Конвекция термодиффузии

Однако некоторые проблемы переноса тепла (например, перенос тепла в газовых смесях) слишком сложны и не могут быть полностью решены с помощью чисто эмпирических методов. Так, например, правильный учет роли конвекции, термодиффузии, температурного скачка и других явлений при экспериментальном определении теплопроводности газовых смесей требует рассмотрения их физической природы. [c.3]

В качестве метода разделения и исследования нефтей и нефтяных фракций применяют метод термической диффузии. Процесс термодиффузии идет в кольцевом пространстве между стенками двух коаксиальных цилиндров, куда помещается исследуемая жидкость или газ. Температура стенок поддерживается различная. В результате конвекции жидкость или газ начинают циркулировать, при этом более тяжелые компоненты двигаются по направлению к более холодной стенке и концентрируются на дне, а более легкие — по направлению к теплой стенке и собираются в верхней части колонки. Метод применяется для разделения углеводородов смазочных масел, причем разделение происходит в соответствии с числом колец. В нижней части колонки концентрируются компоненты с наибольшим числом колец. В некоторых случаях термическую диффузию используют для разделения газов и паров. [c.231]

Из соотношения (IV.8) следует, что коэффициент разделения при термодиффузии без конвекции нетрудно определить, если известна постоянная термодиффузии ат (термодиффузионный фактор), зависящая от природы компонента смеси. С некоторым приближением ат может быть найдена расчетным путем исходя из положений молекулярной теории смеси газов с наложенным на эту смесь температурным градиентом. Для проведения соответствующих расчетов требуется знание характера межмолекулярного взаимодействия в заданной газовой смеси. Теоретическое вычисление постоянной термодиффузии возможно лишь при использовании той или иной модели межмолекулярного взаимодействия. Выбор модели определяется требуемой точностью оценки величины ат и связанными с ней расчетными трудностями. Соответствующие вычисления существенно упрощаются для смесей изотопов. [c.162]

Вдоль стенок возникают конвекционные токи, а между стенками—термодиффузия в результате диффузии и конвекции внизу концентрируется более тяжелый компонент, вверху—более легкий. При соизмеримых скоростях конвекции и диффузии коэффициент [c.253]

Интересные опыты по изучению диффузии в газовых смесях и в растворах под влиянием температуры проведены Соре (1879). Если жидким раствором или смесью газов заполнить вертикальную трубку и верхний конец ее нагревать, а низ охлаждать, то концентрация раствора или смеси газов на обоих концах трубки становится различной (эффект Соре). Хотя разности концентрации на концах трубки не превышают нескольких процентов в газах и десятых долей процента в жидкостях, к такому эффекту было проявлено внимание и позднее удалось установить, что эффект Соре становится во много раз значительнее, если его усилить путем тепловой конвекции. В настоящее время такой прием, называемый методом термодиффузии газовых смесей, широко применяют для разделения изотопов. При разделении на компоненты жидких растворов термодиффузия менее эффективна. [c.153]

Мы будем рассматривать только малые возмущения (линейную устойчивость), и это будет нашим основным ограничением. И даже при таких ограничениях область исследовання очень широка. Она содержит все гидродинамические задачи устойчивости, такие, как возникновение конвекции или турбулентности проблему устойчивости чисто диссипативных процессов типа химических реакций термодиффузию и пр. Наиболее привлекательной чертой этого метода является единый теоретический подход, справедливый для широкого круга макроскопических систем. [c.69]

Эффективность метода термодиффузии усиливается идущей обычно параллельно диффузии тепловой конвекцией. В этом случае принцип термодиффузионного метода выглядит следующим образом. Пусть разделяемая смесь помещена между горячей и холодной стенками сосуда. Понятия горячий и холодный здесь, разумеется, относительны. Вследствие эффекта термодиффузии легкий компонент концентрируется около горячей стенки, а тяжелый — у холодной. Кроме того, в сосуде возникают конвекционные потоки, вызванные разностью плотностей холодного и горячего газа (жидкости). В результате этого около горячей стенки возникает направленное движение массы газа (жидкости) вверх, а около холодной — вниз. Вот почему легкий компонент будет концентрироваться вверху сосуда, а тяжелый — внизу. Предельное разделение соответствует стационарному состоянию, когда количества легкого компонента вверху трубки и тяжелого внизу ее не будут более изменяться в результате процессов термодиффузии и конвекции. Однако при достижении стационарного равновесия должно происходить немедленное отделение обогащенных слоев, так как в смеси происходит также обычная концентрационная диффузия, направленная на выравнивание концентраций.разделяемых компонентов, причем эта диффузия идет тем быстрее, чем больше разность в концентрации газа (жидкости) в верхней и,нижней областях трубки. [c.42]

Скорость горения определяется не только скоростью собственно химических реакций, но и конценфацией О, в зоне реагирования. Доставка О, к поверхности частицы осуществляется за счет турбулентной (молярной) и молекулярной диффузии. Движущей силой молекулярной диффузии является перепад концентраций и температур (термодиффузия). Молярная диффузия происходит под действием конвекции, обусловленной движением газа. [c.40]

Формула (IX, 37) представляет собой окончательную расчетную формулу для определения стационарного разогрева поверхности с учетом термодиффузии и диффузионной теплопроводности при наличии конвекции. [c.410]

Элементарный эффект разделения, как правило, мал, поэтому разделение обычно проводят в термогравитационных колоннах, впервые описанных в работе [9]. Теории метода разделения посвящены работы [3, 10]. Элементарный термодиффузионный эффект, развивающийся в колоннах в горизонтальном направлении, усиливается за счет возникающей противоточной вертикальной термогравитационной конвекции. Молекулы компонента, направляющиеся вследствие термодиффузии к горячей стенке, увлекаются восходящим конвекционным потоком к верху колонны. Молекулы другого компонента бинарной смеси увлекаются нисходящим потоком вдоль холодной стенки к низу колонны. Таким образом, вдоль колонны устанавливается градиент концентрации. С другой стороны конвекционные потоки оказывают перемешивающее действие и уменьшают продольный эффект разделения. Равновесный градиент концентрации вдоль колонны является, таким образом, результатом динамического равновесия потоков термодиффузии, продольной и поперечной диффузии и конвекции. [c.256]

Весь процесс можно разбить на несколько стадий, рассматривая отдельно действие термодиффузии и конвекции. [c.402]

Термодиффузия,- применяемая для жидкостей и газов, основана на том, что если в закрытом вертикальном цилиндре, снабженном центральной внутренней трубкой или нитью накала, создать разность температур порядка 600° около его периферийной и внутренней стенок, то в силу конвекции более легкие молекулы собираются в центре цилиндра и устремляются вверх, более тяжелые концентрируются в периферийной части и устремляются вниз. Встречные потоки молекул при контакте взаимно обогащают друг друга спускающийся вниз холодный (периферийный) поток обогащает поднимающийся вверх горячий (центральный) своими (механически увлеченными) легкими молекулами, и наоборот (принцип противотока). [c.194]

Таким образом, коэффициент разделения при термодиффузии без конвекции нетрудно оценить, если известна постоянная термодиффузии а, зависящая от природы компонентов смеси. Теоретическое вычисление постоянной термодиффузии представляет собой трудную задачу, поскольку при этом приходится прибегать к той или иной модели, иллюстрирующей закон межмолекулярного взаимодействия. Расчет сравнительно упрощается для смеси [c.121]

На рисунке этот конвекционный поток, вызванный разными плотностями нагретого и холодного газа, обозначен пунктирной линией. Одновременно с вертикальной конвекцией, перпендикулярно к ней, возникает термодиффузия, показанная на рисунке горизонтальной стрелкой. [c.89]

Для многократного использования небольшого различия в составах метод термической диффузии применяется в сочетании с использование термической конвекции. Аппарат для разделения смеси газов состоит в основном из длинной вертикально установленной трубки I (рис. 53), по оси которой проходит проволока 2 (или тонкая трубка), нагреваемая до высокой температуры электрическим током (нли другим способом). Наружная трубка окружается рубашкой 3 для охлаждения. Эффект термодиффузии сказывается в том, что более легкие молекулы направляются к горячей проволоке, где они поступают в восходящий конвекционный ток, существующий вблизи проволоки, а более тяжелые молекулы направляются к наружной стенке трубки и здесь попадают в нисходящий конвекционный ток. В результате более легкие молекулы направляются вверх, а более тяжелые — вниз, и вдоль трубки устанавливается некоторый градиент концентрации. Образованию и сохранению этого градиента противодействует частичное перемешивание потоков и обычная диффузия. [c.160]

Внутренняя задача теплообмена при нагреве жидких сред может отличаться крайней сложностью вследствие сочетания теплопроводности, конвекции и излучения. Некоторые жидкости (вода, масло, расплавленное стекло) обладают в световом диапазоне волн известной луче- прозрачностью, но практически большинство жидкостей нелучепрозрачны в тепловом диапазоне волн, который характерен для работы печей. Значительной теплопроводностью обладают только жидкие металлы коэффициент тейлопроводности неметаллов обычно не превышают 1—2 Вт/(м -К). В соответствии с указанным перенос тепла в неметаллической неподвижной жидкости мало интенсивен, и такое жидкое тело чаще всего относится к категории массивных тел. Массообмен в жидкой ванне в свою очередь оказывает влияние на перенос тепла. При наличии разности концентраций возникает процесс молекулярной диффузии при наличии разности температур— процесс термодиффузии в направлении градиента температур. [c.36]

Хотя метод термодиффузии до настоящего времени и не нашел столь широкого применения, как дистилляционные и кристаллизационные методы, тем не менее он используется в качестве одного из эффективных методов разделения газовых смесей. В последнее время проявляется все больший Рис. 42. Схема термодиффузионмом ццтерес К ЖИДКОСТНОЙ термо-установки, свободной от конвекции , X [c.160]

Уравнения пограничного слоя, определенные в предыдущем разделе, применяются к самым различным условиями переноса тепла, как к представляющим общий интерес, так и к имеющим практическое значение. Но изучению более сложных общих случаев предпочтем расчет переноса, вероятно, в самом цростом из всех возможных движений, вызванных переносом тепла. Это случай вертикальной изотермической поверхности с температурой о, расположенной в покоящейся окружающей среде с температурой /оо. Из всех возможных воздействий учитываются только выталкивающая сила, конвекция и термодиффузия. Эта задача исследована Польгаузеном с помощью уравнений пограничного слоя и граничных /условий, выписанных ниже. Решение опубликовано в статье, где помещены результаты экспериментов Шмидта и Бекмана [89] [c.75]

Значительно меньше, чем термоосмос, изучено явление термофореза в жидкостях в связи с трудностью корректного учета тепловой конвекции и броунирования (в случае малых частиц). Мак Наб и Майсен [ИЗ] измерили скорость термофореза сферических частиц латекса диаметром около 1 мкм в воде и гексане. В разбавленной суспензии, заполнявшей плоскую (шириной 0,3 см) горизонтальную щель, создавался вертикальный градиент температуры, причем нижняя часть суспензии была более холодной, что уменьшало конвекцию. Скорость термофореза определялась по разности между измеренной скоростью вертикального смещения частиц в поле температуры и стоксовской скоростью оседания. Значения Vi составляли от 3 до 8 мкм/с при изменении VT от 100 до 300 град/см. Термофо-ретическое движение частиц было направлено в холодную сторону, ускоряя их оседание. Больших отличий в значении Для частиц в воде и гексане обнаружено не было. К сожалению, для объяснения полученных зависимостей у, от УУ в работе [ИЗ] использовался аппарат теории термодиффузии частиц в газах (без учета особой структуры граничных слоев жидкости и диффузного электрического слон), неприменимый для жидких сред. [c.337]

Сгорание топлива сопровождается выделением и переносом тепла, а также потерями, точнее, рассеянием тепла в окружающую сроду. Иеренос тепла происходит конвекцией, т. е. непосредственно двин у-щимся газовым потоком, а также потоком твердых частиц. Кромо того, внутри потоков газа и частиц происходит перенос тепла посредством теплопроводности и излучения. Теплопроводность в средах газа и частиц, также как и молекулярная диффузия, пмеет место независимо от их движения. Пото1 и массы и тепла за счет диффузии и теплопроводности возникают совместно при наличии градиентов — температуры и концентраций (точнее, химического потенциала х) — и определяются взаимными линейными функциями и у7 (см. гл. V и VI). Но практически переносом тепла за счет градиента концентраций, а также переносом массы за счет градиента температур (термодиффузией) можно пренебречь. [c.513]

Если газовая смесь помещена между холодной и горячей стенками, то величины /Сразя всегда близки к единице. В рассмотренной нами установке на термодиффузию накладывается тепловая конвекция, благодаря чему эффективность разделения увеличивается во много раз. [c.611]

Таким образом, коэффициент диффузии влаги в первом приближении может быть определен для данного материала в зависимости от влагосодержания тела и его температуры. В большинстве случаев при сушке конвекцией в области низких температур критерий Поснова — величина незначительная. Однако если термодиффузией влаги пренебречь нельзя, тогда необходимо определить относительный коэффициент термодиффузии влаги б (б = о-т ат)- [c.245]

Если катализатор применяется в виде проволоки или фольги или если он может быть нанесен на проволоку или фольгу, то его можно нагревать при помощи электрона в статической аппаратуре с газом, находящимся при комнатной температуре. В этом случае скорость диффузии доллсна быть достаточной для того, чтобы поддерживалось постоянное соотношение концентраций по всему объему прибора. При высоких давлениях в результате термической конвекции достигается хорошее перемешивание, но даже при более низких давлениях градиенты концентрации при реакции, продоллсающейся в течение нескольких минут (см. стр. 27), соответствуют разностям концентраций, не превышающим 17о. Условия, существующие в сосудах большего объема при давлениях, слишком низких для конвекции, количественно разобраны Швабом и Дрикосом [10]. В этом случае вплоть до давления 10 мм рт. ст. диффузия сглаживает разность концентраций, возникающую в результате самой реакции или вследствие термодиффузии (эффект Чепмена — Энскога). [c.28]

Проведенный анализ показывает, что неоднородное температурное поле, существующее в пространстве между двумя вертикальными стенками, вызывает появление подъемных сил в жидкости, заполняющей это пространство. Наличие подъемных сил приводит к тому, что в жидкости возникает неоднородный профиль скоростей. Указанный профиль, описываемый формулой (9.190), изображен на рис. 9-11. Такие профили обычно реализуются в колоннах Клузиуса—Диккеля, предназначенных для разделения изотопов или органических жидких смесей. Работа этих колонн основана на совместном применении эффектов терме диффузии и естественной конвекции. Явление термодиффузии более подробно освещено в главе 17-. [c.277]

Эффективность термодиффузионного разделения можно значительно повысить, сочетая данный эффект со свободной конвекцией в устройстве, подобном тому, которое изображено на рис. 9-12. Колонна, где используют эти оба эффекта, называется колонной Клузиуса и Диккеля. Такие колонны применялись для разделения изотопов и разделения сложных смесей, весьма близких по свойствам органических соединений. Очень интересное введение в термодиффузию дано в книге [13]. Применение этого метода к жидкостям описано в работах [14, 15]. Математическая теория термодиффузионных колонн изложена в классической статье Джонса и Ферри [16]. [c.499]

Из соотношения (5.8) следует, что коэффициент разделения при термодиффузии без конвекции нетрудно оценить, если известна постоянная термо диффузии ат (термо диффузионный фактор), зависящая от природы компонентов смеси. С некоторым приближением величина ат может быть найдена расчетным путем исходя из положений молекулярной теории смеси газов с налон ен-ным на эту смесь температурным градиентом. Для проведения со- [c.288]

Изобретенный Клузиусом и Дикелем [61] способ обогащения с использованием разделительной колонки основан на остроумной комбинации термодиффузионных и конвекционных потоков. Возникающий вследствие конвекции противоток позволяет многократно усилить относительно небольшой эффект разделения, вызванный процессом термодиффузии. Подобная термодиффузионная колонка обладает очень высокой разделительной способностью, и в течение последних 25 лет ее с успехом применяют для разделения стабильных изотопов. Достигаемый эффект разделения пропорционален относительной разности масс (М1 — М2)/ М1+М2), где и Ма — массы молей соответствующих компонентов. Если при работе с газообразными веществами, представляющими смесь изо-топов, разность М1 — М2 составляет не более 1—4, то для смесей, состоящих из химически различных соединений, значение этой разности намного больше. Вслед- [c.144]

Коэфициент разделения для термодиффузии — такого же порядка, как длл ранее разобранных способов, так 4tq и в этом случае только многократное повторение процесса может дать эффективное разделение. Предложенная Клузиусом и Диккелем разделительная труба является простым и действенным устройством для непрерывного повторения процесса термодиффузии. Разделительная труба состоит из охлаждаемой цилиндрической трубы длиной в несколько метров и натянутой по ее оси накаленной проволоки. В таком устройстве наряду с термодиффу-. зией используется также конвекция, которая создает противоток горячего и холодного газа. В конечном счете, газ у верхнего конца трубы обогащается легкой компонентой, а у нижнего —тяжелой. [c.72]

Величины а всегда близкик единице и однократная термодиффузия дает лишь очень малое разделение. Однако эффект легко может быть увеличен во много раз. Для этого Клузиус и Дикель в 1938 г. предложили наложение на термодиффузию перпендикулярной к ней тепловой конвекции. [c.89]

Термодиффузионные приборы имеют, однако, тот недостаток, что их производительность очень мала — порядка единиц или десятков кубических сантиметров в день на одну трубку — и принципиально не может быть увеличена. Увеличение производительности могло бы быть достигнуто путем увеличения сечения трубок или скорости конвекции. Но это нарушало бы соответствие между скоростями поперечной термодиффузии и продольного конвекционного тока, что резко увеличило бы длину одной теоретической тарелки и лишило бы метод его главного преимущества — эффективности разделения. Другой недостаток, особенно чувствительный для длинных трубок при длительной работе, заключается в большом расходе электроэнергии, затрачиваемой на нагревание проволоки или внутренней трубки. В работающей трубке должен непрерывно поддерживаться перепад температуры в сотни градусов на один сантиметр, из-за чего прибор работает в условиях крайней термодинамической необратимости с очень малым коэффициентом полезного действия. Термодиффузиоп-ные приборы расходуют 1—3 кв электроэнергии на 10 м длины и значительное количество охлаждающей воды в трубках с проволокой, а еще больше-в трубках с цилиндрическим зазором. [c.94]

Полная теория термодиффузионной трубки представляет собой сложную гидродинамическую задачу, в которой должны быть учтены четыре явления переноса поперечная термодиффузия и противоположная ей диффузия, продольная конвекция и продольная диффузия между слоями газа разных концентраций. Последнее слагаемое имеет значение сравнительно небольнюй поправки и обычно отбрасывается. Составление соответствующих дифференциальных уравнений, включающих эти явления переноса, не встречает затруднений, но решение их до сих пор удавалось лишь в приближенном виде для ряда частных случаев. [c.83]

Была применена обыкновенная термодиффузионная трубка с горячей аксиальной нитью и стенками, охлаждаемыми наружным холодильником. Через верхний ее резервуар пропускался ток NOa нормального изотопного состава. Входя в трубку, он опускается нисходящим потоком вдоль холодной стенки, доходит до низа и затем входит в восходящий поток вдоль горячей нити. В последнем происходит частичная диссоциация на N0 + VgOg. Например, при давлении в трубке Va ат и температуре нити 500° равновесная смесь содержит N0 + NOj в пропорции 1 1. В этой смеси протекает обменная реакция, ведущая к обогащению тяжелым изотопом азота в NOg. Одновременно с восходящей конвекцией NOa переносится к холодной стенке путем диффузии и термодиффузии и захватывается нисходящим потоком, который, таким образом, прогрессивно обогащается тяжелым азотом. В итоге концентрат последнего в виде NOa собирается в нижнем резервуаре. Во время работы трубка содержит N0 лишь в восходящем потоке вдоль проволоки, так как у холодной стенки, из-за смещения равновесия с температурой, он почти целиком рекомбинируется с кислородом до NOg. [c.90]

Таким образом, наблюдаемый эффект не очень велик при одностадийной работе. Однако эффективность разделения значительно (в 100—1000 раз) увеличивается, если термодиффузия сочетается с конвекцией (Клузиус, Диккель [231). К счастью, эти осложнения не возникают в рассмотренной выше двухтемпературной установке, и термодиффузией в ней почти всегда можно пренебречь. Методы подавления термодиффузии в тех случаях, когда она значительна, обсуждаются в работе [241. Другие осложнения возникают при низких общих давлениях, когда средняя длина свободного пробега в паре превышает размеры сосуда (газ Кнудсена). В таком случае давление, измеренное при низкой температуре (р ), не равно давлению в горячей зоне (рг). а связано с ним соотношением [c.79]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология