Инертные газы - Фастовский В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
q = DS A<Pi-Pu =K? , (2.44)
б б
где K=DS, т. е. коэффициент проницаемости выражен как произведение коэффициентов диффузии D и растворимости 5; все три коэффициента (К, D, S) изменяются экспоненциально с температурой.
В уравнении (2.44) р\ и р2 — высокое и низкое давление на противоположных сторонах мембраны, т. е. перепад давлений, определяющий количество газа, проникающего через мембрану толщиной б. Коэффициент проницаемости К зависит от природы газа, материала мембраны, температуры и характеризует эффективность оболочки в качестве барьера против утечек хранимого газа или в качестве элемента аппаратуры для разделения газовой смеси диффузионным методом. Если размерность q — см3/сек, А—см2, б—см, Ap=p?— —Р2—см рт. ст., то коэффициент К имеет размерность см3¦ см/(сек • см2• см рт. ст.).
Накоплен обширный опытный материал о проницаемости газов через различные пластики, стекла; изыскиваются органические полимерные пленки с достаточ1ной избирательной проницаемостью для разделения газовых смесей [232]. По Нортону [233], проницаемость газа через стекло быстро падает с повышением атомного веса; так, для гелия при 700° С коэффициент проницаемости A = 2,l-Ю-8, для неона — 4,2-Ю-10, для арго-
121
на — Ю-15. Диффузия гелия через мягкое стекло примерно в 100 раз меньше диффузии через стекло пирекс; проницаемость возрастает с увеличением в стекле содержания Si02, В203 и убывает с возрастанием содержания Na20, К2О, Bao [234]. Опыт показывает, что стеклянный дьюаровский сосуд для жидкого гелия после 4—10 дней должен быть вновь откачан. Гелий быстро диффундирует через кварц (при 1200°С К = 2,Ы0-6 [235]), а аргон практически не диффундирует [231, 236]. Диффузия через кварц при 900° С характеризуется для различных газов следующими значениями К-109 [237]: Не — 36,2; Н2 —6,4; Ne—1,18; N2 — 0,95; Аг — 0,58. Металлы группы платины непроницаемы для гелия вплоть до 1400—1600° С.
Данные о проницаемости газов (в частности, Не, N2, СН4— компонентов гелионосных природных газов) через различные полимерные пленки приведены во многих работах [232, 238]. В работе [239] рассмотрены (применительно к технике извлечения гелия из природных газов) данные о проницаемости гелия, азота, метана через мембраны из различных сортов резины, каучука, тефлона, полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена, майлара и других материалов. Пригодность того или иного материала для разделения газовых смесей характеризуется коэффициентом разделения ане-n, (для смеси Не—N2) или ане-сн^ (для смеси Не—СН4) и т. д. Отмечено, что мембрана из тефлона обладает хорошей избирательной способностью для разделения газовых смесей: ане-т*2 =25; ане-сн4 = 44 (при 30° С); зависимость К(Т) для тефлс/на может быть выражена уравнениями (при />60°С)
Кне = 1,9- Ю-5 ехр(- 4800//?Г),
Кщ = 4,2 • 10-5 ехр (— 7200/ЯГ),
Кен. = 7,3-10-5 ехр (- 7900/ЯГ).
Здесь R — универсальная газовая постоянная, кал/(мольХ Хград) (1,98); Г—абсолютная температура, °К. При 30°С величина Кне=6,2-10-9, Kns=0,25-10-9, Kcnt =0,14- 1(Н (размерность см. выше). Для силиконового каучука значения К (при г = 30° С) таковы: Не — 2,3-10"8, N2—1,5-Ю-», СН4 — 5,9-Ю-8, а соответствующие значения коэффициентов разделения: aHe-n2 = l,5, ане-сн4 =0,39, т. е. этот каучук, несмотря на более высокие по сравнению с тефлоном значения К, совершенно непригоден в качестве материала мембраны для выделения гелия из смеси Не—N2—СН4.
В последние годы запатентовано и испытано много различных композиций на основе кварца, полимерных пленок (политетрафторэтилена и полигексафторпропилена, полиамидов и др.) для выделения гелия из гелионосных природных газов методом диффузии, который, однако, не нашел промышленного применения.
122
По Эдвардсу и Пикерингу [240], проницаемость гелия через вулканизированную резину, применяемую для оболочек аэростатов, составляет (при t = 25° С) 0,65 проницаемости водорода. Для гелия при Ap = pi—р2=1 ати и 25° С К=2,2-10-6; при 40° С i(=3,6-10-6, а при 100°С К=15,6-10-6,
Литература
1. Соединения благородных газов. Под ред. М. Ф. Пушлевкова. М., Атом-издат, 1965.
2. В е г п а г d е s, Р г i m а к о f f. J. Chem. Phys., 30, 691 (1959). •3. H e 11 e г R. J. Chem. Phys., 9, 154 (1941).
4. JangeriusH. M. et al. Physica, 25, 400 (1959).
5. Fuchs R. W. Z. Naturforsch., 15a, 108 (1960).
6. Mandelcorn L. Chem. Revs., 59, 827 (1959).
7. V a n der Waals J. H., Platte uw J. G. Advances in Chemical Phy-sics. Vol. 11. Ed. Prigogina. N.Y., 1959.
'8. Никитин Б. А. «Докл. АН СССР», 24, № 6, 562 (1939); 29, 571 (1940). 9 Lahr Р. Н., Williams Н. L. J. Phys. Chem., 63, 1432 (1959).
10. Р о w е 1 Н. М. J. Chem. Soc, 298, 300, 468 (1950).
11. Wa Пег J. S. Nature, 186, 429 (1960).
12. Bartlett N. Proc. Chem. Soc, 218 (1962).
13. Weeks et ai. J. Amer. Chem. Soc, 84, 4612 (1962).
14. Guna S. R.. Williamson S. M. Science, 140, N0. 3563, 177 (1963).
15. Б e p д о н о с о в С. С. Инертные газы сегодня и завтра. М., «Просвещение», 1966.
16 Schumacher Е., Schofer Н. Helv. chim. acta, 47, 150 (1964).
17. Smith D. F. J. Chem. Phys., 38, 270 (1963); Science, 140, 899 (1963).
