Спектральные коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана при повышенных давлениях и температурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Бударин, Андрей Павлович

• Бударин, Андрей Павлович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бударин, Андрей Павлович

Основные условные обозначения

Введение

Глава 1. Методы расчета радиационных характеристик газов и жидкостей.

1.1. Методы расчета радиационных характеристик газов.

1.1.1. Спектральная линия.

1.1.2. Теоретические соотношения для расчета теплового излучения газов.

1.1.3. Модели полос поглощения газов.

1.1.4. Эмпирические методы.

1.2. Методы представления радиационных характеристик жидкостей.

1.2.1. Коэффициенты поглощения жидкостей

1.2.2. Показатели преломления жидкостей 26 Выводы.

Глава 2.Экспериментальные методы определения коэффициента поглощения газов. 31 2.1.Экспериментальные установки для измерения радиационных характеристик.

2.1.1 .Кюветы без окон.

2.1.2.Кюветы с окнами из оптических кристаллов. 34 2.2.Экспериментальный стенд для исследования спектрального коэффициента поглощения н-бутана и н-гексана при давлении до

1 ОМПа и температуре до 460К.

2.2.1 .Описание стенда для измерения спектрального 41 коэффициента поглощения.

2.3.Методика проведения эксперимента.

2.4.0ценка погрешности эксперимента.

Выводы.

Глава 3. Результаты измерений и их обсуждение.

3.1. Область параметров, охваченных измерениями

3.2. Спектры пропускания н-бутана и н-гексана

3.3. Спектры коэффициентов поглощения

3.4. Массовый спектральный коэффициент поглощения

3.5. Применение спектральных коэффициентов поглощения к расчету 90 радиационно-кондуктивного теплообмена

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спектральные коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана при повышенных давлениях и температурах»

Переработка углеводородного сырья - приоритетное направление развития экономики России. Создание новых технологий, как правило, сопровождается разработкой нового и совершенствованием имеющегося теплообменного оборудования. Его эффективность обеспечивается достоверностью теплофизических свойств веществ, одними из которых являются оптические характеристики - коэффициенты поглощения и показатели преломления полупрозрачных сред. Они необходимы для расчетов радиационного, радиационно-кондуктивного и радиационно-конвективного теплообмена.

В настоящее время накоплено большое количество экспериментальных данных по спектрам поглощения различных веществ. Разработан и широко применяется спектральный анализ состава, строения и структуры различных органических и неорганических соединений, смесей, сплавов в твердой, жидкой и газовой фазах и плазме. Результаты их исследований содержаться в многочисленных периодических изданиях и монографиях. Измерены они при атмосферном или меньшем давлении и вблизи комнатной температуры. Такие измерения предназначены для проведения спектрального анализа веществ, даются они в журнальных статьях и атласах спектров в виде рисунков небольшого формата [1-5], использовать которые для тепловых расчетов затруднительно. Имеются отдельные опытные данные и разработаны методы расчета радиационных характеристик водяного пара, оксида и диоксида углерода, сернистого ангидрида и не большого числа алканов и олефинов в идеально - газовом состоянии. Свойства сжатых газов кроме этилена при давлениях до 10 МПа не исследованы. Не изучено влияние повышенных давлений и температур на спектры органических веществ в газовой, жидкой и закритической областях. Теоретические методы расчета радиационных и оптических спектральных характеристик многоатомных веществ в газовой и жидкой фазах не разработаны. Поэтому исследование радиационных характеристик веществ в газовой и жидкой фазах при повышенных давлениях является актуальной задачей как с теоретической, так и с практической точки зрения. В качестве объектов исследования были выбраны н-гексан и н-бутан -широко используемые в химической и нефтехимической промышленности, энергетике. Их радиационные свойства при повышенных давлениях и температурах не исследованы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения и списка используемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Бударин, Андрей Павлович

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Показано, что оптические свойства - спектральные коэффициенты поглощения и показатели преломления органических веществ в газовой фазе при повышенных давлениях и температурах, в жидкой фазе и закритических состояния не исследованы. Теоретические методы их расчета не разработаны. Единственно надежным источником информации об оптических характеристиках является эксперимент.

2. Разработан и создан экспериментальный стенд и кювета для измерения спектров пропускания газов и жидкостей при повышенных давлениях и температурах.

3. Получен комплекс спектров пропускания н-бутана (141 спектр) и н-гексана (116спектров) в интервале температур 295-460 К при давлениях до ЮМПа и волновых числах от 400 до 4400см-1. Эксперименты охватывают газовую и жидкую фазы, а для н-бутана и закритическую область.

4. Показано аномальное изменение спектральных коэффициентов поглощения вблизи критической изотермы.

5. Установлены обобщенные изотермы массовых спектральных коэффициентов поглощения, значительно сокращающих объем цифровой информации для представления спектров. Обобщенные изотермы спектров массовых коэффициентов поглощения позволяют рассчитывать коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана при давлениях не охваченными измерениями. Рассчитаны спектральные коэффициенты поглощения при Р=2МПа на изотерме Т=355К.

6. Массовые спектральные и спектральные коэффициенты поглощения н-бутана и н-гексана табулированы с шагом по волновым числам 2см"1.

7. Проведена оценка вклада радиационной составляющей в полный радиационно-кондуктивный поток тепла в плоских слоях н-гексана при 5 МПа (до 15%) и закритической области н-бутана (до 25%).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бударин, Андрей Павлович, 2007 год

1. Большаков Г.Ф. Инфракрасные спектры насыщенных углеводородов.

2. Новосибирск, Наука, 1986, часть 1, с. 36.

3. Infrared Spectral Data. American Petroleum Institute, Research Project 44,

4. Chemistry Department, Agricultural and Mechanical College of Texas, 1973.

5. Sadtler Research Laboratories. Inc., 3316, Sping Garden St. Philadelphia, Pa. 19104 [phone]. Anal. Chem. 1974, v. 46, n 10, p. 318.

6. National Research Council Committee on Infrared Absorption Spectra. National

7. Bureau of Standarts, Washington 25, D.C., 1964.

8. American Society for Testing Materials. Race St. Philadelphia 3. Pa, 1916.

9. Зигель P., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975,934 с.

10. Пеннер С.С. Количественная молекулярная спектроскопия и излучательнаяспособность газов. М.: ИЛ, 1963,492с.

11. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. М.-Л.: Госэнергоиздат, 19621, 332с.

12. Хоттель X. Лучистый теплообмен. Глава 4 в кн.: В.Х. Мак-Адамс,

13. Теплопередача. -М.: Металлургиздат, 1961, с. 87-174.

14. Гуди P.M. Атмосферная реакция. М.: Мир, 1966, 522 с.

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

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

17. Флайгер У. Строение и динамика молекул.- М.: Мир, 1982. 872 с.

18. Бонд Дж., Уотсон К., Уэлч Д. Физическая теория газовой динамики. М.: Мир, 1968. 556 с.

19. Свердлов Л.М. и др. Колебательные спектры многоатомных молекул. М., 1970, 560 с.

20. Cobleuz W.W. Investigation of Infrared Spectra. Cornegie Institute, Washington, N35, 1905.

21. Burch D.E., Singleton E.B., Williams D. Absorbtion line broademing in the infrared.-Appl.Opt. 1962, v. 1, № 3, p. 359-369.

22. Панфилович К.Б. Ширина дисперсионной спектральной линии, эффективное давление и коэффициент уширения давлениям. ТВТ, 1988, том 36, № 6, с. 955-958.

23. Панфилович К.Б. Ширина дисперсионной спектральной линии и вероятность обмена энергией вращательного движения в молекулярных газах. Деп. №196-ХИ-89 от 09.02.87 ОНИИТЭХИМ, Черкасск, 50 с.

24. Головнев И.Ф., Замураев В.П., Кацнельсон С.С. и др. Радиационный перенос в высокотемпературных газах/ Под ред. Р.И.Солоухина. Москва: Энергоиздат.1984,256 с.

25. Edwards D.K., Balakrishnan A. Thermal radiation у combustion gases. Int. J. Heat Mass Tranf, 1973, v. 16, p. 25-40.

26. Ступоченко E.B., Лосев C.A., Осипов А.И. Релаксационные процессы в ударных волнах. М.: Наука, 1965. 434 с.

27. Edwards D.K., Menard W.A. Correlations for Absorption by methane and Carbon dioxide gases. Appl. optics, 1964, v. 3, N 7, p. 847-852.

28. Edwards D.K., Absorption of radiation by carbon monoxide gas according to the exponential wideband model. Appl, Opt., 1965, v. 4, N 10, p. 1352-1353.

29. Tien C.L., Lowder J.E. A correlation for total band absorp. of radiating gases. -Int. J. Heat Mass Tran., 1966, v. 9, N 7, p. 698-701.

30. Смирнов Б.М., Шляпников Г.В. Перенос инфракрасного излучения в молекулярных газах.- Успехи физических наук. 1980, т. 130, № 3, с. 317-414.

31. Детков С.П., Токманов В.Н. Новая широкополосная модель в расчетах излучения газов. Деп. в ВИНИТИ № 2741-75. Деп. аннотация в ЖПС, т. ХХТУ, вып. 1. Минск, 1976, с. 170-171.

32. R. Koch, S. Wittig and В. Noll The harmonical transmission model. J. Heat Mass Transfer, vol. 34, № 7,1991, p. 1871-1880.

33. Hottel H.C. and Egbert R.B. Transmission from water vapor. American Society of Mechanical Engeneers № 13, 1942, p. 531-568.

34. Eckert E. Messung der Gesamtstrahlung von Wasserdampf und Kohlensaure in Mischung mit nicht strahlenden Gasen bei Temperaturen bis zu 1300 °C-V.D.J. -Forschungscheft 387, Ausgabe В., Bd 8,1937, s. 1-20.

35. Schmidt E. Messung der gesamtstrahlung des Wasserdampfes bei Teperaturen bis 1000° С Farschung auf dem Gebeite des Ingeniers, 1932, Band 3, N 2, s. 57-70.

36. Hottel H.C., Sarofim A.F. Radiative Transfer New York: MC. Graw - Hill Сотр., 1967, p. 519.

37. Hottel H.C., Smith V.Trans. Am. Soc. of Mech. Eng. t. 57, 1935, p. 463.

38. Hottel H.C. and Mangelsdorf Heat Transmission by radiation from non luminous gases. Experimental study of carbon dioxide and water vapor. 1935, p. 517-549.

39. Михеев M.A., Михеева И.М. Основы теплопередачи М.: Энергия, 1973. 320 с.

40. Шорин С.Н. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1964. 490 с.

41. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975.

42. Гурвич A.M., Митор В.В. Излучение дымовых газов. Теплоэнегетика, № 12, 1955.

43. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). М.: Энергия, 1973,295 с.

44. Кесс Р.Д., Лиан М.С. Простая аппроксимация значений степени черноты водяного пара. Труды Амер. об-ва инж.-мех. Серия С, Теплопередача, 1977, с. 154-156.

45. God С. Genanigkeit def Vorfahren zur Ermittlung des Strahlungswame -oustanscher zwischen Gasen und grauen Oberflachen. Archiv fur das Eisenhuttenwesen, 1967, v. 38, helf 2., s. 105-120.

46. Москаленко Н.И., Пушкин B.T., Зеньковский А.Г., Плужинков А.И., Зольков А.И. Спектральные радиационные характеристики газов атмосферы промышленных печей. -В кн.: Тепломассообмен VI, т. 8, - М.; 1980, с. 44-48.

47. Эдварде Д.К., Лучистый теплообмен в объеме с не серой оболочкой,заполненной изотермической газовой смесью двуокиси углерода с азотом. -Труды Амер. об-ва инж. мех. Серия С. Теплопередача, 1962, № 1, с. 3-17.

48. Эквивалентная ширина основных полос поглощения этилена и углекислоты вблизи области фазового перехода газ-жидкость. Дел. №498-ХИ-87 от 7.05.87 ОНИИТЭХИМ г.Черкассы 12 с. Бударин П.И., Алев В.А., Панфилович К.Б.

49. Аляев В.А., Панфилович К.Б. Радиационно-кондуктивный теплообмен в полупрозрачных органических жидкостях. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 2003.- 195 с.

50. Poltz Н. Die warmaleitfahigkeit von flussig-Keiten II. Der strahlungsanteil der effektiven Warmeleitfahig-Keit-Int.J.Heat Mass Transfer.1965. V. 8. N 4.p. 515-521.

51. Филлипов JI.П. Исследование теплопроводности жидкостей. -М.: Изд-во МГУ, 1970.230 с.

52. Сэмпсон Д. Уравнения переноса энергии и количества движения в газах с учетом излучения.- М.:Мир,1969. 204 с.

53. Мень А.А., Сергеев О.А. Лучисто-кондуктивный теплообмен в среде с селективными оптическими свойствами//Теплофизика высоких температур.-1971. Т. 2. N2. с. 333-359.

54. Anderson Е.Е., Viscanta R. Spectral and boundary effects on coupled conducnion-radiation heat transfer through semitransparent solids.-Warme-Und Stoofiibertragung, 1973. V. 6.14 p.

55. Рубцов H.A., СтепненкоП.И., КузнецоваФ.А. Исследование радиационно-кондуктивного переноса тепловой энергии в органических жидкостях// Изв.Сиб. отд. АН СССР. Сер. Техн. наук.-1974. Вып. 1. № 3. с. 53-57.

56. Эрпо Н., Гликсман Л. Экспериментальное и теоретическое исследование совместного переноса тепла излучением и теплопроводностью в расплавленном стекле// Теплопередача.-1972.-Сер.С.- № 2.-С. 109-116.

57. Справочник химика. Том 1. Редакторы С.А.Зениса, Г.А.Семенов. М.-Л.: Госхитмиздат. 1963. 1071 с.

58. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер Г.И., Петров И.П. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука. 1965. 336 с.

59. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия.- М.: Мир, 1982. 327 с.

60. Альперович JI.H. Метод дисперсионных соотношений и его применение для определения оптических характеристик.-Душамбе: Ифрон, 1973. 327 с.

61. Бацанов С.С. Структурная рефрактометрия.-М.: Высшая школа, 1976. 304 с.

62. Бахшиев Н.Г. Спектроскопия межмолекулярного взаимодействия. М.: Наука, 1972.264 с.

63. Bevans J.T., Dunkle R.V., Edwards D.K., Gier J.T., Levenson L.L. and Oppenheim A.K., Apparatur for the determination of the band absorption of gases at elevated pressure and temperatures. J. Optical Society of America, vol 50, № 3 1959, p. 130-136.

64. Эксперсионное исследование излучательной способности С02 при повышенных давлениях. Теплофизика высоких температур. 1971, т. 9, № 4. с. 703-707. Ахунов Н.Х., Усманов А.Г., Панфилович К.Б.

65. Интегральная степень черноты водяного пара при повышенных давлениях. В сб.: Тепло-и массообмен в химической технологии.-Казань, 1983,с. 42-45. Ибатуллин В.И., Панфилович К.Б.

66. Степень черноты бутана. В сб.: Тепло- и массообмен в химической технологии. -Казань, 1975. Васильева Л.М., Ахунов Н.Х., Усманов А.Г., Панфилович К.Б.

67. Penner S.S., Weber D.J,J. Chus, v 19,1951, p. 80.

68. Москаленко Н.И., Мирумянц C.O., Аверьянова A.B., Зотв О.В., Ильин Ю.А. Аппаратура для комплексных исследований характеристик молекулярного поглощения радиации атмосферными газоми. ЖПС, т. XIX, вып. 4, 1973, с. 752-756.

69. Одишария М.А. Экспериментальные исследования ИК-спектра С02 при повышенных давлениях и температурах. Автореф. дис. канд. техн. наук -Ленинград, ЛГМИ, 1972,16 с.

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

71. Pierson R.H., Fletcher A.N., Gants Е. St. С. Catalog of infrared spectra for qualitative analyses of gases.//Analytical chemistry, 1956, v.28, p. 1218.

72. ГОСТ 8.207-76 Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений.

73. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974. 108 с.

74. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, 1978.261 с.

75. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. -М.: Мир, 1976. 516 с.

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

77. Финкель А.Г. Исследование абсолютных интенсивностей полос поглощения в ИК-спектрах углеводородов различных классов в газовой фазе. Дисс. канд. техн. наук, Саратов 1966,176 с.

78. Залесская Г.А. Влияние температуры и давления на инфракрасные полосы поглощения паров многоатомных молекул.-Дис. канд. физ.-мат. наук. Минск, 1969. 146 с.

79. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М., 1991.

80. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982, 591 с.

81. Ахунов Н.Х. Экспериментальное исследование излучательной способности Авт. Дисс. канд. тех. наук.- Казань, 1976,247 с.

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

83. Ferrico С.С., Ludwig С.В., Thomson A.L. Total emissivity of hot water vapor.-I high pressure limit. Int. j. Heat Mass Tranf., 1966, v. 9, p. 853-864.

84. Каменщиков B.A., Платинин Ю.А., Николаев B.M., Новицкий Л.А. Радиационные свойства газов при высоких температурах. -М.: Машиностроение, 1971.440 с.

85. Фомин В.В. Периферия полос поглощения как специфический вид проявления межмолекулярного взаимодействия газов. В кн.: Спектральные проявления межмолекулярного взаимодействия газов. Новосибирск: Наука, 1982, с. 5-40.

86. Маляренко A.M., Фомин В.В. Индуцированные столкновениями спектры поглощения простейших молекулярных систем. В кн.: Спектральные проявления межмолекулярных взаимодействий в газах. Новосибирск: Наука, 1982, с. 100-127.

87. Andersen P.W. Phys. Rev., v.76, 647,1949.

88. Lee R.H.C., Happel j. Thermalradiation of methane gas.-J/EC Fundamentals, 1964, v. 3, № 2, p. 167-176.

89. Панфилович К.Б., Бударин П.И. Интегральный коэффициент поглощения этилена вблизи фазовых переходов и в закритической области. Деп. № 368-ХИ-87, ОНИИТЭХИМ, Черкассы, 1987. 29 с.

90. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1972. 670 с.

91. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. M.-JL, 1966. 536 с.

92. Андрианов В.И. Основы радиационного и сложного теплообмен. М.: Энергия, 1972. 463 с.

93. Оцисик М.Н. Сложный теплообмен.- М.: Мир, 1976. 615 с.

94. Сергеев О.А., Мень А.А. Теплофизические свойства полупрозрачных материалов.-М.: Изд-во стандартов, 1977. 288 с.

95. Siegel R., Howell John R. Thermal Radiation Heat Transfer. McGraw-Hill Book Co. New York, 1972.

96. Сперроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением.-Л.: Энергия, 1971. 294 с.