Физические свойства некоторых газов и паров
Физические свойства некоторых газов и паров
|
Вещество |
Формула |
Молекулярный вес |
Удельный вес ч в г/л |
Величина среднего пробега молекул при i= ~20° С и р— «0,001 мм. pm. cm. |
Коэффициент вязкости Т| при = 20° С |
Коэффициент теплопроводности k при *=0° С |
Коэффициент диффузии D в азоте при /=0° С, р=760 мм pm cm. в см2/сек. |
|
Водород |
Н2 |
2,016 |
0,08987 |
8,81 |
6~4Х ХО,88 |
10—4Х Х4,19 |
1,3* 0,65 |
|
Азот |
n2 |
28,016 |
1,2507 |
4,5 |
1,75 |
0,57 |
0,18 |
|
Кислород |
о2 |
32 |
1,429 |
4,82 |
2,03 |
0,58 |
0,18 0,68* |
|
Воздух |
— |
29 |
1,2928 |
4,56 |
1,81 |
0,576 |
0,18 |
|
Гелий |
Не |
4,003 |
0,1786 |
13,32 |
1,96 |
3,43 |
0,57 |
|
Неон |
Ne |
20,183 |
0,9002 |
3,4 |
3,10 |
1,09 |
0,27 |
|
Аргон |
Аг |
39,944 |
1,7838 |
4,73 |
2,22 |
0,39 |
0,16 |
|
Вода (пары) |
Н2О |
18,016 |
— |
2,96 |
8,80 |
0,6 |
0,2 0,7* |
|
Окись углерода |
СО |
28,01 |
1,2504 |
4,48 |
1,77 |
0,53 |
0,65* |
|
Углекислый газ |
СО 2 |
44,01 |
0,9768 |
2,96 |
1,47 |
0,34 |
0,14 0,54* |
|
Аммиак |
NH3 |
17,032 |
0,7708 |
3,4 |
1,00 |
0,52 |
0,30 |
|
Метан |
СН4 |
16 |
0,717 |
3,8 |
1,10 |
0,7 |
0,19 |
|
Сернистый газ |
SO2 |
64 |
2,9267 |
2,3 |
1,30 |
0,2 |
—• |
|
Хлор |
С12 |
70,914 |
3,214 |
2,2 |
1,40 |
0,19 |
— |
|
Хлористый водород |
НС1 |
36,465 |
1,6392 |
3,24 |
1,43 |
— |
— |
|
Этиловый спирт (пары) |
С2Н5ОН |
46,068 |
— |
1,65 |
— |
0,33 |
0,101 |
|
Ртуть (пары) |
Hg |
200,61 |
— |
2,2 |
10~4Х Х2,28 |
10“4Х Х0.12 |
При подсчете вакуума в % необходимо иметь в виду, в отношении какого давления ведется расчет, а именно: в отношении нормального атмосферного давления, равного 760 мм рт. ст., или же в отношении барометрического давления в момент измерения вакуума. На практике обычно вакуум в % берется от барометрического атмосферного давления в момент измерения вакуума.
В области высокого вакуума (давление ниже 1 мм рт. ст.) выражать вакуум в % не рекомендуется, так как при подсчетах получается большая погрешность.
Для получения низких давлений применяются специальные вакуумные насосы, которые совместно с производственными емкостями и соединительными трубопроводами составляют вакуумную установку, простейшая схема которой показана на фиг. 1.
Вакуумная установка состоит из производственной емкости 1, в которой требуется создать вакуум, трубопровода 2, соединяющего емкость 1 с вакуум-насосом 3, вентиля 4, служащего для перекрывания трубопровода и отключения вакуум-насоса от емкости, и измерительного прибора 5.
При расчетах объемов газов, подлежащих эвакуации из производственной емкости и коммуникаций, следует принимать во внимание характер движения газа по трубопроводу, соединяющему вакуум-насос с производственной емкостью.
В технике различают три основных режима движения газа по трубопроводу: турбулентный, ламинарный и молекулярный.
Режим движения газа по трубопроводу определяется численным критерием Рейнольдса:
При Re>2320 имеем турбулентный режим движения газа, а при Re<2320 — ламинарный режим движения.
При нормальном давлении движение газа по трубопроводу имеет турбулентный характер.
Рассмотрим поведение газа в трубопроводе в процессе откачки вакуумной системы от атмосферного давления до высокого вакуума. Турбулентный характер движения газа наблюдается только в начальный момент, когда давление газа и его скорость достаточно велики. При этом линии тока завихряются, появляются и исчезают, скорость и давление в любой точке трубопровода не остаются постоянными во времени. С уменьшением давления и скорости движение газа в вакуумной системе принимает ламинарный характер. Скорость газа в этом случае снижается, завихрения исчезают и поток газа принимает более упорядоченный характер.
Поскольку внутреннее трение, а с-ледовательно, и вязкость имеют решающее значение при ламинарном течении, такой режим течения газа в вакуумной технике называют вязкостным режимом, а поток — вязкостным потоком.
Ламинарное движение газа практически начинается при давлении р>1 мм рт. ст. (k<d).
Число Рейнольдса при этом Re> 2320.
При дальнейшем уменьшении давления, порядка 1 • 1О3 мм рт. ст., явления внутреннего трения исчезают, поскольку молекулы гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем между собой, и природа потока снова изменяется. При достаточно низком давлении, когда молекулы совершают свое тепловое движение по трубопроводу практически без столкновений, независимо одна от другой, поток называют молекулярным.
Молекулярное движение газа практически происходит при давлении р<0,1 мм рт. ст. (K>d). Переход от вязкостного потока к молекулярному происходит постепенно, причем давление при этом переходе изменяется примерно в 50 раз. Интервал между молекулярным и вязкостным течением газа можно определять критерием pd (вместо отношения у).
Для воздуха при / = 20° С граница вакуумных режимов определяется этим критерием в пределах
При эвакуации газа из какой-либо производственной емкости различают стационарный и нестационарный процесс откачки.
Стационарным процессом откачки вакуумной системы называют такой процесс, при котором давление в любой точке, несмотря на откачку, сохраняется неизменным во времени (убыль газа из сосуда восполняется за счет натекания или газоотделения).
Нестационарным процессом откачки вакуумной системы называют такой процесс, при котором изменяются как давление во всех точках системы, так и поток газа.
При работе вакуум-насоса газ из производственной емкости поступает через трубопровод в насос и выбрасывается в атмосферу, причем поток газа (количество газа, проходящее через сечение в единицу времени) Q одинаков во всех сечениях системы. Поток газа в любом сечении равен произведению давлению pi в этом сечении на объем газа Si, проходящий через это сечение в еди-ницу времени:
Давление в системе, оставаясь в любом сечении неизменным во времени, меняется от сечения к сечению, и давление рн на входе насоса будет меньше давления р в сосуде. Это неравенство давлений на концах вакуумной системы объясняется тем, что любой элемент вакуумной системы (трубопровод, вентиль, колено и т. п.) обладает сопротивлением. Сопротивлением W
Элемента вакуумной системы называется падение давления на элементе, приходящееся на единицу потока газа:
В вакуумной технике часто применяется обратная величина — пропускная способность. Пропускная способность элемента вакуумной системы U — это поток газа через этот элемент, приходящийся на единицу падения давления на элементе:
Общее сопротивление и общая пропускная способность вакуумной системы, состоящей из ряда последовательно и параллельно соединенных элементов, определяются соотношениями:
Аналогично уравнению (1), для впускного патрубка насоса можно записать
где S — объем газа, поступающего в насос за единицу времени при неизменном давлении на входе. Эта величина называется быстротой откачки насоса и имеет большое значение при конструировании и эксплуатации вакуумных систем. Следовательно,
На практике чаще применяется так называемая эффективная быстрота откачки 83ф, с которой насос, обладающий быстротой откачки 5, удаляет газ из сосуда, соединенного с ним коммуникацией, имеющей сопротивление W. Согласно уравнениям (1) и (3), можно записать:
Отсюда
или
Разделив обе части равенства на SU, получим
или
Уравнения (б) и (9) являются основными уравнениями вакуумной техники. Исследуем эти уравнения. Если в уравнении (9) числитель и знаменатель разделить на U, то оно примет вид:
Из этого уравнения видно, что эффективная быстрота откачки сосуда всегда меньше быстроты откачки насоса и что величина 8Эф может быть равна величине S толь-•ко при U = со, что практически никогда не бывает. Из уравнения (10) видно, что при U^> S 8Эф~8. Следова-тельно, если пропускная способность трубопровода во много раз превышает быстроту откачки насоса, то эффективная быстрота откачки сосуда определяется насосом и применение насоса с большей быстротой откачки ведет к увеличению эффективной быстроты откачки сосуда.
Если же в уравнении (9) числитель и знаменатель разделить на S, то получим
Следовательно, эффективная быстрота откачки не может превысить величину пропускной способности коммуникации. Из уравнения (11) видно, что при U<^S 8эф^и. Следовательно, если пропускная способность трубопровода значительно меньше быстроты откачки насоса, то эффективная быстрота откачки сосуда практически не
зависит от быстроты откачки насоса и если требуется ускорить эффективную быстроту откачки сосуда, то этого можно достигнуть лишь увеличением пропускной способности трубопровода. Применение насоса с большей быстротой откачки не имеет смысла, так как эффективная быстрота откачки сосуда практически будет оставаться той же.
В вакуумной технике различают два типа вакуумных систем: статические и динамические. Статической называется система, в которой производственная емкость, при создании в ней конечного давления, отключается о г насоса. В этом случае скорость откачки играет меньшую роль, чем конечное давление.
Динамической называется система, в которой производственная емкость обильно выделяет газы или пары или же имеет течь и в ней необходимо сохранить конечное давление при непрерывной работе насоса.
В случае системы статического типа скорость откачки в начале трубопровода, ведущего к откачиваемому объему, может быть небольшой, так как проводимость трубопровода мала и нет расчета ставить насос с большой скоростью откачки.
Следует отметить, что в промышленных условиях системы этого типа практически не применяются. Объясняется это тем, что изготовить химическую аппаратуру с минимальным (практически нулевым) натеканием несравнимо дороже, чем осуществить непрерывную работу насоса.
В случае системы динамического типа насос должен иметь большую скорость откачки и, следовательно, трубки должны быть короткими, большого диаметра и свободными от сопротивлений.