Explosive Boiling-up of Superheated Gas-Saturated Alkanes

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The spontaneous boiling-up kinetics of liquid alkanes (methane, ethane, and propane) saturated with one of the following gases: helium, hydrogen, nitrogen, or methane is studied. The solution nucleation rate temperature, baric, and concentration dependences in the interval (104–108) m–3 s–1 are determined using the mean lifetime method. The measurements were carried out at pressures of 1–2 MPa and volatile component concentrations up to 6 mol %. The experimental results are compared with the classical nucleation theory in a macroscopic approximation. In contrast to pure liquid and liquid saturated with helium or hydrogen, the attainable superheating temperatures of solutions containing nitrogen or methane as a dissolved substance exceed their theoretically predicted values. The factors causing this mismatch are discussed.

About the authors

V. G. Baidakov

The Institute of Thermal Physics, of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: baidakov@itpuran.ru
620016, Yekaterinburg, Russia

A. M. Kaverin

The Institute of Thermal Physics, of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: baidakov@itpuran.ru
620016, Yekaterinburg, Russia

A. S. Pankov

The Institute of Thermal Physics, of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: baidakov@itpuran.ru
620016, Yekaterinburg, Russia

References

  1. Salla J., Demichela M., Casal J. BLEVE: A New Approach to the Superheat Limit Temperature // J. Loss Prev. Process Ind. 2006. V. 19. P. 690.
  2. Pruess K., Narasimhan T.N. On Fluid Reserves and the Production of Superheated Steam from Fractured, Vapor-dominated Geothermal Reservoirs // J. Geophys. Research: Solid Earth. 1982. V. 87. P. 9329.
  3. Sahagian D. Eruptive Shearing of Tube Pumice: Pure and Simple // Nature (London). 1999. V. 402. P. 589.
  4. Rubin M.B., Noyes R.M. Thresholds for Nucleation of Bubbles of Nitrogen in Various Solvents // J. Phys. Chem. 1992. V. 96. P. 993.
  5. Abbasi T., Abbasi S.A. The Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion (BLEVE): Mechanism, Consequence Assessment Management // J. Hazard. Mat. 2007. V. 141(3). P. 489.
  6. Hemmingsen E.A. Supersaturation of Gases in Water: Absence of Cavitation on Decompression from High Pressure // Science. 1970. V. 167. P. 1493.
  7. Mori Y., Hijikata K., Nagatani T. Effect of Dissolved Gas on Bubble Nucleation // Int. J. Heat Mass Transfer. 1976. V. 19. № 10. P. 1153.
  8. Forest T.W., Ward C.A. Effect of a Dissolved Gas on the Homogeneous Nucleation Pressure of a Liquid // J. Chem. Phys. 1977. V. 66. № 6. P. 2322.
  9. Volmer M. Kinetik der Phasenbildung. Dresden–Leipzig, 1939.
  10. Ward C.A., Balakrishnan A., Hooper F.C. On the Thermodynamics of Nucleation in Weak Gas-liquid Solutions // Trans. ASME. 1970. V. 92. № 4. P. 695.
  11. Несис Е.И., Френкель Я.И. Вскипание газированной жидкости // ЖТФ. 1952. Т. 22. С. 1500.
  12. Дерягин Б.В., Прохоров A.B. К теории вскипания газированной жидкости // Коллоидный журнал. 1982. Т. 44. № 5. С. 847.
  13. Куни Ф.М., Огенко В.М., Ганюк JI.H., Гречко Л.Г. Термодинамика распада пересыщенного газом раствора // Коллоидный журнал. 1993. Т. 55. № 2. С. 22.
  14. Мелихов А.А., Трофимов Ю.В., Куни Ф.М. Теория преодоления активационного барьера при распаде пересыщенного газом раствора // Коллоидный журнал. 1994. Т. 56. № 2. С. 201.
  15. Baidakov V.G. Nucleation in Superheated Gas-saturated Solutions: 1. Boiling-up Kinetics // J. Chem. Phys. 1999. V. 110. № 8. P. 3955.
  16. Baidakov V.G. Explosive Boiling of Superheated Cryogenic Liquids. Weinheim: Wiley–VCH, 2007. 340 p.
  17. Staufer D. Kinetic Theory of Two-component (“Hetero-molecular”) Nucleation and Condensation // J. Aerosol Sci. 1976. V. 7. № 4. P. 319.
  18. Trinkaus H. Theory of the Nucleation of Multicomponent Precipitates // Phys. Rev. B. 1988. V. 27. № 12. P. 7372.
  19. Зицерман В.Ю., Бережковский А.М. Теория многокомпонентной нуклеации с обходом седловой точки // ЖФХ. 1990. Т. 64. № 7. С. 1795.
  20. Bowers P.G., Hofstetter C., Letter C.R., Toomey R.T. Supersaturation Limit for Homogeneous Nucleation of Oxygen Bubbles in Water at Elevated Pressure: “Super-Henry’s Law” // J. Phys. Chem. 1995. V. 99. № 23. P. 9632.
  21. Bowers P.G., Bar-Eli K., Noyes R.M. Unstable Supersaturated Solutions of Gas in Liquids and Nucleation Theory // J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1996. V. 92. № 16. P. 2843.
  22. Kwak H., Panton R.L. Gas Bubble Formation in Nonequilibrium Water-gas Solutions // J. Chem. Phys. 1983. V. 78. № 9. P. 5795.
  23. Байдаков В.Г., Каверин А.М., Скрипов В.П. Кинетика флуктуационного вскипания перегретого жидкого метана // Коллоидный журнал. 1980. Т. 42. № 2. С. 314.
  24. Байдаков В.Г., Каверин А.М., Сулла И.И. Достижимый перегрев жидкого этана // ТВТ. 1989. Т. 27. № 2. С. 410.
  25. Байдаков В.Г., Каверин А.М., Скрипов В.П. Кинетика флуктуационного вскипания перегретых пропана и изобутана// Журн. физ. хим. 1986. Т. 60. № 2. С. 444.
  26. Зельдович Я.Б. Теория образования новой фазы. Кавитация // ЖЭТФ. 1942. Т. 12. № 11/12. С. 525.
  27. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972. 312 с.
  28. Байдаков В.Г. Спонтанное зародышеобразование в перегретых растворах гелия в метане // Коллоидный журнал. 2019. Т. 81. № 3. С. 281.
  29. Каган Ю.М. О кинетике кипения чистой жидкости // Журн. физ. хим. 1960. Т. 34. № 1. С. 92.
  30. Baidakov V.G., Kaverin A.M., Pankov A.S. Attainable Superheating of Liquid n-butane // Phys. Fluids. 2018. V. 30. P. 047102(5).
  31. Baidakov V.G., Grishina K.A. Capillary Constant and Surface Tension of Methane–Helium Solutions // Fluid Phase Equilib. 2013. V. 354. P. 245.
  32. Baidakov V.G., Kaverin A.M., Grishina K.A., Khotienkova M.N. Surface Tension of Alkanes Saturated with Helium or Hydrogen // Int. Phenomena Heat Transfer. 2018. V. 5. № 2. P. 97.
  33. Baidakov V.G., Kaverin A.M., Khotienkova M.N., Andbaeva V.N. Surface Tension of an Ethane–Nitrogen Solution: 1. Experiment and Thermodynamic Analysis of the Results // Fluid Phase Equilib. 2012. V. 328. P. 13.
  34. Kunz O., Wagner W. The GERG-2008 Wide-range Equation of State for Natural Gases and Other Mixtures: An Expansion of GERG-2004 // J. Chem. Eng. Data. 2012. V. 57. № 11. P. 3032.
  35. Baidakov V.G., Khotienkova M.N. Surface Tension of Methane–Nitrogen Solutions: 2. Description in the Framework of the van der Waals Gradient Theory// Fluid Phase Equilib. 2016. V. 424. P. 402.
  36. Baidakov V.G., Protsenko S.P., Bryukhanov V.M. Relaxation Processes at Liquid–Gas Interfaces in One- and Two-component Lennard–Jones Systems: Molecular Dynamics Simulation // Fluid Phase Equilib. 2019. V. 481. P. 1.
  37. Protsenko S.P., Baidakov V.G., Teterin A.S., Zhdanov E.R. Computer Simulation of Nucleation in a Gas-saturated Liquid // J. Chem. Phys. 2007. V. 126. № 9. P. 094502(14).
  38. Bryukhanov V.M., Baidakov V.G. Phase Equilibria and Stability Boundaries in a Two-component Lennard–Jones Mixture // Fluid Phase Equilib. 2022. V. 557. P. 113413.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (82KB)
3.

Download (41KB)
4.

Download (44KB)
5.

Download (34KB)

Copyright (c) 2023 В.Г. Байдаков, А.М. Каверин, А.С. Панков

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».