научная статья по теме ЯВЛЕНИЕ ГИСТЕРЕЗИСА В ПРОЦЕССЕ ИСПАРЕНИЯ-КОНДЕНСАЦИИ В ПРИСУТСТВИИ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ Математика
Текст научной статьи на тему «ЯВЛЕНИЕ ГИСТЕРЕЗИСА В ПРОЦЕССЕ ИСПАРЕНИЯ-КОНДЕНСАЦИИ В ПРИСУТСТВИИ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ»
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 432, № 4, с. 496-498
ЯВЛЕНИЕ ГИСТЕРЕЗИСА В ПРОЦЕССЕ ИСПАРЕНИЯ-КОНДЕНСАЦИИ
В ПРИСУТСТВИИ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ © 2010 г. О. А. Каширская, В. А. Лотхов, В. В. Дильман
Представлено академиком П.Д. Саркисовым 07.12.2009 г. Поступило 21.01.2010 г.
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, 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.
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.
Исследование нестационарного процесса конденсации паров чистых веществ из инертного газа проводили на двух разных установках. В одном случае опыт вели при постоянном объеме системы, но изменяющемся давлении, а в другом — при постоянном давлении, но изменяющемся объеме.
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 расходомера 3. Высоту расположения пленки, непрерывно изменяющуюся в течение опыта, фиксировали по измерительной шкале. Такое устройство обеспечивало постоянное давление в опыте.
Температуру в ячейке поддерживали постоянной с помощью рубашки 2 и водяного термостата. Предварительно для удаления паров воды из ячейки ее продували осушенным воздухом. Для
Институт общей и неорганической химии
им. Н.С. Курнакова
Российской Академии наук, Москва
насыщения газового пространства парами исследуемого вещества в ячейку шприцем вносили 1 мл жидкости. Динамику испарения фиксировали по изменению объема парогазового пространства во времени. Окончание этапа испарения соответствовало насыщению газового пространства парами вещества, после чего пленочный расходомер переключали в положение, показанное на рис. 1б.
Конденсация паров начиналась в момент соприкосновения дна ячейки с жидким хладагентом (вода со льдом). При этом подъем пленки в расходомере соответствовал уменьшению объема парогазового пространства. Процесс конденсации вели при постоянном атмосферном давлении и заданных температурах в рубашке ячейки и хладагенте. Температуру поверхности конденсации (Тконд) рассчитывали с помощью уравнений теплопередачи [4]. Расчеты были подтверждены измерениями. Количество испарившегося и сконденсировавшегося вещества определяли, используя закон Клапейрона—Менделеева.
В основе барометрической установки конденсации лежит барометрический метод измерения коэффициентов диффузии [5]. 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. Изменения давления фиксировались по манометру.
Ошибки определения количества испарившегося или сконденсировавшегося вещества с единицы поверхности с момента начала опыта (0, моль/м2) лежат в пределах 5%, а погрешность определения коэффициента молекулярной диффузии (Бм) составляет
На рис. 2а представлены результаты опытов по испарению и конденсации в системе этилаце-тат(А)—воздух(В) в координатах, где q = 0/0* — безразмерная величина, характеризующая динамику нестационарного процесса; 0* — максимальное ко-
ЯВЛЕНИЕ ГИСТЕРЕЗИСА В ПРОЦЕССЕ ИСПАРЕНИЯ-КОНДЕНСАЦИИ 497
Рис. 1. Экспериментальная установка. а — испарение, б — конденсация: 1 — герметичная стеклянная ячейка, 2 — тер-мостатируемая 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 хладагентом, 8 — подъемный столик.
Рис. 2. Кинетика испарения и конденсации в системах этилацетат—воздух (а) и вода—аргон (б).
Температура, °С: 22 (а), 30 (б), атмосферное давление. Точками представлены экспериментальные данные: I — испарение, II — конденсация. Линиями — рассчитанные данные: 1 — испарение, 2 — конденсация.
личество вещества, перешедшее с единицы площади поверхности в газовую фазу, соответствующее достижению равновесия в системе жидкость—пар при испарении, моль/м2; / — время от начала процесса, с; — отношение величин упругости паров вещества при температуре охлажденной поверхности конденсации (Тконд) и температуре в объеме газовой фазы (Т). Появление величины связано с тем, что в лабораторных условиях температура поверхности конденсации составляла 3°С, т.е. в паровой фазе остается равновесная
концентрация этилацетата С*онд = 1.756 моль/м3.
В основе теоретических расчетов [2] количеств испаренного и сконденсированного за определенный промежуток времени вещества лежит решение уравнения Фика, в том числе с эффективным коэффициентом диффузии (Дэф) для нестационарного процесса в указанных выше условиях опытов: