследования не позволяют сделать однозначный вывод о согласии теоретических методов расчета и эксперимента, а также о влиянии третьего компонента на термодиффузионное разделение двух других компонентов смеси.

Таким образом, изучение процесса термодиффузии в многокомпонентных газовых системах требует проведения экспериментального исследования термодиффузионного разделения в широком диапазоне концентраций и температур с целью проверки возможности расчета термодиффузионных постоянных (ТДП) по существующим теориям и полуэмпирическим методам расчета. Результаты такого исследования являются основой при разработке методики, позволяющей рассчитать ТДП в пределах погрешности эксперимента.

Цель работы. Экспериментальное и теоретическое исследование термодиффузионного разделения в разреженных трехкомпонентных газовых системах, содержащих технически важные газы, при различных составах смеси и температурах. термодиффузионный газовый температура

Задачи научной работы

- Провести эксперименты по определению термодиффузионных характеристик трехкомпонентных газовых систем для различных концентраций компонентов и температур эксперимента.

- Проанализировать зависимость экспериментальных данных по термодиффузионному разделению трехкомпонентных газовых смесей от концентрации и температуры.

- Разработать метод расчета термодиффузионных постоянных в широком интервале составов газовой смеси и температур.

Материалы и методы исследования. В ходе работы было проведено экспериментальное исследование термодиффузионного разделения с помощью двухколбового метода в 12 трехкомпонентных газовых системах: H₂-CH₄-Ar, H₂-CH₄-N₂, He-N₂-CO₂, H₂-CH₄-CO₂, H₂-CH₄-Ne, N₂-Ar-CO₂, H₂-CO-CO₂, H₂-N₂-CO₂, H₂-He-Ar, H₂-He-N₂, He-Ar-CO₂, H₂-N₂-Ar.

Результаты, теоретическая и практическая значимость научной работы

1. Авторами создана и апробирована оригинальная установка и разработана методика экспериментального исследования термодиффузии в разреженных трехкомпонентных газовых системах, реализующая модифицированный двухколбовый метод и позволяющая измерять термодиффузионные характеристики в интервале температур 280 - 1000 К.

2. Проведено исследование термодиффузионного разделения для 12 разреженных трехкомпонентных систем, содержащих технически важные газы: H₂, CH₄, N₂, CO, CO₂, He, Ne, Ar. При этом для 8 из 12 систем такое исследование проведено впервые. В результате выполнения экспериментальной части исследования получено более 1800 значений ТДП для более 600 газовых смесей.

3. В рамках строгой кинетической теории получена полуэмпирическая формула, позволяющая рассчитать значение ТДП в трехкомпонентных газовых системах с помощью соответствующих значений ТДП в бинарных смесях газов.

4. Разработано и реализовано программное обеспечение для расчета значений ТДП бинарных и трехкомпонентных разреженных газовых смесей в рамках кинетических теорий. Разработанная программа также позволяет осуществлять подбор значений параметров потенциала Леннарда-Джонса для разнородных молекул, при которых расчетные значения ТДП бинарных смесей согласуются с экспериментальными данными наилучшим образом. С использованием данной программы были рассчитаны значения ТДП для ряда бинарных и трехкомпонентных газовых смесей.

5. Проведен анализ зависимости ТДП от температуры эксперимента и состава газовой смеси. Обнаруженные качественные зависимости подтверждаются экспериментом.

6. Разработано и реализовано программное обеспечение, позволяющее рассчитывать величины ТДП для трехкомпонентных газовых смесей на основе предложенной полуэмпирической формулы.

7. Экспериментальные данные, полученные нами и другими авторами для 20 систем газов сравнены с рассчитанными по предложенной нами формуле. Для большинства систем наблюдается согласие в пределах погрешности эксперимента и расчета (3 - 10 %). Полученные результаты позволяют рекомендовать данную формулу для расчета и обобщения данных по термодиффузионному разделению и ТДП в разреженных трехкомпонентных газовых системах.

Практическая ценность работы. Полученные в результате исследования экспериментальные данные и формулы для расчета ТДП могут быть использованы:

- для развития кинетической теории многокомпонентных газовых систем при неизотермических условиях;

- для обобщения и расчета термодиффузионных характеристик в широком диапазоне концентраций и температур;

- для пополнения баз данных по термодиффузионному разделению в трехкомпонентных газовых системах;

- при расчете тепломассообменных процессов, процессов горения, а также проектировании и разработке оборудования в самых различных областях науки и техники - энергетике, газовой и химической промышленности и т.п;

- для оценки возможности образования гелей при транспортировке газов по газопроводам;

- для более точных расчетов массообменных процессов при добыче нефти и газа.

Разработанное программное обеспечение может быть использовано:

- для предварительных расчетов значений термодиффузионных характеристик при проектировании различных тепло-массообменных аппаратов;

- для определения области обогащения данным компонентом при наличии градиента температур в рабочей среде.

Список публикаций по теме научной работы

1. Bogatyrev A. F., Makeenkova O. A., Nezovitina M. A. The experimental study of thermal diffusion in multicomponent gaseous systems // International journal of thermophysics, 2015. Vol. 36. No. 4. pp. 633-647. DOI 10.1007/s10765-014-1818-7 (Web of Science, Scopus)

2. Bogatyrev A. F., Makeenkova O. A., Nezovitina M. A. Calculational method in treating thermal diffusion characteristics in ternary gas mixtures // Advanced Studies in Theoretical Physics, 2014. Vol. 8. No. 28. pp. 1199-1204. DOI 10.12988/astp.2014.411141 (Scopus)

3. Bogatyrev A. F., Makeenkova O. A., Nezovitina M. A. Temperature and concentration dependences of thermal-diffusion separation in ternary gas systems // Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2014. Vol. 87. No. 5. pp. 1255-1265. DOI 10.1007/s10891-014-1128-8 (Scopus)

4. Богатырев А. Ф. Куликова (Макеенкова) О. А. Исследование молекулярного массопереноса в многокомпонентных газовых системах в неизотермических условиях // Известия вузов. Проблемы энергетики, 2013. № 3-4. С. 127-130. (ВАК, РИНЦ)

5. Богатырев А. Ф. Куликова (Макеенкова) О. А. Измерение и расчет термодиффузионного разделения в трехкомпонентных газовых системах // Научно-технический сборник «Вести газовой науки», 2013. № 1 (12). С. 36-40. (РИНЦ)

6. Богатырев А. Ф., Куликова (Макеенкова) О. А. Термодиффузия в трехкомпонентных газовых системах // Научное обозрение, 2012. № 3. С. 160-166. (ВАК, РИНЦ)

7. Богатырев А. Ф., Куликова (Макеенкова) О. А., Незовитина М. А. Метод расчета термодиффузионного разделения в трехкомпонентных газовых системах // Научное обозрение, 2013. № 3. С. 184-190. (ВАК, РИНЦ)

8. Богатырев А. Ф., Куликова (Макеенкова) О. А., Незовитина М. А. О некоторых особенностях термодиффузии в трехкомпонентных газовых системах // Научное обозрение, 2013. № 8. С. 55-59. (ВАК, РИНЦ)

9. Богатырев А. Ф., Макеенкова О. А., Незовитина М. А. Термодиффузионное разделение в бинарной смеси газов с добавкой инертного газа // Естественные и технические науки, 2014. № 2. С. 37-42. (ВАК, РИНЦ)

10. Богатырев А. Ф., Макеенкова О. А., Незовитина М. А., Белалов В. Р. Особенности термодиффузионного разделения в бинарной системе Н₂-СН₄ с добавками Ne и Ar // Естественные и технические науки, 2014. № 4. С. 23-24. (ВАК, РИНЦ)

11. Богатырев А. Ф., Макеенкова О. А., Незовитина М. А. Влияние состава газовой смеси на термодиффузию в трехкомпонентных системах // Вестник Казанского технологического университета, 2014. Т.17. № 19. С. 191-193. (ВАК, РИНЦ)

12. Богатырев А.Ф., Макеенкова О.А., Незовитина М.А. Программа для расчета термодиффузионных характеристик в многокомпонентных газовых системах. РОСПАТЕНТ. Свидетельство № 2014661627 от 10.11.2014.

13. Богатырев А.Ф., Макеенкова О.А., Незовитина М.А. Программа для расчета термодиффузионных постоянных в бинарных и многокомпонентных газовых системах в рамках кинетических теорий. РОСПАТЕНТ. Свидетельство № 2015617184 от 02.07.2015.

14. Незовитина М. А., Богатырев А. Ф., Макеенкова О. А., Белалов В. Р. Анализ и обобщение опытных данных по термодиффузии в газовых смесях. Смоленск: Универсум, 2014. 156 с. (монография)

15. Богатырев А. Ф., Макеенкова О. А., Незовитина М. А. Влияние состава газовой смеси на термодиффузию в трехкомпонентных системах // Материалы Российской конф. (с межд. участием) РКТС-14. Казань: Отечество, 2014. Т.1. С. 311-314.

16. Богатырев А. Ф., Белалов В. Р., Куликова (Макеенкова) О. А. Методика расчета термодиффузионного разделения в холодной и горячей областях плотных газовых систем // Математические методы в технике и технологиях. Сб. тр. 25-й МНК ММТТ-25. Саратов: СГТУ, 2012. Т.9. С. 70-72.

17. Богатырев А.Ф., Куликова (Макеенкова) О.А., Криволапова Л.И. Полуэмпирический метод расчета термодиффузионного разделения многокомпонентных газовых систем // Математические методы в технике и технологиях. Сб. тр. 25-й МНК ММТТ-25. Саратов: СГТУ, 2012. Т.9. С. 94-96.

18. Куликова (Макеенкова) О. А. Термодиффузионное разделение в газовой системе водород - окись углерода - двуокись углерода // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Сб. тр. 19-й МНТК студ. и асп. М.: Издательский дом МЭИ, 2013. Т. 4. С. 39.

19. Макеенкова О. А. Термодиффузионная постоянная при различных соотношениях концентраций в трехкомпонентных газовых системах // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Сб. тр. 20-й МНТК студ. и асп. М.: Издательский дом МЭИ, 2014. Т. 4. С. 51.

20. Макеенкова О. А. Термодиффузионное разделение в газовой системе N₂-Ar-CO₂ // Энергетика, информатика, инновации - 2013. Сб. тр. 3-й МНТК. Смоленск: Универсум, 2013. Т.1. С. 134-137.

21. Богатырев А. Ф., Макеенкова О. А. Влияние состава газовой смеси на термодиффузионную постоянную в трехкомпонентных газовых системах // Энергетика, информатика, инновации - 2014. Сб. тр. 4-й МНТК. Смоленск: Универсум, 2014. Т.1. С. 131-133.

22. Куликова (Макеенкова) О. А. Методика измерения термодиффузионного разделения в многокомпонентных газовых системах // Информационные технологии, энергетика и экономика. Сб. тр. 9-й МНТК студ. и асп. Смоленск: СФМЭИ, 2012. Т.2. С.132-136.

23. Куликова (Макеенкова) О. А. Термодиффузионное разделение в газовой системе H₂-CH₄-Ne // Информационные технологии, энергетика и экономика. Сб. тр. 10-й МНТК студ. и асп. Смоленск: Универсум, 2013. Т.1. С. 124-127.

24. Макеенкова О. А. Исследование термодиффузионного разделения в газовой системе H₂-He-N₂ // Информационные технологии, энергетика и экономика. Сб. тр. 11-й МНТК студ. и асп. Смоленск: Универсум, 2014. Т.1. С. 143-147.

25. Макеенкова О. А. Расчет термодиффузионной постоянной в трехкомпонентных газовых системах в рамках строгой кинетической теории // Информационные технологии, энергетика и экономика. Сб. тр. 12-й МНТК студ. и асп. Смоленск: Универсум, 2015. Т.1. С. 132-134.

Размещено на Allbest.ru