И.М. КУРЧАТОВ, Н.И. ЛАГУНЦОВ ЯВЛЕНИЯ НЕСИММЕТРИЧЕСКОГО ГАЗОПЕРЕНОСА В АНИЗОТРОПНЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ
advertisement
УДК 530.1(06) Молекулярно-селективные и нелинейные явления и процессы И.М. КУРЧАТОВ, Н.И. ЛАГУНЦОВ Московский инженерно-физический институт (государственный университет), ОАО “Аквасервис”, Москва ЯВЛЕНИЯ НЕСИММЕТРИЧЕСКОГО ГАЗОПЕРЕНОСА В АНИЗОТРОПНЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ С применением методов стохастической динамики разработана модель специфического взаимодействия молекул газа с шероховатостями внутренней поверхности пористой среды в свободно-молекулярном режиме. Объяснены явления гистерезиса и анизотропии проницаемости композиционных мембран. В последнее время появился ряд публикаций, в которых рассмотрены явления несимметрического газопереноса в градиентных пористых средах. К этим явлениям относятся: изменение газопроницаемости мембраны в несколько раз при изменении направления движения (эффект «газового диода»); изменение температурных зависимостей проницаемости при изменении направления движения газа; сильное различие в скоростях гетерогенных каталитических реакций в нанопористом мембранном реакторе с градиентом пористости при изменении направления подачи реакционной смеси. Обнаружено явление гистерезиса проницаемости, т.е. зависимость проницаемости мембраны от направления изменения перепада давления газа на мембране. Это явление обнаружено на полимерной газоразделительной мембране ПВТМС как при подаче газа со стороны пористой подложки, так и со стороны непористого селективного слоя. На основе существующих моделей газопереноса в пористых средах объяснить упомянутые выше явления невозможно. Это дает основания более детально рассмотреть процесс взаимодействия молекул с поверхностью, с учетом рассеяния на шероховатостях поверхности. Пористая среда рассмотрена как набор каналов, образованных пустотами между элементами материала, из которого сформирована мембрана. Считали, что течение газа является свободно-молекулярным и взаимодействие молекул с поверхностью таково, что кроме зеркальной составляющей угла отражения молекулы от нормали к поверхности канала, есть еще случайная составляющая, обусловленная неупорядоченностью внутренней поверхности пор. Поскольку направления движения молекулы до и после столкновения нескоррелированы, можно описывать изменение направления движения ISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 9 19 УДК 530.1(06) Молекулярно-селективные и нелинейные явления и процессы белым шумом, и считать, что движение молекул принимает стохастический характер. Были получены уравнения Ланжевена и Фоккера-Планка по виду совпадающими с уравнениями в задаче о движении броуновской частицы относительно скорости ее движения. Из этих уравнений в частности следует, что молекулы «забывают» о первоначальном направлении своего движения, т.е. усредненные направления движения определяются самой системой. Стационарное решение уравнения Фоккера-Планка дает неизотропное распределение по направлениям движения. Неизотропное распределение молекул по направлениям движения позволяет объяснить эффект гистерезиса проницаемости. Этот эффект связан с различной скоростью изменения концентрации молекул внутри пористой среды при изменении давления. При увеличении давления эта скорость больше чем при его снижении. Явление анизотропии проницаемости в двухслойной мембране можно объяснить тем, что при подаче потока на пористый слой, молекулы попадают в область границы пористого и мелкопористого слоев, где часть их, отразившись от поверхности раздела между двумя слоями, приобретает распределение по направлениям движения с преимущественными направлениями движения вдоль оси канала. При обратной подаче газа, молекулы сначала проходят мелкопористый слой и попадают в область первого слоя, не испытывая специфического взаимодействия с границей раздела. При уменьшении перепада давления поток через мембрану со стороны первого слоя может уменьшаться практически до нуля при конечной величине перепада давления. При этом возрастает роль поверхностных потоков, что объясняет изменение вида температурных зависимостей проницаемости мембраны. Различие в скоростях гетерогенных каталитических реакций в нанопористом мембранном реакторе при изменении направления подачи реакционной смеси объясняется тем, что концентрация молекул в пористом слое со стохастическим движением газа, а следовательно и число соударений с внутренней поверхностью пор оказывается существенно выше, в случае подачи смеси со стороны этого слоя. Авторы благодарят В.Д. Бормана, В.Н. Тронина и М.В. Цодикова за обсуждение работы. 20 ISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 9
