научная статья по теме ДИФФУЗИОННО-ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОВОГО ГИДРАТА ИЗ ЛЕДЯНОГО ПОРОШКА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ДИФФУЗИОННО-ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОВОГО ГИДРАТА ИЗ ЛЕДЯНОГО ПОРОШКА»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2012, том 46, № 6, с. 612-619

УДК 517.958:544.427

ДИФФУЗИОННО-ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОВОГО ГИДРАТА ИЗ ЛЕДЯНОГО ПОРОШКА

© 2012 г. В. А. Власов

Институт криосферы Земли СО РАН, г. Тюмень vlasov.ikz@gmail.com Поступила в редакцию 14.02.2012 г.; после доработки 17.04.2012 г.

Излагается диффузионная теория образования газового гидрата из ледяного порошка. При этом учитывается, что газовый гидрат обладает поровой структурой, которая может изменяться в процессе образования газового гидрата. Из сравнения экспериментальных и расчетных данных оценены параметры теоретической модели, которые ответственны за кинетику процесса образования гидрата метана.

ВВЕДЕНИЕ

Исследования газовых гидратов вызывают все больший интерес благодаря возможным практическим приложениям [1]. В частности, предложено использовать газовые гидраты для хранения и транспортировки газа [2], а также для очистки и разделения веществ [3]. Промышленная реализация данных идей напрямую связана с кинетикой образования и диссоциации газовых гидратов.

В области экспериментального изучения процессов образования и диссоциации газовых гидратов обнаружен ряд примечательных особенностей. Во-первых, в области температур Т < 273 К обнаружена на редкость медленная диссоциация газовых гидратов, которая, как полагают [4], вызвана покрытием частиц газовых гидратов однородным слоем льда (эффект самоконсервации). Вполне возможно, что этот слой льда образуется после кристаллизации переохлажденной воды, которая может появиться при диссоциации газовых гидратов [5—7]. Во-вторых, в процессе образования газовых гидратов изо льда наблюдается его поровая структура [8]. Эта поровая структура, в принципе, может иметь тенденцию к изменению в процессе образования газового гидрата, вследствие чего может меняться и механизм образования [9, 10].

Целью настоящей работы является разработка диффузионной теории, которая описывает кинетику процесса образования газового гидрата из ледяного порошка, учитывая поровую структуру газового гидрата и предполагая изменение этой структуры во времени. В данном случае под ледяным порошком подразумевается узкодисперсная ледяная фракция с формой частиц близкой к сферической. Разработанная теория может найти свое применение в инженерных расчетах.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Образование газового гидрата из ледяной частицы происходит с ее периферии: на поверхности появляется корка газового гидрата, которая затем растет вглубь. При этом естественно предположить диффузионный механизм образования газового гидрата, когда молекулы гидратообразу-ющего газа вынуждены диффундировать сквозь слой газового гидрата к фронту химической реакции образования газового гидрата. Таким образом, задачу об образовании газового гидрата из ледяного порошка можно свести к рассмотрению диффузионной задачи.

В качестве модели будем рассматривать монодисперсный ледяной порошок, состоящий изначально из сферических частиц радиуса R0 каждая. В реальности радиусом R0 может являться характерный средний радиус ледяных частиц, составляющих порошок. Подобная структурная геометрия позволяет свести рассмотрение процесса образования газового гидрата из ледяного порошка к рассмотрению его образования из отдельно взятой ледяной частицы (рис. 1). При этом следует учитывать, что вследствие образования газового гидрата координата границы раздела рассматриваемой частицы с гидратообразующим газом увеличивается, т.е. R0 ^ R(t). Будем полагать, что ледяной порошок находится в атмосфере гидратооб-разующего газа, и внешние термобарические условия способствуют образованию газового гидрата (p > peq) и являются постоянными.

Очевидно, что рассматриваемую задачу легче всего формулировать в сферической системе координат, выбрав ее начало в центре O рассматриваемой частицы. Зависимость от угловых координат в данном случае будет отсутствовать. Это позволя-

ет, в свою очередь, оставить в структуре оператора Лапласа лишь радиальную часть:

А ^ А Г ■

(1)

Для учета наличия пор введем эффективный коэффициент диффузии гидратообразующего газа в газовом гидрате вида

Deff (?) = Б + DpOI(t). (2)

Представим коэффициент Брог(?) в виде

Брог(?) = Бро/Т. (3)

Значения параметров Брог и т зависят от конфигурации порового пространства и от интенсивности его изменения в конкретно взятом случае, соответственно.

С учетом (1) и (2) уравнение диффузии в общем случае можно записать как

dc(r, t) dt

= Deff(t)Ac(r,t), t > 0, Ç(t) < r < R(t)■

Или более полно как

^ = (d + Dpor(t)) f^) + 2

dt

dr r t > 0, Ç(t) < r < R(t).

dr

(4)

В случае если коэффициент Брог(?) представлен в виде (3), уравнение диффузии примет вид

dc(r, t) _ dt ~

(

D + Dp0re

' Vd 2c(r, t) 2 dc(r, t) dr

(5)

dr r t > 0, Ç(t) < r < R(t).

Начальное условие запишется следующим образом:

c(r, t)t=0 = 0, 0 < r < R0. (6)

Фактически оно означает, что рассмотрение процесса образования газового гидрата начинается с момента времени t = 0.

Поскольку концентрация газа вне рассматриваемой частицы однозначно определяется внешними термобарическими условиями, то внешнее граничное условие запишется как

c(r, r=R(t) = c = ■

t > 0.

(7)

Z(р,Т) ят

Для записи внутреннего граничного условия учтем, что на поверхности Г в общем случае идет реакция

G + лН20(тв.) о G • лН20, (8)

где через О обозначена молекула газа. Можно показать (см. приложение А), что скорость уменьшения количества газа на поверхности Г в ходе реакции (8) можно представить как

Рис. 1. Геометрия задачи об образовании газового гидрата из сферической ледяной частицы с начальным радиусом Л0.

rg = ko>"

Pe<

Z(Peq,T)RT

- c(r, t)

, t > 0, (9)

а скорость образования газового гидрата на поверхности Г в ходе реакции (8) как

rh = k№>"

c(r, t)

Pet

Z(Peq,T) RT^

t > 0. (10)

Приравнивая величину плотности массового потока газа через поверхность Г к скорости его уменьшения в результате реакции (8) на этой поверхности, получим внутреннее граничное условие:

j\r = rg, t >

(11)

Физический смысл выражения (11) состоит в том, что подходя к поверхности Г, молекулы газа вступают в реакцию (8) и перестают участвовать в процессе диффузии.

В силу центральной симметрии рассматриваемой задачи плотность массового потока газа в слое газового гидрата определяется следующим образом:

j — Deff(t)Vcr,t), t > 0, Ç(t) < r < R(t). (12)

В соответствии с выражениями (2) и (12) выражение (11) можно переписать в виде

- (D + Dpor©)^

dr

= rg, t > 0.

(13)

r=«t)

Полагая, что для коэффициента Брог(?) справедливо представление (3), а также используя выра-

жение (9), запишем внутреннее граничное условие (13) в виде

(

Л

D + Dp0Ie

dc(r, t)

(

= кюп

c(r,t) r=E(t) --

dr

Pe

r =4t )

(14)

t > 0.

R(() =

XMh

1 +

M

nMw

(( -^3(()) + ^3((), t > 0.(15)

d Ç(t)_ rh

(16)

d%() = ко,

dt x

t > 0. (17)

Tdif -

Z2(t) Deff (t)

к характерному времени увеличения толщины слоя газового гидрата

T th =

ДО È (t)

=т Z(peq,T) ЯТу

Координата внешней границы раздела слоя газового гидрата с газом в зависимости от времени выражается неявно через величину внутреннего радиуса слоя газового гидрата "(г) следующим образом (см. приложение Б):

Здесь 2(0 = R(t) - Щ. Если

Tth _ Deff(t) 1

Tdif 2(t)È(t) '

(19)

Условие для движения фронта реакции (поверхности Г) получим предполагая, что скорость движения этого фронта прямо пропорциональна скорости образования газового гидрата на поверхности Г и обратно пропорциональна его молярной концентрации (т.е. плотности упаковки) [11, 12]. Учитывая, что является радиальной координатой поверхности Г, условие для движения фронта реакции примет вид

то можно считать, что профиль концентрации с(г, г) успевает принять стационарное распределение в каждый момент времени ? > 0. Это в свою очередь дает основание пренебречь частной производной дс(г, ?)/дг, т.е. считать, что

dc(r, t) dt

= 0.

(20)

= , г > 0. й х

Используя в последнем равенстве выражение (10), запишем условие для движения фронта реакции в виде

г \

РрТ—, - сГ г) г

^\PeqT )ЯТ у

Далее будем считать условие (19) выполненным.

Учитывая (20), из уравнения (5) следует, что профиль концентрации с(г, г) должен удовлетворять уравнению

d 2c(r, t) + 2 dc(r, t) = 0 dr2 r dr

(21)

Решением данного уравнения является функция вида

ч Z(peq,T)ЯТ

Начальное условие для радиальной координаты фронта реакции запишется следующим образом:

Щ=0 = -0, (18)

т.е. в начальный (нулевой) момент времени слой газового гидрата отсутствовал.

Уравнения (5)-(7), (14), (15), (17) и (18) образуют замкнутую систему уравнений, описывающих образование газового гидрата из ледяной сферической частицы с учетом его поровой структуры, которая меняется в процессе образования. Эту систему уравнений будем рассматривать далее.

УПРОЩЕННОЕ РЕШЕНИЕ

Решение системы уравнений (5)—(7), (14), (15), (17) и (18) в общем случае находится только численно. Однако данную систему уравнений можно существенно упростить. Для этого найдем отношение характерного времени диффузии

c(r, t) = ^ + b(t),

(22)

где функции a(t) и b(t) можно найти из граничных условий (7) и (14). Подставляя (22) в (7) и (14), получаем систему двух уравнений относительно неизвестных a(t) и b(t). Разрешив эту систему, получим, что

a(t) =

кюп5

b(t) =

к(лп Щ) - R(t) - Df) ' Ç(t)R(t) ^2(t)

кюп5

Z(p,T)RT kGnR(t) -gt) + Deff(t)R(t)

(23)

, (24)

где

5 = -

P

m

+■

m

Pe,

Z(p,T)RT Z(Peq,T) RT

r

Подставляя (23) и (24) в (22), окончательно получим

с(г, ?) =

Бе№ (?) + к®"^(?) (1 -

Z (р,Т) ЯТ

Бе{{ (?) + к®"^(?)

1 -

М Я(?)

Я(?)г

(25)

^(р^Т) ЯТ

БеГГ (?) + к®"^(?) ? > 0, £(?) < г < Я(?).

1 -

М Я(?)

с1 К?) Л

-БеГГ (?)кю"8

БеГГ (? )х + кю"х£,(?)

1 -

К?) Я(?)

? > 0, (27)

Бeff (?) = Бе(г =

Б,

Брог = 0.

(28)

кю"Бе)Т5

X

+

? = Бeff (Я0 - £,(?)) + ^ (Я2 - ^(?)) + 2_2-3(3 -^(?)- 1))

\2/3

- Я

(29)

где

¥

= 3 ■

г

Хмь

М0

л

1 +

V "МъУ

Физический смысл величины у понятен из приложения Б.

Решение уравнения (29) позволяет определять значение функции ^(?) в фиксированный момент времени Из этого уравнения, в частности, можно найти вр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком