автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Интегральный коэффициент поглощения СО2 и С2Н4 (область фазового перехода и закритическое состояние)

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ИОДЫ РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ГАЗОВ.

1.1. Некоторые закономерности поглощения теп -лового излучения газами.

1.2. Мэдели полос поглощения.

1.3. Применение некоторых моделей полос для описания коэффициентов поглощения газов при давлениях выше атмосферного.

1.4. Эмпирические методы расчета коэффициента поглощения газов.

1.5. Некоторые закономерности влияния давления на радиационные свойства газов.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ ГАЗОВ.

2.1. Экспериментальные установки для измерения коэффициентов поглощения.

2.1.1. Метод встречных потоков.

2.1.2. Метод ограничивающих окон.

2.2. Экспериментальная установка для измерения интегрального коэффициента поглощения газов вблизи фазового перехода и закритическом состоянии.

2.2.1. Описание конструкции установки для измерения инфракрасного коэффици ента поглощения.

2.2.2. Система подачи газов.

2.2.3. Измерение температур.

2.2.4. Регистрация тепловых потоков.

2.2.5. Методика измерений интегрального коэффициента поглощения.

2.3. Установка для измерения эквивалентной ширины основных полос поглощения угле -кислоты и этилена.

2.3.1. Описание конструкции измеритель ной ячейки.

2.3.2. Мзтодика измерения.

2.4. Оценка погрешности эксперимента.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ИНТЕГРАЛЬНОГО КОЭФФИЦИ -ЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ШИРИНЫ ОСНОВНЫХ ПОЛОС С02 и С2Н4 ВБЛИЗИ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА И ЗАКРИЖЕСКОЙ ОБЛАСТИ.

3.1. Результаты измерений интегрального коэффициента поглощения.

3.1.1. Обсуждение экспериментальных данных.

3.2. Результаты измерений эквивалентной ширины основных полос углекислоты и этилена и их обсуждение.

3.3. Расчеты интегрального коэффициента по -глощения и эквивалентной ширины полос

С02 и С2Н4.

3.3.1. Интегральный коэффициент поглощения этилена.

3.3.2. Интегральный коэффициент поглоще ния двуокиси углерода.ИЗ

3.3.3. Эквивалентная ширина 10,52 и

6,67 мкм полос поглощения этилена.

3.3.4. Эквивалентная ширина полос погло щения двуокиси углерода.

Выводы по третьей главе.

ЗАКЖНЕНИЕ.

Данные по коэффициентам поглощения необходимы для расчета теплообмена излучением между средой и стенкой. Эти сведения могут тате стимулировать теоретические исследования в области радиационных характеристик реальных газов. Однако интегральные и спектральные коэффициенты поглощения веществ вблизи фазового перехода газ-жидкость и закритическом состоянии практически не исследованы. Не ясен и характер их поведения при повышенных давлениях. в промышленных аппаратах в большинстве случаев газ находится при высоких давлениях. Поэтому необходимость исследования, указанных выше радиационных характеристик сжатых газов является актуальной задачей как с теоретической, так и с прикладной точек зрения. В качестве объектов исследования нами были выбраны углекислый газ и этилен - широко применяемые в современной промышленности. Не останавливаясь на примерах использования углекислого газа, поскольку они общеизвестны»отметим здесь только значение этилена для современной химической промышленности. По производству и потреблению этилен занимает первое место среди углеводородного сырья. Из этилена подучают полиэтилен, окись этилена, этанол, и целый ряд других важнейших продуктов органического синтеза.

Диссертация состоит из трех глав.

В первой главе кратко изложены методы (теоретические, модели полос, эмпирические) определения коэффициентов поглощения газов.

Показано, что в настоящее время эти методы не могут быть использованы для расчета коэффициентов поглощения сжатых газов. о

Во второй главе рассматриваются существующие методы измерения. Для решения нашей задачи выбирается наиболее приемлемый метод измерения, в котором исследуемый слой газа создается с помощью окон прозрачных в инфракрасной области спектра.

В третьей главе приводятся результаты измерения интегральных коэффициентов поглощения и эквивалентной ширины полос двуокиси углерода и этилена в диапазоне параметров, охватывающих фазовые переходы и закретическую область. Здесь также приведены результаты обработки опытных данных, которые позволили получить уравнения для расчета коэффициентов поглощения двуокиси углерода и этилена при повышенных давлениях.

Автор выракает глубокую благодарность своему научному руководителю, д.т.н., профессору Айтугану Гарифовичу Усманову и к.т.н., доц. каф.ТОТ КХТИ К.Б.Панфиловичу за повседневную помощь и ценные советы при выполнении настоящей работы.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

0. - интегральный коэффициент поглощения; А - эквивалентная ширина полосы; с! - расстояние между линиями; 6 - полуширина линии;

6ц= 6с+ - полуширина линии с лоренцевским контуром; 3 - интегральный показатель поглощения линии; б - постоянная Стефана-Больцмана; X - оптическая длина пути луча; Ь - постоянная Планка; Л - длина волны; СО - волновое число;

00о- волновое число центра линии или полосы; ПО и>ц)- интенсивность падающего излучения; К - показатель поглощения; спектральный; Т - абсолютная температура; Р - полное давление; В - парциальное давление; Ре - эффективное давление; С - скорость света в вакууме V - частота; ^ - плотность газа; X - температура источника излучения.

Индексы Л , V ,и/ указывают, что величина относится к определенной длине волны, частоте и волновому числу.

I. МЕТОда РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ГАЗОВ

К настоящему времени разработан ряд методов расчета интегральных и спектральных коэффициентов поглощения и излучения газов. Они основаны на представлениях квантовой механики, статистической физики и некоторых полуэмпирических закономерностях изменения радиационных характеристик. В настоящей главе будут рассмотрены возможности теоретических расчетов, модели полос поглощения и эмпирические методы представления опытных данных. Обсуждается их применимость к реальным газам вблизи фазового перехода и закритической области.

Выводы

1. Впервые проведены измерения интегральных коэффициентов поглощения двуокиси углерода и этилена вблизи фазового перехода и закритичееком состоянии на одиннадцати изотермах 279-363 К (С2Н4) и 288-363 К (С02) в диапазоне давлений от 0,1 до 10 Ша на трех толщинах слоя газа.

2. Проведены измерения эквивалентной ширины полос: двуокиси углерода 2,7; 4,3; 15 мкм в диапазоне температур 293-363 К и давлений 0,1-10 МОа; этилена 6,67; 10,52 мкм в диапазоне темн ператур 289-323 К и давлений 0,1-5 Ша.

3. Результаты измерений показали, что интегральный коэффициент поглощения и эквивалентная ширина полос в области фазового перехода испытывает резкие изменения, в области жидкости изменяется плавно.

4. В результате обработки получены уравнения для расчета величин 01 и А этилена и двуокиси углерода при повышенных давлениях вблизи фазового перехода и закритичееком состоянии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перед нами быда поставлена задача: измерить интегральные коэффициенты поглощения двуокиси углерода и этилена вблизи фазового перехода и закритическом состоянии. Для решения этих задач была создана экспериментальная установка, в которой сдой газа создавался с помощью,ограничивающих его, окон.

Интегральные коэффициенты поглощения были измерены: двуокиси углерода при температурах 288,293,298,302,304,306,323,343, 363 К в диапазоне давлений от 0 до 10 МПа; этилена при температурах 279,280,281,283,285,288,293,303,323,343,363 К в диапазоне давлений от 0,1 до 10 МПа.

Были проведены также частичные измерения эквивалентной ширины полос: двуокиси углерода 2,7 мки, 4,3 мкм, 15 мкмс на изотермах 293,298,303,306,313,333,348,363 К при толщине слоя, равном 0,00015 м; 0,009 м; этилена 10,52 мкм и 6,67 мкм на изотермах 289,293,303,323 К, при толщине слоя, равном 0,00015 м.

Измерения показали, что величина интегрального коэффициента поглощения для двуокиси углерода и этилена с повышением давления возрастает по мере приближения к области фазового перехода. Вблизи фазового перехода происходит резкий скачок значений интегрального коэффициента поглощения. В области жидкого состояния коэффициенты поглощения менее чувствительны к изменению давления. Подученные значения интегрального коэффициента поглощения и эквивалентной ширины полосы при высоких давлениях имеют такой же характер изменения, как и зависимость от давления других теп-дофизических свойств.

Проведено обобщение результатов измерений интегральных коэффициентов поглощения и эквивалентной ширины полос для двуокиси углерода и этилена в виде функциональной зависимости ашЩЛ), а которые позволяют рассчитывать указанный радиационные характеристики двуокиси углерода и этилена при высоких давлениях и температурах не охваченных опытом.

1. Пеннер С.С. Количественная молекулярная спектроскопия и излучательная способность газов. ГЛ. : ИЛ, 1963, 492 с.

2. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. М.-Л.: Гос -энергоиздат, 1962, 332 с.4. 1Уди P.M. Атмосферная радиация. М. : Мир, Г966, 522 с.

3. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. М.: Физматгиз, 1962, 892 с.

4. Тьен К.А. Радиационные свойства газов. В кн.: Успехи теплопередачи. М. : Мир, 1971, с.280-360.

5. Головнев И.Ф., Замураев В.П., Кацнельсон С.С. и др. Радиационный перенос в высокотемпературных газах/Под ред. Р. И. Солоухина.

6. Ludwig C.B., Ferriso С.С., MaBkmusW., Bognton F.P. High temperature spectraß of the pure rotationaß Sand oj H2O, 3.0.S.R. T., y5, Í965, с 697 -М .

7. Детков С.П., Береговой А.Н., Токмаков В.Н. Степень черноты газов: двуокиси серы и окиси углерода. Деп. ИФЖ № 297-76. Деп., Минск, 75 с.

8. Lekner В Spectraß and totaE emissivity oj water vapor and CarBon dioxide. Com6 and FEame. v<9, ,1972,с 33-48.

9. Yömamoto G., Tanaka M., Aokl T. j Gluant. Spectr. Rad, Transfer. 9.371, 1969.

10. Смирнов Б.M., Шляпников Г.В., Перенос инфракрасного излучения в молекулярных газах. Успехи физических наук. Г980, т.130, tè 3, с.317-414.

11. Пластинин В.А. Излучательные способности и спектральный коэффициент поглощения продуктов сгорания. ПМГФ, 1969,2, с.86-92.16. ddwards D.K., and Menard W. Comparison oí modeßs jor correÊatîon of to+oB Band oBsortions. AppE Optics 3,1964, с 621 625.

12. Тьен C.L., Lowder I.E., A.Gorre&ation of tolaВ êand aBsorption of radiation gases.

13. Docherty P, Prediction о j gas emissivlty jor a vide rang oj process condition . Heat Transfer, 1962. Proc th Orft, Conf, München, Sept 6-10, v. 2, 1982, С 481-485.

14. Детков С.П., Виноградов A.B. Степень черноты водяного пара. Теплоэнергетика, 1969, № II, с.75-76.

15. Детков С.П., Токмаков В.Н. Новая широкополосная мо -дель в расчетах излучения газов. Деп. в ВИНИТИ J& 274Г-75. Деп. аннотация в ЖПС, т.ХНУ, вып.1. Шнек, 1976, с.170-171.

16. Детков С.П. К расчету поглощения в колебательно-вра -щательной полосе спектра. ПМГФ, 1972, В 2, с.15-22.

17. Тамонис М.М. Радиационный сложный теплообмен в кана -лах. Вильнюс: Мэкиас, 1981, 256 с.

18. Penner S.S.ond Varanasi P.l Quant Spectrosc Radiat Transfer 7. 1967.; с 687 690.

19. Лукаш В.П. Теплофизика высоких температур, продуктов сгорания топлив (С02 и Н20) при высоких температурах и давле -ниях. ТВТ, 1971, т.9, J& 4, с.708-716.28.' Хоттель X. Лучистый теплообмен^ В кн.: Теплопередача/Под ред.Шкс-Адамса. М., 1961, с.87-175.

20. Гальцев А.П., Осипов В.М. Расчет пропускания ИК полос

21. С02 при высоких температурах и давлениях. Изв.АН СССР Ф.А.О. т.7, Л 8, 1971, с.857-870.

22. Осипов В.М. Теоретическое исследование ИК-спектра С02 при высоких температурах и давлениях. Автореф.дис. . канд. техн.наук. Ленинград, 1971, 16 с.

23. Гальцев А.П., Одишария М.А. Полосы поглощения С02 7,2; 7,8;,9,4; 10,4 и 15 мкм при повышенном давлении. Изв.АН СССР Ф.А.О. 1970, В 9, с.881-888.

24. Одишария М.А. Экспериментальные исследования ИК-спектра С02 при повышенных давлениях и температурах. Автореф.дис. . канд.техн.наук. Ленинград, 1971, 16 с.

25. Адикс Т.Г. Экспериментальное исследование ИК-спектра поглощения С02 применительно к окнам прозрачности атмосферы "Венера". Авт Дис. . канд.физ.-мат.наук. - М., 1982, 245 с.

26. Кириллин В.A., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М. : Наука, 1979, 5Г2 с.

27. Алтунин В.В. Теплофизические свойства двуокиси углерода. М. : йзд-во стандартов, 1975, 546 с.

28. Эдварде Д.К. Лучистый теплообмен в объеме с несерой оболочкой, заполненной изотермической газовой смесью двуокиси углерода с азотом. Труды амер.об-ва инж.-мех. сер.С.Теплопередача, 1962, Jh I, с.3-14.

29. Edwards D. К. ABsorptlon By inhered Sands of Car&on dioxide gas otaEevated pressures and temperatures voE. 50, i960, p 6i7- 626.

30. Bevans J .T., DunkEe R.V.; Edwards U.K., Gier j.T., Levenson L.L. and Oppenheim A.K., Apparatur jor the determination oj the Band absorption oj gases at ePevated pressure and temperatures, j.OpticaE Society of America, voE 50, 1959, p <30- 66.

31. HotteE H.C.and MangePsdorj Heat Transmission By radiation jrom non Puminous gases. ExperimentaE study oj carBon dioxide and Neater. vopor, 1935, p:.5i7-549.

32. HotteE H.C. and £jBert R.B. Transmission jrom water vopor. American Society oj MechanicaE Engineers hH3J942, p 531- 566.

33. Эккерт VDI FORSCHUNGSHEFT 387. AUS&ABE. BBD6. <937, S 1-20.

34. HotteE H.C.,Smith V., Trans. Am. Soo. oj Mech. Eng т. 57j 1935, p 463.

35. ГУрвич A.M., Штор B.B. Излучение дымовых газов. -Теплоэнергетика, № 12, 1955.

36. Sohack К. Eur Beredinung der WasserdmpJstrahEung Chemie 3ng Tech . 43, rfa , m, s m <{53 .

37. Schack К. Berechnunigder stnohBing von Wasserdampi und KohBsndioxide. Chemie . Dng, Techn. d 2,1970, с 53- 56.

38. Детков С.П. Формула степени черноты углекислого газа. ®Ж, т.28, № 3, 1975, с.472-476.

39. Пеннер С.С., Олфи Д., Томсон А. Связь между поглоща -тельной и излучательной способностями молекулярного газа. В кн.: Термодинамические свойства переноса газов и жидкостей и твердых тел. М.: Энергия, 1964, 256 с.

40. Фомин В.В. Периферия полос поглощения как специфиче -ский вид проявления межмолекулярного взаимодействия газов.

41. В кн.: Спектральные проявления межмолекулярного взаимодейст -вия газов. Новосибирск: Наука, 1982, с.5-40.

42. Каплан И.Г., Родимова О.Б., Фомин В.В. Свойства димеров и их роль в атмосфере. В кн.: Спектральные проявления межмолекулярного взаимодействия газов. Новосибирск: Наука, 1982, с. 51-100.

43. Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Табли -цы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: Изд-во стандартов, 1969, с.408.

44. Бахшиев Н.Г. Спектроскопия межмолекулярного взаимо -действия. М.: Наука, 1972. с. 264.

45. WeBsh H.L., Cramjord M.F., Locke J.L., Dnjrared aBsorption 0} oxygen and nitrogen induced By intermoBecuEar forces-Phys.Rev., v. 75 , <949, p 1607.

46. Lon<3 C.A., Ewing У.Е. Spectroscopic investigation oj von der WaaSs moEecu6es, i The injrared and vis'tBEe spectraj.Chem, Phys. 1973, v.5B dH,p4824 4654.

47. Long C.A., Ewing У.Е., The infrared Spectrum Oj Bound state oxygen dimers in the 90s phase -Chem. PhyS.Lejt. v 9, tl3 , 1971, p 225 229.

48. Стырикович М.А., Ветров A.A., Юхневич Г.В. ДАН СССР, 1976, 222, 136.

49. KEqus E.L. A&handE, ßraunschutf, wiss, Gess. 15, 1965, с 16-79 .

50. Mac Cormack K.E.; Schneider W.G. OntermoBecuEqr potentials. 0. CarBon TetrajEuoride and suEiur hexajEuoride, l CarBon dioxide j.Chem. Phys . v <9. d7 J951, p Ö49-855.

51. Накамото К. Инфракрасные спектры неорганических и координационных соединений. М.: Мир, 1966.

52. Беллами Л. Инфракрасные спектры сложных молекул. М.: ИЛ, 1963.

53. Penner S.S. WeBer D.3.J Chys, v19J951, p60.

54. Москаленко Н.И., Мирумянц С.О., Аверьянова A.B., Зо -tob O.B., Ильин Ю.А. Аппаратура для комплексных исследований характеристик молекулярного поглощения радиации атмосферными газами. ЖПС, т.XIX, вып.4, 1973, с.752-756.

55. Воронков Е.М., Гречушников Г. И., Дистлер И. П. и др. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука,1965, с.127-129.

56. Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. М.: Наука, 1964.

57. ГОСТ 8.011-72. Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений. М.: ГСИ, 1972.

58. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными на -блюдениями. Мзтоды обработки результатов наблюдений. М.: ГСИ, 1978.

59. ГОСТ 11.602-73. Правила оценки анормальности резуль -татовтатов наблюдений. М.: ГСИ, 1982.

60. ГОСТ 11.004-74. Прикладная статистика. Правила опре -деления оценок и доверительных границ для параметров нормаль -ного распределения. М.: ГСИ, 1974.

61. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. I.: Наука, 1974, 108 с.

62. Тухватуллин С.Г., Васильева Л.М., Ахунов Н.Х., Усма -нов А.Г. Экспериментальное исследование теплового излучения некоторых газообразных углеводородов. Теплоэнергетика, 1980, № 4, с.65-68.

63. Термодинамические свойства этилена/Сычев В.В. и др. М.: Изд-во стандартов, 1981, 280 с.

64. DousEin D.K., Harrison R.H. Pressure, voEume, temperature reEations oj e+hyEene j.Chem. Thermodynamics, v 8 , <976, p 303 - 330.

65. Указанная научно-исследовательская работа выполнялась по до -говору о творческом содружестве с Казанским химико-технологическим институтом им.С.'М.Кирова.

66. Необходимость исследования интегральных коэффициентов погло -щения и эквивалентной ширины полос этилена в области фазового пе -рехода и закритическом состоянии была вызвана отсутствием этих данных в справочной и периодической литературе.

67. Этилен производится и широко используется в производственном объединении "Органический синтез". Предприятие дополнительно использует также этилен, транспортируемый из Нижнекамска по трубо -проводу, где он находится близко к области фазового перехода.

68. Этилен является исходным веществом, из которого получают по -лиэтилен низкого и высокого давления, полистирол, окись этилена и целый ряд соединений, важных для народного хозяйства.

69. Основные технологические процессы, связанные с получением этих продуктов, имеют ряд стадий, где этилен находится в области фазового перехода и закритическом состоянии.

70. Результаты измерений, выполненные Будариным П.И., используются при проведении проверочных расчетов соответствующих реакторов и установок для разделения газов и в этиленовых компрессорных уста -новках.

71. Интегральные коэффициенты поглощения этилена заложены в банк данных по теплофизическим свойствам органических соединений, используемых ПО "Органический синтез".

72. Заместитель главного инженера по новой технике ПО "Органи -веский синтез",■кандидат технических наук1. В. М. Краев