Расчет концентрации в трехкомпонентной газовой смеси

АННОТАЦИЯ

В данной статье нами с помощью программы «STEFAN» проанализирован процесс диффузионного смешения в трехкомпонентной газовой смеси, содержащей аргон, гелий и азот, в зависимости от давления. В тройных газовых смесях, где за счет различия в коэффициентах диффузии может возникать конвективная неустойчивость, проанализированы концентрационные распределения компонентов смеси. В исследовании сравнивались результаты теории и эксперимента.

АBSTRACT

In this article, we use the STEFAN program to analyze the process of diffusion mixing in a three-component gas mixture containing argon, helium and nitrogen, depending on the pressure. In triple gas mixtures, where convective instability can occur due to differences in the diffusion coefficients, the concentration distributions of the mixture components are analyzed. The study compared the results of theory and experiment.

Ключевые слова: давление, концентрация, газовая смесь, диффузионная неустойчивость, взаимная диффузия, мольная доля.

Keywords: pressure, concentration, gas mixture, diffusion instability, mutual diffusion, molar fraction.

Диффузия - это процесс относительного перемещения различных компонентов в одной смеси. Знание коэффициентов диффузии важно для правильного описания таких процессов. Диффузия обычно является медленным процессом и фактором, определяющим скорость во многих случаях массопереноса. Гидродинамическая теория диффузионного массопереноса хорошо развита. Однако строгой теории для расчета основных параметров, коэффициентов диффузии, в этой теории не существует [2]. Основной движущей силой процессов массообмена является разница между концентрациями компонентов в смеси. Но к этому явлению следует отнести то, в какой фазе рассматриваемых систем, по какому закону концентрации компонентов распределяются в них, выполняются ли условия равновесного состояния, каково влияние термодинамических параметров на физико-химические свойства систем и т.д. Такие факторы необходимо учитывать при анализе и расчете процесса. Указанные условия массопереноса позволяют, например, правильно выбрать конструкцию имеющихся диффузионных установок при разделении смеси газов и их размеры.

Проведенные расчеты показали, что в трехкомпонентных газовых смесях происходит сложный массообмен в определенном интервале давления, т. е. в зоне высокого давления образуется конвективный поток. Поэтому полученные результаты были сопоставлены с результатами, полученными экспериментально, и показали хорошую согласованность. Распределение концентраций объясняется различным давлением и гравитацией. Результаты  наших экспериментальных исследований, получены в двухколбовым методом.

Двухколбальная диффузионная установка используется для изучения перехода» диффузионно-концентрационная гравитационная конвекция " и для изучения зависимости концентрации компонентов от перехода от таких параметров, как давление и температура, от одной колбы к другой в конвективном режиме. Основные параметры устройства: объем верхней колбы V₁=(55,5 ±0,5)·10^-6 м³, объем нижней колбы V₂=(55,5 ±0,5)·10^-6 м³ диаметр d = (4,0 ±0, 05)·10^-3 м и длина диффузионного канала L=(64±0,1)·10^-3 м  [1].

Теоретические данные были введены в программу STEFAN и проведено сравнение. Эксперименты проводились при давлении от p=2 МПа до р=20 МПа, при температуре Т=298,0 К. Все параметры измерения были включены в программу STEFAN и получен график зависимости мольной доли (С) от давления (р). На рисунках ниже показано изменение теоретических и экпсериментных значений концентраций газов Ar,N₂ при постоянной температуре 298 К в интервале давления 2 – 20 МПа.

Рисунок 1. Зависимость теоретических и экспериментальных значений концентрации газа Ar от давления в верхней колбе, температура - 298,0 К

Рисунок 2. Зависимость теоретических и экспериментальных значений концентрации газа Ar от давления в нижней колбе, температура - 298,0 К

Рисунок 3. Зависимость теоретических и экспериментальных значений концентрации газа N₂ от давления в верхней колбе, температура - 298,0 К

Рисунок 4. Зависимость теоретических и экспериментальных значений концентрации газа N₂ от давления в верхней колбе, температура - 298,0 К

Проведенные расчеты показали, что в трехкомпонентных газовых смесях происходит сложный массообмен в определенном интервале давления, т. е. в зоне высокого давления образуется конвективный поток. Поэтому полученные результаты были сопоставлены с результатами, полученными экспериментально, и показали хорошую согласованность. Распределение концентраций объясняется различным давлением и графитацией.

Список литературы:

1. Диффузиялық араласудағы механикалық тепе-теңдіктің орнықсыздығын балласты газдар әдісімен зерттеу: Монография / М.К. Асембаева, М.С. Молдабекова – «Қазақ университеті»: 2008. – 110 с.
2. Miller L., Mason E. A. Oscillating instabilities in multicomponent diffusion // Phys. Fluids. 1966. V. 9, N 4. с. 711–721.