автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Радиационные характеристики этана и пропана

Казанский ордена Трудового Краевого Зяодовл хяшюо-техкологнческий пиотитут ш.С.И.Кнрояа

11а правах рукописи НИЗАМШ АНАС МУСЖШВИЧ

РЛЕШШПЫБ ХАРАКТЕР,ЮТИ) ЭТАНА И ПРОПАНА 05.14.05-зеоретич&скна основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1991

Работа выполнена в Казанская ордена Трудового Красного Знамени химико-технодогичеоком институте им.С.М.Кирова.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

заслуженный деятель науки и техники РСФСР и ТССР, доктор технических наук, лрофзсоор Уоманов А.Г., кандидат технических наук, доцент Аху-нов Н.X.

заслуженный деятель науки и техни ТССР, доктор технических наук, профессор Ф.А.Тарифуллин кандидат технических наук, доцент А.Б.Шигапов

ВНЙИНефтемаш, г.Москва

" 1 1"

Защита диссертации соото-ится __алХ&^А.__1991г. в

„часов__на заседании специализированного совета

1 063.37 . 02 при Казанском ордена 1рудового Красного Знамени хи-мика-техналогическом институте им .С. М.Кирова по адресу: ^20015, г.Казань, ул.К.Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского ордена Трудового Красного Знамени химико-технологического института им. С. М.Кирова.

" .»* ч ,

Автореферат разослан ___Lixij.~i--it.~j-L- 1991г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

1зтошкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАЮ ТУ

Дуальность теми. Развитое высокотемпературных нефтехиаичео-х про"из~водств тесно связано о необходимостью исследования радиа-ошшх свойств углеводородного сыр*я. Современная тенденция к они-нло материалоемкости и энергоемкости установок существенно повы-зт требования к эффективности работы и надежности их конструкции, связи о этим большое значение приобретает вопрос учета лучистого плообмена между стенкой и средой, для которого необходимы их ра-ационные характеристики. Поэтому в последние годы проведены пря-е измерения излучательных способностей газообразных углеводородов интервале температур от 473 до 773 К.. Измерения при более высоких ипзратурах связаны с определенными трудностями, вследствие их рмического разложения. Однако в высокотемпературных устано&ках с лын временем контакта сырья, газообразные углеводороды не успева-псяностьо разлагаться, что делает весьма важным расчет' их радиа-онних свойств.

Настоящая работа проведена в соответствия с координационным анон АН СССР по проблеме "Теплофизика", раздал 1.9.1.1.

Целью диссертации является измерение спектров поглощения зта-и пропана в интервале температур 293-473 К, определение парамет-в их полос, расчет коэффициента теплового излучения пропана.

Создана экспериментальная установка для иссле-вания спектров поглощения газов при температурах до 473 К. Измены спектры погладения этана и пропана в интервале температур 2933 К. Определены параметры полос этих углеводородов. Получено выкание Для.огибавией полосы, которая лучше описывает реальную крив спектрального коэффициента поглощения, чем существующие модели роких полос. На основе статистической модели Гуди получена форму-для расчета спектральной, полосовой и интегральной излучатзльной зсобности газов. Впервые проведен расчет коэффициента теплового »учения пропана в интервале температур 400-1200 К при различных гических толщинах.

^е^ш^сть. Результаты расчетов спектральных коэф-шентов излучения газообразных углеводородов переданы в банк ба-зых данных оптических свойств газов, организованном при институте ¡ико-технических проблем энергетики Академии Наук Литвы, для авто -визированного расчета излучательной способности газов.

Результаты расчетов кооффициента теплового излучения газообразных углеводородов использованы цзнтральным институтом авиацией кого машиностроения ии.П.И.Баранова в компяекса работ по сове рае! ствованию тепдового режима аппаратов, работающих на углеводородне сырье.

Аот^_аадвдаег. I. Результаты измерения спектров поглощения этана и пропана в диапазона температур от 293 до 473 К. позволявшие определить параметры полос и влияние на них температура. 2. Р зультаты расчетов спектрального коэффициента поглощения и полногс поглощения пояоо звана и пропана при повыиешшх температурах до 473 К. 3. Уравнения, получанные для огибающей полосы и излучатель ной способности газов.

¿ОЁйЗЗНМ.Основные результаты работи до ладывалиоь. на итоговых научно-технических конференциях КИИ им.С. Кирова в г.Казани (1965-1990 гг.) и на У1 Всесоюзной конференция по радиационному теплообмену в технике и технологии в 1987 году ъ г.Каунасе.

Орезультатам работа опубликовано 8 статей.

00ъе_к_£аботы. Диссертация состоит, из введения, трех гяав, заключения и списка литературы из 94 наименований, приложения. Объем работи вместе с рисунками и таблицами 169 страшц. Прилагаются материала о внедрении.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность разрабатываемой проблемы сформулирована цель работы.

Диссертации проведен анализ основных методов определения излучательной способности газов. С этой целью рассиот реиы физические процессы при излучении газов, факторы, оказывает; влияние на распределение интенсивности, форму спектральных линия полос' поглоценпя.

Теоретические методы, базирующиеся на современных кванго-мех* ничаских представлениях, не позволяют рассчитывать излучательную способность многоатомных молекул. Это обусловлено отсутствием спе! троокопических постоянных, мекъвдершх потенциалов взаимодействия днпольшх моментов и параметров спектральных линий при различных

неаних условиях. Поэтому применяется приближенные нетады раочета.

Дия расчетов излучатеяьной сносе.бностл о иопопьзо вашем уа-*х полос необходимы данные о влиянии температуры и давления на араметры линий $ (и), Т) . 5 Т,Р) и с1 (сО, Т, Р) .

В настоящее время спектры поглощения вращательных линий пре-заьного ряда углеводородов измерены лишь у метана и этана. Для гана. такие измерения проведены на отдельных участках спектра погашения и при малых давлениях. Наложение линий в областях перекрытия полоо, отоутсгвия измерений линейчатого спектра в пределах зея полосы поглощения и различных температурах не позволяют опросить 5(а),Т), 6(и),Р,Т) пс1(ь),Р, Т) .

Каждая полоса поглощения этана имеет десятки, а пропана сотни мяч опектральных линий. Да^е имея спектр этана с высоким разре-гнием, погрешности определенияЗ (сО,Т), В (ч)гР,Т) и с1(с^,Р,Т) при-здут к существенным ошибкам расчетных величин излучательной опо-збности. Поэтому средние значения их определяют, применяя модель ¿роких полос. Информации о5/5 и Й/У в полоса можно получить пу-зм расчета, используя для этого спектральные измерения полоо погашения газообразных углеводородов.

Спектры поглощения газообразных углеводородов оостоят из боль-зго числа взаимно перекрывавшихся полос. Следовательно при расче-з полосовых и интегральных излучательных способностей таких газов *ень важен правильный учет взаимного перекрывания полоо. Отсюда втекает важность правильного математического описания огибавшей элосы. Существующие модели широких полос неудовлетворительно опирают спектральные коэффициенты поглощения реальных спектров, осо-знно на крыльях. Значит расчет излучательной способности газов, з этим моделям, имеющих перекрывающиеоя полосы поглощения, будет авать большое отклонение от экспериментальных данных.

приведено описание экспериментальной уотанов-л, методики измерений и спектры поглощения этана и пропана при омнатной температуре и Т « 473 К.

На рио. I представлена экспериментальная установка, предназ-аченная для спектральных измерений газообразных углеводородов при змпературах до 473 К.

Спектры поглощения метана, этана и пропана записывались на тектрофотометре I модели " РвгК1п-1(тег - 2 97" в диапазоне волно-

О 5

вых'чисел от 600 до 4000

Кювета для заполнения газов оосгояла из двух ячеек- измерите лытй 'и сравнительной. Корпусы ячеек 2 выполнены из нераавевщей

отали в виде цилиндрических труб. Отполированные окна 3 из Л/а Я приклеены к корпусу кюветы тонким, слоем силиконовой замазки Ц.

Вакуумирование кхшеты проводилось форвакуумнам насосом 5 через ловушку и вентили. 7, 8. Величина вакуума измерялась стандартным ионизационно-термоларным вакуумметром ВИГ-3.

Корпус кювета имел рубашку обогрева 9, через которую термостатом 10 прокачиваяаоь жидкость. При этом до температуры 363 К ио -пользовалась вода, а от 373 до 473 К-подиметилсилоксановая жидкость

Температура в рабочей камере кювета измерялась хромепь-копе-лев^ми термопарами II и потенциометром 12 типа Р-363.

Кювета заполнялась азотом и газообразным углеводородом из баллонов 13, 15 через вентили 14, 16. Величину давления газов измеряли о помощью ртутного нанометра Г7.

На описанной выше установке проведены две серии эксперимен -тальных исследований спектров поглощения газообразных углеводородов В первой серии-изиероны поглощение этана и пропана при давлениях от 6.5Л0"21 до 0,1 МПа и трех температурах. Во второй серии исследовано влияние азота на поглощение кмебатепьно-вращатепьных полос метана, этана и пропана.

фрагменты результатов этих измерений представлены на рис.2, 3.

Дб>

0,8

Д6

Ц4 0,2

Ш& у'Л;

1

Аи о,« 46

0,2

г9оо ш ~ жГШ

Рис. 2. Влияние азота 1а поглощение полос метана (а) и этана (б): оплошная линияРсн, »0,00'* НПа, Ра «0; пунктирная линия Реи, -0,004 МПа, Д,2 -0,095 МШ.

Да

ДЗ

а),с«-'

<300

7Ш>

(Ш

гт шо ¿¿и'

Рио. 3. Влияние температуры на поглощение полос пропана:

сплошная линия Т - 300 К, пунктирная линия Г - '»73 К. 7

Анализ экспериментальных данных показал, что как и для других газов с поbüüioiüicw температуры ширина полос увеличивается, интенсиз ность основных полос в области максимума уменьшается, а комбинирс ванных - незначительно увеличивается.

Зависимость контура полос, поглощения от температуры связана о изменением распределения молекул по вращательным уровням основного состояния. Заселение молекулами более высоких вращательных энергетических уровней с ростом температуры обуславливает температурное уширение полос, йдновременно с заселением этих уровней уменьшается число частиц на максимально заселенных вращательных уровнях, что приводит к понижению интенсивности в области максимума вращательных ветвей основных полос. Кроме того, на форму кон тура полос поглощения газов может оказывать влияние вероятность колебательно-вращательных переходов вследствие ангармонизма колебаний и коле бате яьш>-врада*Ееяьиих взаииодейстшй.

Исследования влияния диагермичкого азота на. поглощение полос метана, этана и пропана показали, что наибольшему изменению подвергается спектры метана. Влияние азота на поглощение трех основных полос этана неодинаково. Б пределах до 0,1 Mila азот практически не 'влияет на спектр поглощения пропана. Такой результат cor даоуется о работой*, согласно которой действие посторонних газов на поглощение становится менее заметным при. усложнении поглощающих молекул.

Кроме того, были проведены тарировочные опыты для газообразного этана и пропана при комнатной температуре, результаты наших измерений, интегральной интенсивности основных полос для этих углеводородов в пределах 8,52 сходятся с имеющимися литературными ^данными^.

^SSSi^ÄäSä. посвящена расчету изяучательных свойств прпана,

Полная изяучательная способность изотермического полусферического объема газа при перекрывании полос определяется выражение»

1. Заяеоокая ГЛ. Злияниз температуры и давления на инфра-краоные полосы поглощения паров многоатомных молекул. - Дисс.канд. физ.-мат. наук. - Ийнск, 1969. - 146 о.

2. Свердлов Ü.M., Ковкер М.А., Крайнев E.H. Колебательные спектры многоатомных молекул. - М.: Наука, 1970. - 560 с.

со

- опвкврааьная ик-

се ноивность абсолвтно черного телаи - внркяа нэпе-

рекрыгой и перекрытая области полоса.

Спектральное поглощение Ду- определяется вырайзнаем

Газообразный пропал имеет 20 основных полое поглощения. Дале три комнатной температуре больпинство из них перекрыты. Подоса^дяя соторих наблюдалось нззначиФельн'ое перекрытие;били предотавлеиы ¡сак отдельные. При. расчета излучательноЛ способности учитывались 3 основных и 9 комбинированных полос. С ростом темпзратура етл Г7 полос перзкрываясь между собой образовывали три олсяшх перекрывающихся полоса в облаотях спектра 747-1690 , 2220-3340 и 36903830 см"1.

Б результате анализа различных иодэлеЯ строках полос в ка -«стве огибающей полосы начи предложена квадратная скспянзкцнаАЬ-ная зависимость в виде

*ая интенсивность и параметр сирины полоса, со0 - золнобоз чиоао центра полосы.

Параметр К определяли используя уравнение ( 3 ). При этом значения с* вычисляли методом Зильсока-Уэльса.'

Температурная зависимость пар&чзтровг лшшя и полоа погяопзнил была принята степенной в виде

ло)Гл^(Т/Т0)"\ ы-ас1(Ъ/Т)пг «.-К-О/Т)45,

'ы-ь* (т./т)Х ■ а^сШ/т)*, А)

(2)

где - сирина £ -ой полосы при тзипсратура Тс » ¿* - полуиири на линий при давлении Р0 , Ьс - расстояние «егед: дидиями при те лературе Т.

Показатели степени ^ и ^ дел пропана были определена из спектров поглощения, полученных при температурах 300-473 К.

Дпя учета уишреаия л.инйй от давления пропана использовалось

выр™ в,- в;.(в,р,аг (5)

где .Б1 - коэффициент оамоувирения, РР - парциальное давление ног йсщаюсвго газа. *.

На основе ожагкаяической модели ¡.¡еГ.гра-Гуди и уравнений (3)' и ('0 получено варехеш» для спектрального поглощения полосы

'¿ш.Ш*'* г ' хг1 ' «Дт/ '

ЛУШ

И-ехр(Р^Х),

(б)

СсНЬ^/о^Ж' - . К - оптическая -толщина псг-

попцэдего газа, равная произведений давлений пропана Р., ка эффзк-ташнув голщину слоя газа .

Из условия сходимости АирасГ-'. и Ао1змп ¡детодон по-

»овинного деления определялись численные значения С, гь и с;г

Зкспершеншльные значения поглощения полосы при различных парциальных давлениях и температурах пропана определяли из спектров поглощения.

Подставляя выражения (2) и (6) в формулу (I) и проводя чио-ценное интегрирован из, били определены радиационные характеристик пропана. Для расчета спектральной, полосовой и интегральной изиу-чатальяой способности на ЭВМ била разработана программа.

Результаты расчета излучательной способности С; трех ола«-ных полос в интервале температур 400-1200 К при различных оптичес к-кх толщинах поглощающего газа представлены на рис.4. Расчет теплового коэффициента излучения для Т > 473 К проводился на основе допущения, что температурные коэффициента ^ , ^ и при этих ггмпературах оставтоя неизменными.

10

iio. 4. Иэлучательиая способность трзх СЛ0К1ШХ полос пропана, при различных температурах: а-группа, полос в области 747-I6S0cif' 6-2220-3340 см ~ ^

WY-lbXJCH-, г

в-3 690-3 830 сн ■

Анализ получанных полосовых значений показывает, что при 400 К практически езоь вклад в интегральную из-лучатвльпуп способность давт группа пояоо в области волновых чиоел 747-1690 с«"* г С роотш температуры их вклад уиеньааетоя, в то время как излучение группы 2220-3340 см"1 увеличивается. БксаД трзтьвй группы полос з области 3690-3330 ом"1 из значителен.

На рис. 5 показана температурная завися-иоать расчетных и окопз-риментальных значений интегральной излучатель-пая способности пропана. Последние получены путем прямая намерений в интервале температур

73-730 К • . Они удовлетворительно согяа&укгаоя а расчетными.

Как видно из рис. 5, о росток температура- интегральная изяу-ательная способность пропана, сначала но зраотагив, а затем умеиьза-тся. Такой ход кривых связан с распэлозеяизм пояоо изяучзния продана в спзктрз и их относительной интенсивности.

Результата расчетов, проведенных для различиях сговдм погяо-ающзго слоя газообразного пропана покасагаог,' чтз дазяйк:» оказа-

3*. Васильева JI.M. Степень черноты прэтояьных углеводородов.-исс. канд. техн. наук.,- Казань, 1980. - 139'о.

4. Сагдеев A.A. Коэффициента теплового излучения угкзводоро-ов. - Дисс. кавд, техн. наук. -Казань* 1988. - 118 о.

II

№ Ш то Т,Н

Рио. 5. Зависимость интегральной излучательной способности прошна от температура при толщине слоя rasa L =0,3 м: i-экспериментальные даниыз при (;4Па.м)»0,03; 2-0,020; Э-0,01Ь; 'н0,010; 5-0,003; 6-0,002.

е,----

8 /6 ^ Х/ОШан

Рио. 6. Влияние давления на интегральную излуча-тедьную способность пропана (Т«57 3 К):

1-экспериментальные точки при L » 0,15 м;

2-0,30.

зает более оияьное влияние на излучательнуо опоообнооть, чаи тал-дана, рио. 6.

Доверительная граница погрешности расчета интегральной изау-1ательной способности пропана в иитзрваяэ температур '»00-730 К !авна ± 17,1%.

ЗАКЛКЯЕНИЕ

;. Создаю экспериментальная установка для измерения спектров поглощения газов при парциальных давлениях до 0,1 ИПа'н температурах до 473 К. Вперниэ проведаны систематические исследования инфракрасных спектров поглощения полос газообразного этана и пропана и интервале тзипйратур от 293 до '(73 К и давления от 6,5*Ю-*1 до 0,1 НГ!а при толцинз слоя 0,072 и. ¡. Исследовано влияние диатзртчного азота на поглощение полос метана, этана и пропана. Анализ спекггроз поглощения нетана, этана и пропана показали, что наибользе.чу иачензщш подгзргаот-ся полосы спектра нетана. Влияние азота на поглощоше 3-х основных полос этана неодинаково. В пределах до 0,1 Ша азот-практи-' чески не влияет на спектр поглощения пропана. I. Получено выражение для огибаипзй полосы, которая лупе описывает реальную криву.а спектрального коэффициента погасщекия, чей существующие подели сироких полос. На основа этой сгибающей получена расчетная формула спектральной, полосовой-и штзграшяЛ иэлучательной способности пропана.

Используя проведенные нами спектральные кзнзрения рассчотахл спектральные и интегральные коэффициенты поглощения и попечение полос этана и. пропана, в-интервала теипзрзту-р 293-473 К. Делая допущение, что температурки? хооффздиенга % . у! и при Т > 473 К остается кзигиенними, проездеа расчет еггзктргль-ноя, полосовой ¡1 интегральней ;:злу'.т.тзлы:2Л сгпсобкгстя пропа-. на в интервале температур '100-1200 К при различия оптических толщинах. Результаты расчетов £ пропана удозпетхорктслио согласуются о данными прямых нзнерогеий. котерцо получена в интервале температур 473-730 К. Зкотрспояяцкя клеф&'щпзнтоз , ^ и ^ нонет увеличить погрекность раочетй -6 ¡та* Т > 730 1С.

Публикации по дюсер^ациоянай работе:

I. Сагдеев A.A., Нязаыов A.M.. ¿.хуков Н.Х."-.истов А. Г. Экспериментальное иссдедоЕшка кзд-'чатепышх свс?.оiz газообразных углеводородов в их смесей при тоявдн» сдоя газа 0,15 п //Деп. в ОНИШХим» г.Цзркасси, 1937. - £ I*i60~XII-66.

, 2. Сагдеев A.A., Нкзамэв A.M., Ахунов Н.Х. Исследование спектральных характеристик газообразиаго пропана //Деп. в ОНИИ-ТЭХим, г .Черкассы, 1933. - б Ш8-Х11-87.

3. Низансв , Сагдеев S.A. „ Ахунов Н.Х., Усмаиав А.Г., Я паю кий Л, С. ЭмперЕиевтазыше косасдакшдв и расчет свойств тяжелых углеводородов //Радяадшонииз и-шообаен в технике и технологии (тезиои докладов к У1 Всесоа:-ася научной крнфереиции). ШПЭ АН Лит. ССР, Каунас, 1987. - С. ¿0-25.

4.. Низамов A.M., Сагдеев A.A., /^упов Н.Х. Экспериментальное исследование спектров по га о цени л гагсьбразных углеводородов //Тепла - и масоообяен в хим. технологии: Медвуз, об. Казань: КХТИ. 1968. - С. 20-25.

Ъ. Низааов A.M., Ахунов Н.Х., Сагдеев A.A., Сеиигуялин З.М. Расчет спектральной и интегральной изяучательной способности пропана //Тепло- и маосообмен в хка. технологии: *!ежвуз. cd. Казань: КХТИ. 1989. - С. 7-15.

6. Самигулдин З.М,, Сагдеев A.A., Ахунав Н.Х., Нияачов" A.M. расчет спектральной и интегральной изяучательной способности этана //Тепло- и маооообнен в хим. технологии: Меквуз. сб. Казань: КХТИ. 1939. - С. 15-25.

7. Низамов A.M., Ахунов Н.Х.» Сагдеев A.A., Саяигуялин З.М. Спектральные коэффициенты поглощения этана //Деп. в ОЕ'ЙТЭХим, г.Черкасоы, 1990. - ß 27I-XII-90.

ß. Низамов A.M., Ахунов Н.Х., Сагдеев A.A. . Излучательная способность пропана //ТВГ, 1990. - Т. 23. - Л 3. С. 473-479.

Соискатель A.M. Низамов