ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2010, том 44, № 5, с. 521-527
УДК 544.044
О РАЗЛИЧИИ В СКОРОСТЯХ ИСПАРЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ В ПРИСУТСТВИИ ИНЕРТНОГО ГАЗА © 2010 г. О. А. Каширская, В. А. Лотхов, В. В. Дильман
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва
kashirenok@gmail.com Поступила в редакцию 16.03.2010 г.
На основании экспериментальных данных по нестационарному испарению и последующей конденсации паров вещества на плоской охлаждаемой поверхности в присутствии инертного газа впервые установлено существование молекулярного и конвективного режимов конденсации паров в зависимости от соотношения молекулярных масс компонентов парогазовой смеси. Показано, что кинетика процессов испарения—конденсации различается: если молекулярная масса пара МА больше молекулярной массы инертного газа МВ, то испарение проходит в молекулярном режиме, а конденсация — в конвективном; если МА меньше МВ, то режимы процессов изменяются на противоположные. Результаты опытов, проведенных на системах этилацетат—воздух, этанол—воздух, четыреххлористый углерод—воздух, метанол—воздух, вода—воздух, вода—гелий, находятся в удовлетворительном соответствии с вычисленными по предложенному уравнению. Описаны методики изучения динамики конденсации и испарения.
ВВЕДЕНИЕ
При изучении динамики нестационарного испарения чистых жидкостей в химически инертные газы были выявлены области существования двух различных режимов испарения — диффузионного и конвективного [1—3]. Если молекулярная масса испаряющегося компонента МА больше молекулярной массы химически инертного газа Мв, то наблюдается диффузионный перенос вещества. Если же МА < Мв, то режим испарения конвективный, так как плотность образующегося пара меньше плотности инертного газа. Более легкие пары устремляются вверх, а более тяжелый газ — вниз.
Эксперименты по испарению проведены при температуре процесса, значительно ниже температуры кипения исследуемых веществ, соответственно парциальное давление пара испаряющегося компонента было значительно меньше парциального давления инертного газа у поверхности раздела фаз, что позволяет не учитывать теплоотдачу при расчетах. Количество инертного газа в смеси в опытах по конденсации было также велико, т.е. скорость конденсации определяется скоростью диффузии конденсирующегося компонента к охлаждаемой поверхности. В литературе [4] для данных условий рекомендуется использовать формулу Стефана для расчета процессов испарения и конденсации без учета теплоотдачи. Для процесса испарения формула Стефана записывается как
1 = РР 1п | Р-Р-ЯТ ^Р - Рн
(1)
где р0 — парциальное давление пара вдали от поверхности зеркала испарения, рн — парциальное давление пара у поверхности зеркала испарения, равное давлению насыщенного пара при температуре поверхности. Для расчета потока пара при конденсации в формуле (1) числитель и знаменатель под логарифмом нужно поменять местами. Коэффициент массоотдачи связан с коэффициентом молекулярной диффузии: р = [4].
5
В настоящей работе авторы экспериментально изучали динамику нестационарной диффузии при переносе вещества в условиях циклического процесса с фазовыми переходами I рода (испарение-конденсация) в зависимости от соотношения молекулярных масс веществ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследование нестационарного процесса конденсации паров чистых веществ из инертного газа проводили на двух разных установках. В одном случае опыт вели при постоянстве объема системы, но с изменяющимся давлением, в другом — при постоянстве давления, но с изменяющимся объемом.
Изобарно процесс вели на установке, состоящей из герметичной стеклянной ячейки цилиндрической формы с внутренним диаметром 0.037 м и высотой газового пространства 0.166 м (рис. 1). Пространство ячейки 1 было отделено от атмосферы тонкой пленкой жидкости (мыльный раствор воды) в измерительной трубке 3 расходомера. Высоту расположения пленки, непрерывно изменяющуюся в течение опыта, фиксировали по измерительной
Рис. 1. Схемы экспериментальных установок для изучения процессов испарения (а) и конденсации (б): 1 — герметичная стеклянная ячейка; 2 — термостатируемая "рубашка"; 3 — пленочный расходомер; 4 — штуцер для ввода вещества; 5 — штуцер для соединения с расходомером; 6 — штуцеры входа и выхода термостатирующей воды; 7 — емкость с охлаждающим агентом; 8 — подъемный столик.
шкале. Такое устройство обеспечивало постоянное давление в ячейке.
Температуру в ячейке поддерживали постоянной с помощью рубашки 2 и водяного термостата. Предварительно ячейку продували десятикратным объемом инертного газа или осушенного воздуха (осушитель — магний хлорнокислый).
Для насыщения газового пространства парами исследуемого вещества в ячейку шприцом вносили 1 мл жидкости. Динамику испарения фиксировали по изменению объема парогазового пространства во времени.
Окончание этапа испарения соответствовало насыщению газового пространства парами вещества, что сопровождалось остановкой движения пленки в трубке 3. После этого пленочный расходомер переключали в положение, показанное на рис. 1б.
Второй этап опыта — режим конденсации паров начинался в момент соприкосновения дна ячейки с жидким хладагентом (вода со льдом). В этом режиме подъем пленки в расходомере отмечал уменьшение объема парогазового пространства. Процесс конденсации вели при постоянном атмосферном давлении и заданных температурах в рубашке ячейки и хладагента. Температуру поверхности конденсации ТсопЛ рассчитывали с помощью уравнений теплопередачи [5]. Расчеты были подтверждены измерениями. Количество испарившегося и сконденсировавшегося вещества определяли, используя закон Клапейрона—Менделеева:
<2 =
РУ
ЯТБ'
(2)
где в случае объемометрического метода давление Р постоянно и равно атмосферному, а в качесве V подставляли изменение объема в течение опыта.
В основе барометрической установки конденсации лежит барометрический метод измерения коэффициентов диффузии [6]. Сначала проводили испарение вещества в пространство цилиндрической стеклянной ячейки объемом 2.565 л (диаметр 0.112 м, высота 0.275 м) до полного насыщения газового пространства его парами. После этого дно ячейки приводили в контакт с хладагентом. Пары вещества конденсировались на охлаждаемой поверхности, и, соответственно, давление снижалось. Изменение давления фиксировалось по манометру. Количество вещества, перешедшее из фазы в фазу, вычисляли с помощью уравнения (2), где V — объем ячейки и коммуникаций был постоянным, а Р — изменение давления в системе.
Ошибки определения количества испарившегося или сконденсировавшегося вещества с единицы поверхности с момента начала опыта лежат в пределах 5%, а погрешность определения коэффициента молекулярной диффузии Бм составляет примерно 12%. Экспериментальные точки по конденсации характеризуются большим разбросом, что связано с колебаниями температуры хладагента, и это снижает точность определения коэффициента эффективной диффузии.
Таблица. Физико-химические свойства исследуемых систем и условия опытов
Система Ма, кг/кмоль Мв, кг/кмоль Т, К см2/с кеуар kcond С моль/м3 д*
Четыреххлористый углерод (А) -воздух(В) 154 29 303.2 0.078 1 10 7.502 0.1505
Четыреххлористый углерод(А)- воздух(В) 154 29 294.3 0.074 1 10 5.222 0.4331
Этилацетат(А)—воздух(В) 88 29 294.6 0.0832 1 6 4.421 0.373
Этанол(А)—воздух(В) 46 29 293.8 0.116 1 2 2.506 0.393
Вода(А)—аргон(В) 18 40 303.2 0.27 16 1.3 1.682 0.167
Вода(А)—воздух(В) 18 29 294.8 0.247 2.5 1 1.046 0.557
Вода(А)—гелий(В) 18 4 333.2 1.04 1.1 1.3 7.195 0.040
Некоторые физико-химические свойства компонентов исследуемых систем приведены в таблице.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Режимы конденсации. Решая уравнение второго закона Фика для нестационарного процесса конденсации паров веществ из парогазовой смеси
дС _ л 5 2С
дг
^ дР
(3)
при условиях t = 0, 0 < Z< И, С = Се*ар; (> 0, Z = 0, С = С*опс1; t> 0, Z = И ^ = 0, (4)
получаем решение для бсопй в виде бесконечного ряда:
бсопё _ Н(Сеуар Ссопб) Х
еуар
^ 2/т , , .2
■ - *
ехр
п (2п + 1) кМ
Н2
(2п +1)2
(5)
происходит иначе. Из рис. 3 видно, что экспериментальные точки лежат значительно выше теоретической линии, построенной при условии конденсации вещества в молекулярном режиме (при к = 1), т.е. пары четыреххлористого углерода конденсируются из парогазовой смеси с воздухом значительно быстрее: эффективный коэффициент переноса, позволяющий представить опытные точки в виде кривой конденсации, в этих условиях равен БЕ = 0.74 см2/с.
Существование нескольких режимов конденсации паров вещества из парогазовой смеси с неконденсирующимся газом объясняется особенностями механизма процесса. В газовой фазе присутствует большое количество молекул, обладающих массой, меньшей, чем у молекул конденсирующегося веще-
Q, моль/м2 0.09
0.07
о 1 --2
О
где Бе = кБм — эффективный коэффициент переноса, полученный подбором из экспериментальных данных. При конденсации в устойчивом молекулярном режиме к = 1. Например, происходит процесс конденсации воды из насыщенного ее парами воздуха (рис. 2): кривая, построенная по уравнению (2) при Бм = 0.247 см2/с, удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.
При испарении четыреххлористого углерода в воздух при Т = 21°С перенос вещества происходит в устойчивом молекулярном режиме с коэффициентом диффузии Бм = 0.074 см2/с [7]. Конденсация
0.05
0.03
0.01
20
40 60
^/2 с1/2
Рис. 2. Конденсация воды из воздуха, насыщенного парами воды при Т = 22°С: 1 — экспериментальные данные; 2 — кривая, расчитанная по уравнению (5) при к = 1.
х
0
524
КАШИРСКАЯ и др.
Q, моль/м 0.6
О 1 - 2 -3
20
40 60
^/2 с1/2
Рис. 3. Конденсация четыреххлористого углерода из насыщенного его парами воздуха при Т = 21°С: 1 — экспериментальные точки; 2 — кривая, расчитанная по формуле (5) при к = 1; 3 — кривая, расчитанная по формуле (5) при к = 10.
ства, тогда как у приповерхностного слоя преобладают молекулы "легкого" воздуха (потому что четы-реххлористый углерод быстро конденсируется на охлаждаемом дне), и средняя плотность парогазовой смеси оказывается больше, чем плотнос
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.