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

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 МА<�МВ, 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.

1. 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 этих веществ инертным газом в широком диапазоне физико-химических свойств смеси.

2. Проверить, имеет ли место кооперативное взаимодействие компонентов пара в процессе нестационарной конденсации на плоской охлаждаемой поверхности массообменной ячейки.

3. Рассмотреть процессы конденсации и испарения во взаимосвязи как однородные в цикле фазовых переходов первого рода.

4. Найти математическую форму, позволяющую описывать с единых позиций экспериментальные данные в области явлений гравитационной концентрационной конвекции, как для процессов испарения, так и для конденсации.

5. Найти ранее неизвестные коэффициенты ускорения процесса переноса вещества &=?)е/Оав при конденсации в конвективном режиме, а также измерить коэффициенты диффузии при испарении для ряда новых систем и условий.

6. Определить условия существования аномальных режимов стационарной трехкомпонентной диффузии паров в трубке Стефана.

Научная новизна.

1. Впервые выявлены два режима протекания нестационарной конденсации органических веществ и воды на плоской горизонтальной охлаждаемой поверхности в замкнутых массообменных ячейках в присутствии неконденсирующихся газов: молекулярный и конвективный.

2. Экспериментально показана существенная разница скоростей, родственных процессов испарения и конденсации (явление гистерезиса), протекающих в одной и той же парогазовой системе. Отсюда следует, 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 для расчета этих процессов.

4. Обнаружено кооперативное взаимодействие компонентов в процессе конденсации этанола с водой на плоской охлаждаемой поверхности в присутствии воздуха.

5. Расширен диапазон изменяемых параметров (температура, соотношение молекулярных масс и др.) при изучении процессов испарения и конденсации индивидуальных веществ их смесей в конвективном режиме.

Практическая ценность.

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. Барометрический метод определения коэффициентов молекулярной и конвективной диффузии.

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.

выводы.

1. Впервые установлено существование двух режимов протекания процесса нестационарной конденсации паров из насыщенной парогазовой смеси на плоской горизонтальной охлаждаемой поверхности (молекулярного и конвективного). Показано, что режим и скорость протекания этого процесса зависят от соотношения молекулярных масс компонентов парогазовой смеси: если молекулярная масса паров конденсирующегося вещества больше молекулярной массы инертного газа, то в процессе конденсации в газовой фазе развивается конвективное перемешиваниеесли же молекулярная масса пара меньше молекулярной массы газа, то конденсация идет в молекулярном режиме.

2. При содержании в смеси компонентов с разной молекулярной массой можно наблюдать их кооперативное взаимодействие в процессе конденсации. При этом присутствие тяжелого компонента в определенном количестве при конденсации более легкого из атмосферы среднего по молекулярной массе инертного газа вызывает конвективное перемешивание в газовой фазе и-скорость совместной конденсации заметно возрастает.

3. Показана существенная разница скоростей однородных процессов испарения и конденсации (явление гистерезиса), протекающих в одной и той же парогазовой системе: если молекулярная масса пара (МЛ) больше молекулярной массой инертного газа (Мв), то испарение проходит в молекулярном режиме, а конденсация — в конвективномесли МА меньше Мв, то режимы процессов изменяются на противоположные.

4. В процессе нестационарного испарения бинарных растворов в инертный газ в температурном интервале 20−60°С для исследованных систем не отмечено влияния температуры на режим протекания процесса, тогда как движущая сила растет с ростом температуры. Эффективный коэффициент переноса массы возрастает с температурой также как и коэффициент молекулярной диффузии, т. е. пропорционально температуре в степени 1,5~К2.

102 Т с г.

4*.

Стохастический характер поведения перемешивающихся газовых слоев, или глобул, позволяет использовать эффективный коэффициент переноса для описания сложного явления в целом. Скорость движения глобул не зависит от температуры в пределах проведенных экспериментах.

5. Математическое описание процессов нестационарного испарения и конденсации на охлаждаемой поверхности в присутствии инертного газа, осложненных гравитационно-концентрационной конвекцией, может быть применено во всем диапазоне изменения концентраций вплоть до полного насыщения.

6. Уравнение Стефана-Максвелла правильно учитывает основной вклад в многокомпонентную диффузию молекулярного и общего конвективного механизмов переноса вещества в трубке Стефана. Область существования аномальных режимов диффузии в трехкомпонентных парогазовых смесях не ограничиваются условием эквимолярности потоков компонентов.

Обозначения ес13 р — р Аг = ——критерий Архимеда;

V2 Р, а — коэффициент температуропроводности вещества, м2/сВ1Х — аг IX — критерий Биол.

С=Р/(ЯТ) — мольная плотность смеси, моль/м /.

С, — концентрация компонента / в газовой фазе, моль/м ;

Сисп — равновесная концентрация паров компонентов в ячейке при температуре Гисп, моль/м3;

СКонд — равновесная концентрация паров компонентов в ячейке при о температуре Гкоид, моль/м — с — теплоемкость вещества, Дж/Кэффективный коэффициент переноса вещества, м2/сД7 — коэффициент молекулярной диффузии компонента / вм /са — внутренний диаметр ячейки, м;

Гох = ах / г2 — критерий Фурье;

— безразмерная координната уравннеия (3.8) — g — ускорение свободного падения, м/с2- Нвысота ячейки, м;

Нсг — глубина проникновения паров компонента, соответствующая моменту смены режимов тсг, м.

Н — высота столба манометрической жидкости в правом колене 11-образного манометра, м- — молекулярный поток компонента моль/м2ск — коэффициент ускорения массообмена за счет конвекциикь = 1,380 6504(24)х10~23 — константа Больцмана, Дж/К;

Ь — длина трубки Стефана в опытах Карти и Шродта, м;

V — фиктивная длина трубки Стефана в опытах Карти и Шродта, м;

М — молекулярная масса испаряющегося (конденсирующегося) компонента, кг/кмоль;

Ы — поток испаряющегося компонента в трубке Стефана, моль/с;

Р — атмосферное давление, Пар1 — парциальное давление пара компонента /, Пар0 — парциальное давление пара в дали от поверхности зеркала испарения, Парн — парциальное давление пара у поверхности зеркала испарения, равное давлению насыщенного пара при температуре поверхности, Па;

Q — количество испарившегося (сконденсировавшегося) вещества с единицы поверхности за все время от начала опыта, моль/м — степень насыщения массообменной ячейки- (в разделе 3.1.1.2. д — удельный тепловой поток, Вт/м) — д* — отношение равновесных концентраций вещества при температуре охлажденной поверхности конденсации Гконд и при температуре в объеме газовой фазы Гисп;

Я — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К);

В.а = —-критерий Релея;

Эч.

Б — площадь дна ячейки, м2- л.

5 — площадь сечения трубки и-образного манометра, м — Ттемпература, К;

Гисп — температура в объеме газовой фазы, К;

Т’конд — температура поверхности конденсации, К;

Тхол — температура охлаждающей смеси, Ки — средняя скорость хаотического движения молекул газа, м/со.

V— объем ячейки, м — л.

— изменение объема в течение опыта, м — х, — концентрация /-го компонента в жидком растворе (кроме п. 1.3.3), мол.д.- У1 — концентрация /-го компонента в газовой фазе, мол.д.- г — координата, м (в разделе 2.5 безразмерная координата) — а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К);

Р — коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности концентраций диффундирующего вещества, м/су — коэффициент активности компонента г в смеси;

8 — длина диффузионного пути, м;

9 — безразмерная координната уравннеия (3.8);

Я — средняя длина свободного пробега молекул, м;

Я, — теплопроводность вещества /, Вт/(мК);

V — объем вводимой пробы жидкости, м — о р — плотность манометрической жидкости, кг/м — др — разность плотностей принимающего газа и парогазовой смеси в момент бифуркации режимов т — время эксперимента, сгсгкритическое время бифуркации режима, с;

Нижние индексы:

А — активный (испаряющийся или конденсирующийся) компонент в бинарной смеси;

В — инертный газ в бинарной смесиг, у — обозначение компонента (у—1.3 для трехкомпонентной смеси, у-А. В для бинарной смеси);

1 — активный компонент, с большей молекулярной массой в трехкомпонентной смеси;

2 — активный компонент, с меньшей молекулярной массой в трехкомпонентной смеси;

3 — инертный газ в трехкомпонентной смеси.