Диффузия газов в топливе

Перенос вещества, обусловленный разностью его концентраций в жидкостях, газах и твердых телах, называется диффузией.

Под влиянием теплового хаотического движения молекул диффузия происходит независимо от смешения компонентов за счет механи­ческого воздействия или конвекции. В этом случае речь идет о молекулярной диффузии. Диффузия протекает значительно бы­стрее в газах, где взаимодействие между молекулами слабее, чем в жидкостях и тем более в твердых телах.

Одним из путей проникновения кислорода воздуха в жидкую фазу топлива является диффузия. От интенсивности обмена кис­лорода в топливе зависит глубина окисления и окислительного уплотнения нестабильных компонентов. Путем диффузии распро­страняются пары топлива в газовоздушное пространство. Поэто­му накопление опасных концентраций паров топлива в воздухе, при которых может произойти воспламенение или взрыв смеси, зависит также от диффузии.

Скорость диффузии веществ пропорциональна разности кон­центраций или парциальных давлений диффундирующих веществ. Коэффициент диффузии D характеризует скорость диффузии, от­несенную к площади потока или к градиенту концентраций. Ко­эффициент диффузии (см²/сек, м²/сек) паров углеводородов в воз­духе уменьшается с увеличением их молекулярного веса и с усложнением химической структуры соединения. При одинаковом молекулярном весе коэффициенты диффузии паров углеводородов уменьшаются в направлении: цикланы ?алканы? ароматические углеводороды. Эта разница убывает с увеличением молекулярного веса соединений.

Коэффициент диффузии газов зависит от температуры и давле­ния. Зависимость описывается уравнением:

где D₀— коэффициент диффузии при температуре Т₀ (в °К) и давлении Р₀; D—коэффициент диффузии при температуре Т (в °К) и давлении Р; m — принимается равным 1,5—2 (в среднем 1,75).

В небольшом температурном интервале изменение коэффици­ента диффузии с температурой можно считать линейным.

В табл. 73 и 74 приводятся коэффициенты взаимной диффузии в системе воздух — пары топлива Т-5 и его фракций, а также авиационного бензина и некоторых индивидуальных угле­водородов при различных температурах и постоянном давлении 760 мм рт. ст.

Коэффициенты диффузии уменьшаются с увеличением молеку­лярного веса углеводородов и значительно увеличиваются с по­вышением температуры.

Коэффициент диффузии органических соединений в жидких растворах может быть вычислен с точностью до 10% по урав­нению:

где D — коэффициент диффузии вещества в разбавленном раство­рителе при температуре Т, см²/сек; Т — температура, °К; ? — вяз­кость растворителя, спз; V₁ — мольный объем растворенного ве­щества при температуре (нормальной) кипения, см³/моль.

Известны методы расчета коэффициентов диффузии для би­нарных газовых систем. Методом аппроксимации получают фор­мулы для многокомпонентных газовых систем. Сравнитель­но удовлетворительные результаты расчетов получают для давле­ний ниже 15 ат. Для более высоких давлений точность расчетных результатов резко падает. Отсутствуют удовлетворительные мето­ды расчета коэффициента диффузии газов в жидкости, в том числе кислорода в жидкие углеводороды, хотя эта величина со­ставила бы важную эксплуатационную характеристику топлива.

Если диффузию рассматривать как некоторый активационный процесс, то коэффициент диффузии и энергия активации процес­са будут связаны линейным соотношением (при 25 °С):

lgD= —3,28 —0,55E

где Е — энергия активации.

На основании этого эмпирического уравнения для н-алканов рассчитаны коэффициенты самодиффузии, представленные в ви­де номограммы (рис. 56). Пользуясь номограммой, можно опре­делить коэффициенты самодиффузии н-алканов С₅—С₃₂ в интер­вале температур от —50 до 300 °С при давлениях до 15 ат с точ­ностью до ±2,5%. Заметим, что коэффициент диффузии мало изменяется с изменением давления.