МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ С АНОМАЛЬНЫМ ЭФФЕКТОМ СОРЕ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИФФУЗИОННОЙ КОЛОННЕ

Автор: Софья Владимировна Козлова

Соавторы: И. И. Рыжков, М. М. Боу-Али

Организация: Институт вычислительного моделирования СО РАН, ФИЦ КНЦ СО РАН

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ С АНОМАЛЬНЫМ ЭФФЕКТОМ СОРЕ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИФФУЗИОННОЙ КОЛОННЕ

 

Термодиффузия (эффект Соре) - перенос массы компонентов смеси под действием разности температур. Данный эффект место во многих природных и технологических процессах. Термодиффузионная колонна - это экспериментальная установка для измерения коэффициентов термодиффузии. Корректные измерения возможны только при устойчивом конвективном движении смеси в колонне. Математическое моделирование позволяет наиболее полно описать термодиффузионный процесс, а также объяснить некоторые экспериментальные наблюдения [1]. В данной работе выполнено трехмерное численное моделирование разделения бинарной смеси этанол – вода с аномальным эффектом Соре в цилиндрической термодиффузионной колонне.

Средняя массовая доля этанола для исследуемой смеси равна 0.2204. При данной концентрации смесь обладает аномальным эффектом Соре. (более тяжелый компонент смеси – вода – накапливается в верхней части колонны, создавая потенциально неустойчивую стратификацию. Численное моделирование выполнено в программе Ansys Fluent 14.5 для двух колонн с разными зазорами между стенками и одинаковой высотой. Параметры колонн, физический свойства смеси и приложенные разности температур между стенками взяты из эксперимента, выполненного в университете Мондрагона (Испания) [1].

Результаты моделирования показывают, что разделение смеси зависит от параметров колонны (ширина зазора, отношение радиусов цилиндров). Согласно численному расчету, конвективное течение смеси в колонне I (рис. 1a) является всегда неустойчивым. Экспериментальные наблюдения для колонны II показывают, что конвективное течение и разделение смеси в ней устойчиво при достижении разности температур между стенками некоторого критического значения. Численное моделирование для этой колонны (рис. 1b) показывает, что разделение смеси устойчиво при всех приложенных разностях температур. Результаты исследования опубликованы в работе [2].

Работа поддержана Красноярским математическим центром, финансируемым Минобрнауки РФ в рамках мероприятий по созданию и развитию региональных НОМЦ (Соглашение 075-02-2020-1631).