Расчет диффузионных процессов в многокомпонентных углеводородных газовых смесях в воздух - Магистерская работа

Знание закономерностей диффузии необходимы при описании, проектировании и расчетах массообменного процесса при добыче, эксплуатации и транспортировке газообразного топлива. Исследования многокомпонентного массопереноса показали сложный характер процесса смешения. Возникновение перепада давления (диффузионный бароэффект) в замкнутых диффузионных приборах, вследствие неодинаковой подвижности молекул газовой смеси, приводит к появлению гидродинамического потока смеси газов как целого. Подразделение суммарного переноса компонентов на диффузионный поток, характеризуемыми истинными коэффициентами диффузии, и гидродинамический позволяет дать правильную физическую картину процесса диффузии не только в случае двух компонентов, но и в более сложной смеси. При проведении экспериментов по измерению коэффициентов диффузии в многокомпонентных системах был выявлен ряд особенностей не свойственных бинарным газовым смесям: «реверсивная диффузия», «осмотическая диффузия», «диффузионный барьер».В настоящее время диффузионные потоки в многокомпонентных системах обычно определяются из уравнений Стефана-Максвелла, прочем вследствие сложности последних необходимо применять или численное интегрирование, или какой-либо приближенный метод расчета. Согласно первому приближению строгой кинетической теории, изобарно-изотермическая диффузия в n-компонентной смеси разряженных газов описывается системой уравнений Стефана-Максвелла: (1) где - мольная концентрация компонента i в смеси; - мольная доля компонента i при мольной концентрации смеси X; - плотность диффузионного потока компонента i;-бинарный коэффициент взаимной диффузии (КВД) пары газов i и j.Анализируя уравнения Стефана-Максвелла для эквимолярной, противоточной диффузии в трехкомпонентной газовой смеси, Тур определил условия (соотношения между концентрациями и коэффициентами взаимной диффузии (КВД) компонентов), при которых наблюдаются следующие эффекты [3]:-"противодиффузия" или "реверсивная" - перенос компонента в направлении его градиента (т.е. перенос компонента из области с меньшей концентрацией в область с большей концентрацией); Физика возникновения этих, на первый взгляд странных, явлений заключается в том, что наблюдаемый при диффузии перенос компонентов есть результат сложения (векторного) собственно диффузионной и гидродинамической составляющих переноса. В газовых смесях, когда два или более основных диффундирующих газа равномерно разбавлены третьим - балластным газом (градиент концентрации газа - разбавителя равен нулю), последний может переноситься гидродинамическим потоком, что соответствует "осмотической" диффузии. Подбирая соответствующим образом концентрацию газа - разбавителя в колбах аппарата, можно уравновесить перенос вещества диффузией и гидродинамическим потоком, что будет соответствовать "диффузионному барьеру". Таким образом, возникший диффузионный бароэффект порождает гидродинамический поток, который в значительной степени влияет на перенос компонентов, что было проверено постановкой специальных экспериментов и проведением необходимых расчетов с использованием эффективных коэффициентов диффузии (ЭКД).Как показали эксперименты последних лет, диффузия газовых смесей в замкнутых диффузионных приборах сопровождается появлением перепада давления (диффузионный бароэффект). В двухколбовом диффузионном приборе давление в колбе с более тяжелой смесью компонентов становится больше, чем в другой колбе на значение порядка от одной до нескольких десятков дин/см2 (в зависимости от состава смесей, общего давления и диаметра). Этот факт свидетельствует о том, что перепад давления, возникающий при диффузии, нельзя рассматривать как незначительный по величине эффект второго порядка малости, которым можно пренебречь. Возникновение перепада давления при диффузии в замкнутых диффузионных приборах предсказывалось элементарной кинетической теорией Максвелла-Больцмана-Джинса. В двухколбовом диффузионном аппарате диффузия сопровождается появлением перепада давления между колбами, содержащие разные газы [5, 6].Решение задач многокомпонентной диффузии методами строгой кинетической, термодинамической и гидродинамической теорий приводят к громоздким и сложным выражениям, с большим числом различных характеристик, которые иногда не определены однозначно. Таким образом, диффузионный поток i-го компонента в смеси определяется его ЭКД и градиентом концентрации данного компонента. Если эта зависимость выражена слабо, можно уже использовать известное решение соответствующей диффузионной задачи для бинарных систем простой заменой в нем коэффициента взаимной диффузии (КВД) - на . К таким частным случаям диффузии относятся [8]: - для систем, в которых компоненты 2,3...S перемещаются с одинаковой скоростью или неподвижны, справедливо соотношение: (4) Для простейшего случая многокомпонентной диффузии трех компонент интегральное (усредненное по всему диффузионному слою) значение ЭКД может быть определено следующим образом: , (6) где - усредненное по всему

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Диффузия в многокомпонентных газовых смесях

1.1 Теории диффузии в многокомпонентных газовых смесях

1.2 Особенности многокомпонентной диффузии

1.3 Диффузионный бароэффект в многокомпонентных системах

1.4 Описание изотермической диффузии в многокомпонентных газовых смесях методом эффективных коэффициентов диффузии

1.5 Постановка задачи

1.6 Выводы по разделу 1

2. Исследования диффузии в многокомпонентных газовых смесях

2.1 Исследование диффузии в многокомпонентных газовых смесях методом двухколбового аппарата

2.2 Расчет многокомпонентного массопереноса в двухколбовом аппарате с применением языка программирования DELPHI

2.3 Диффузия бинарной смеси газов в чистый компонент

2.4 Диффузия некоторых бинарных углеводородных газовых смесей в воздух

2.5 Диффузия многокомпонентных углеводородных газовых смесей в воздух при изменении их термодинамических параметров

2.6 Выводы по разделу 2

Заключение

Список использованных источников

Приложение