ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 6, с. 615-620
УДК 541.12.012.6
КИНЕТИКА СТАЦИОНАРНОГО ИСПАРЕНИЯ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ
ЖИДКОСТЕЙ В ИНЕРТНЫЙ ГАЗ
© 2011 г. Ю. В. Бородачева, В. А. Лотхов, В. В. Дильман, Н. Н. Кулов
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва
kipa_6@mail.ru Поступила в редакцию 25.07.2011 г.
Изучено влияние движущей силы на процесс стационарного испарения в открытых и закрытых системах.
ВВЕДЕНИЕ
Диффузия и массообмен лежат в основе большинства химических и биологических процессов, протекающих в природе и технике. Испарение, основная составляющая круговорота воды на Земле, является элементарным актом многих технологических процессов. Несмотря на это в научной литературе часто встречаются неточности при описании этого процесса. В работах [1—5] подробно изучался процесс нестационарного испарения в закрытых системах и было показано, что молекулярный режим диффузии при определенных условиях теряет устойчивость в неподвижных средах, чего ранее не было замечено. По истечении некоторого критического отрезка времени в ряде случаев возникает конвекция, заметно увеличивающая скорость испарения.
Цель настоящей работы — изучение влияния соотношения молекулярных масс компонентов на скорость стационарного испарения чистых веществ в инертный газ в открытой системе и сравнение результатов с испарением в закрытой системе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве исследуемых веществ были выбраны изопропанол и вода, с молекулярными массами 60.1 и 18 г/моль. Инертный газом служил воздух с молекулярной массой 29 г/моль. Изучаемые газовые системы изопропанол—воздух и вода—воздух рассматривались как идеальные газы.
Исследование стационарного процесса испарения чистых веществ в инертный газ проводили на установке, схематично изображенной на рис. 1.
Установка состояла из стеклянного цилиндра 1 (внутренний диаметр 0.027 м, высота газового пространства 0.124 м) и электронных весов 3.
Перед началом эксперимента проводилось тер-мостатирование жидкой смеси при Т0 . По окончании термостатирования в цилиндр 1 вводили 10 мл исследуемой жидкости, после чего подвешивали цилиндр к электронным весам 3 в воздушный тер-
мостат 2, предварительно прогретый до температуры эксперимента Т0.
Динамику испарения жидкости в инертный газ фиксировали по изменению показаний электронных весов 3. Испарение воды, спирта и других легко испаряющихся веществ определяли по изменению объема или массы исследуемой жидкости с течением времени.
По описанной выше методике проведено экспериментальное изучение кинетики испарения ряда однокомпонентных жидкостей, испаряющихся как в диффузионном, так и в конвективном режимах.
Для всех проведенных опытов первичные экспериментальные данные были получены в виде зависимостей количества испарившегося вещества в мг от времени в минутах (рис. 2, 3). С помощью метода наименьших квадратов экспериментальные данные были аппроксимированы прямыми лини-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — стеклянный цилиндр; 2 — воздушный термостат; 3 — электронные весы.
2
G, мг 300
250
200
150
100
50
0
100 200 300 400
500 600 t, мин
Рис. 2. Динамика испарения изопропилового спирта при различной температуре жидкости и парогазовой
среды: 1 - T = 30°С, rQ = 0.9713; 2 - T = 40°С, rQ =
= 0.9903; 3 - T = 50°С, Rq = 0.9929; 4 - T = 60°С,
rQ = 0.9932.
G, мг
300
250 200 150 100 50
0
100 200 300 400
500 600 t, мин
N =
G tSM'
Некоторые физико-химические свойства компонентов исследуемых систем приведены в табл. 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Режимы испарения. Процесс испарения одно-компонентных жидкостей из открытой цилиндрической трубки можно описывать с помощью уравнения Стефана:
Д
iC
Ni =■
P
RT ln P - Pi2
Рис. 3. Динамика испарения воды при различной температуре жидкости и парогазовой среды: 1 - Т =
= 30°С, Д2 = 0.9713; 2 - Т = 40°С, Д2 = 0.9903;
3 - Т = 50°С, Д = 0.9929; 4 - Т = 60°С, Д2 = 0.9932.
ями. Погрешность построения прямых для испарения воды составила менее 3%, а для испарения изопропилового спирта менее 1%.
Мольное количество испарившегося пара с единицы площади в единицу времени определяли из соотношения
(1)
, (2)
8;С Р - Ра где I = А (изопропанол), В (вода), С (воздух).
На основании этой формулы можно рассчитать коэффициенты диффузии. На основании табл. 2, где сопоставлены определенные нами значения коэффициентов молекулярной диффузии с литературными величинами, можно сделать вывод о наличии различных механизмов испарения для воды и изопропанола. Различие в коэффициентах диффузии у изопропанола с литературными данными колеблется в пределах 15%. Такое отклонение дает право предполагать, что испарение происходило в молекулярном режиме (значения коэффициентов Бм по данным различных авторов для разных систем отличаются между собой в пределах 12-15%). При сравнении эффективных коэффициентов диффузии с почерпнутыми из литературы молекулярными коэффициентами диффузии для воды, нетрудно убедиться, что наблюдаемые систематические отклонения являются существенными и значительно превышают ошибку эксперимента. На этом основании можно сделать вывод о том, что вода в воздух испаряется в конвективном режиме.
Природа конвективного движения среды, в которой тяжелые слои расположены над легкими, объясняется выталкивающей силой Архимеда. Движущей силой перемешивания в конвективном режиме являются силы плавучести, пропорциональные отношению , где Ар - разность плот-
Рсм
ностей парогазовой смеси на зеркале испарения и в объеме принимающего газа. Эти силы приводят к возникновению макроскопического движения
Таблица 1. Некоторые физико-химические свойства исследуемых веществ
Характеристика Вода ИП МФ ПФ ПА
M, г/моль 18 60.10 60.05 88.10 102.13
А 18.3036 18.6929 16.5104 15.7671 16.2291
В 3816.44 3640.20 2590.87 2593.95 2980.47
константы Антуана [8] С -46.1316 -53.54 -42.6 -69.69 -64.15
ИП - изопропанол, МФ - метилформиат, ПФ - пропилформиат, ПА - пропилацетат.
Таблица 2. Экспериментальные и справочные значения коэффициентов диффузии
Т, °С Б, см2/с Отклонение экспериментально го значения от справочного, %
Экспериментальное значение Справочное значение [9]
30 0.766 0.257 66.4
40 0.919 0.270 70.6
50 1.279 0.283 77.9
60 1.418 0.296 79.1
30 0.0830 0.0956 13.2
40 0.0981 0.1004 2.3
50 0.0984 0.1053 6.6
60 0.0934 0.1102 15.2
Вещество
Вода
Изопропанол
Справочные значения Б приведены с учетом поправки на температуру.
среды, при котором более легкие слои парогазовой среды всплывают вверх, вытесняя более тяжелые слои газа вниз. Такое движение приводит к перемешиванию среды [6].
Для подтверждения предположения о возникновении конвективного режима испарения воды была исследована зависимость отношения эффективного коэффициента диффузии к молекулярному от квадратного корня разности плотностей парогазовой смеси на зеркале испарения и в объеме принимающего газа. На рис. 4 представлена эта зависимость, построенная на основании данных, приведенных в табл. 3. Чем больше разность Ар, тем больше эффективный коэффициент диффузии. Этот факт свидетельствует об увеличении скорости диффузии и о переходе молекулярного режима испарения к конвективному. При экстраполяции получаем, что в точке Ар = 0 отношение равно единице, а значит эффективный коэффициент диффузии равен молекулярному. Это доказывает, что при отсутствии разности в плотностях парогазовой смеси на зеркале испарения и в объеме принимающего газа вода будет испаряться в молекулярном режиме.
Влияние движущей силы на динамику испарения в закрытых и открытых системах. Движущей силой стационарного массопереноса при испарении является разность концентраций переносимого компонента у зеркала испарения и в объеме принимающего газа. Таким образом, движущая сила может быть изменена путем изменения давления насыщенных паров у поверхности жидкости, которое определяется температурой жидкости. Мольная плотность С насыщенных паров повышается с увеличением температуры. С целью выяснения влияния температуры на кинетику испарения были проведены эксперименты по стационарному испарению воды и изопропанола в воздух при температурах 30, 40, 50 и 60°С. При стационарном испарении в открытых системах средняя мольная плотность смеси остается постоянной и не зависит от
Таблица 3. Данные по испарению воды в конвективном режиме
Т, °С Бвсе Бвс Бвсе /БВС 4Ц
30 0.766 0.257 2.98054475 0.006147
40 0.919 0.270 3.40370370 0.009307
50 1.279 0.283 4.51943463 0.011831
60 1.418 0.296 4.79054054 0.014163
времени. При нестационарном испарении в закрытой системе с течением времени наблюдается рост давления парогазовой смеси и, соответственно, средней мольной плотности.
Рис. 4. Зависимость отношения эффективного коэффициента диффузии к молекулярному от квадратного корня разности плотностей парогазовой смеси на зеркале испарения и в объеме принимающего газа.
к х 107, моль/(см2 с) 8 Г
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 дк„
Рис. 5. Зависимости коэффициента массопереноса от движущей силы: 1 — открытая система, изопропанол; 2 — закрытая система, пропилацетат, пропилформиат, метилформиат.
к х 107, моль/(см2 с) 50
40 30 20 10
1
-о 2
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
дуср
Рис. 6. Зависимости коэффициента массопереноса от движущей силы: 1 — открытая система, вода; 2 — закрытая система, пропилацетат, пропилформиат, ме-тилформиат.
Основное уравнение массопередачи имеет вид
(3)
N = кДГ_.
к = 2
Р ш
'АС
ЯТ\ пт
(4)
Для стационарного испарения в открытой системе:
Ш
АС
к =
Р
ЯТ
8АС (Ус)с
Таблица 4. Коэффициенты массоотдачи
(5)
Вещество Т, °С к х107, моль/(см2 с) Д^ср
Вода 30 24.5 0.0270
40 29.3 0.0652
50 40.6 0.1165
60 45.7 0.1899
Изопропанол 30 2.70 0.0830
40 3.22 0.1415
50 3.33 0.2438
60 3.41 0.3941
Пропилацеат 25 6.82 0.0440
Пропилформиат 25 6.82 0.1106
Метилформиат 25 7.01 0.7845
где (Ус )с
. ус 2 - уС1
1п
Ус2 Ус1
Приведем уравнения, описывающие кинетику испарения в закрытых и открытых системах, к виду основного уравнения массопередачи и получим выражения для коэффициентов ма
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.