СПОСОБ УКРУПНЕНИЯ ЯДЕР КОНДЕНСАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01N15/00 

Изобретение относится к аналитическим методам, использующим укрупнение ядер конденсации в пересыщенном паре, и может быть применено в высокочувствительных приборах для анализа микропримесей в газе, основанных на превращении молекул примеси в аэрозольные частицы, необходимых для решения задач экологии, а также контроля проницаемости материалов и герметичности изделий.

Известен способ укрупнения ядер конденсации (я.к.) в пересыщенном паре воды, включающий увлажнение пробы газа с я.к. и последующее адиабатическое расширение пробы, приводящее к образованию пересыщенного пара, конденсирующегося на ядрах с образованием капелек воды [1]
Недостатком этого способа является периодичность отбора и анализа проб, не позволяющая регистрировать быстрые изменения концентрации я.к. Другой недостаток связан с использованием воды (для паров которой невозможно достичь высоких пересыщений) в качестве рабочего вещества, что ограничивает снизу радиус способных к укрупнению ядер величиной 0,001 мк.

Эти недостатки устранены в способе укрупнения я.к. в котором в качестве рабочего вещества использован труднолетучий диизобутилфталат (ДИБФ), а пересыщенный пар создается путем турбулентного смешения холодного потока газа, содержащего я.к. с небольшим потоком, насыщенным при 100^оС паром ДИБФ [2]
Недостатком этого способа является большой расход газа-носителя, приводящий к большим массо-габаритным характеристикам аппаратуры для его осуществления, а также невозможность укрупнения сверхмалых ядер конденсации (r 10^-8 см).

Наиболее близким к предложенному является способ укрупнения ядер конденсации в пересыщенном паре весьма труднолетучего вещества, создаваемом путем турбулентного смешения термостатируемого потока, содержащего я.к. с небольшим потоком насыщенного при высокой температуре пара укрупняющего вещества [3]
Применение весьма труднолетучих укрупняющих веществ позволило осуществить укрупнение ядер конденсации молекулярных размеров ( r=n · 10^-8 cм), что в свою очередь позволило разработать чрезвычайно высокочувствительный и высокоселективный метод измерения микропримесей в газе, основанный на превращении молекул примеси в я.к. их последующем укрупнении и регистрации полученного аэрозоля оптическим методом (так называемый метод молекулярных ядер конденсации (МоЯК) [4]
Недостатками этого способа-прототипа являются: относительная сложность, связанная с необходимостью точного поддержания четырех параметров, влияющих на величину пересыщения и стабильность результатов, а именно двух температур и двух расходов газа (потока с я.к. и потока, насыщенного паром укрупняющего вещества); большой расход газа-носителя (1-10 л/мин), вызванный турбулентным режимом смешения холодного и горячего потоков, что в свою очередь порождает другие недостатки; большие массо-габаритные характеристики и энергопотребление соответствующей аппаратуры; большое аэродинамическое сопротивление (до 200 мм водяного столба), что ограничивает возможность применения низконапорных побудителей потока вентиляторного типа; ограниченная возможность применения газохроматографического разделения пробы (обычные хроматографические колонки работают при расходах в десятки см³/мин) в газоанализаторах с использованием данного способа; относительно низкая массовая чувствительность регистрации я. к. (а также газовых примесей в аппаратуре с использованием техники ядер конденсации) и соответственно относительно большая величина предела обнаружения, что связано с большими потерями я.к. на стенках смесителя (до 99% ) из-за турбулентного режима, а также с тем, что регистратор ядер конденсации по светорассеянию образованного аэрозоля реагирует на концентрацию я.к. а не на их массу. В то же время при анализе примесей в пробе газа часто бывает важным именно массовый предел обнаружения.

Целью изобретения является упрощение способа укрупнения ядер конденсации, уменьшение расхода газа-носителя, массо-габаритных характеристик, энергопотребления и аэродинамического сопротивления и снижение предела обнаружения микропримесей в газе.

Цель достигается предлагаемым способом укрупнения ядер конденсации, включающим получение пересыщенного пара весьма труднолетучего укрупняющего вещества между двумя эквидистантными поверхностями с заданной разностью температур, одну из которых, с более высокой температурой, покрывают укрупняющим веществом; введение потока анализируемого газа с ядрами конденсации в зазор между этими поверхностями и конденсацию пересыщенного пара на ядрах с образованием аэрозольных частиц.

Отличие предлагаемого способа от известного заключается в том, что получение пересыщенного пара осуществляют между двумя эквидистантными поверхностями с заданной разностью температур, одну из которых, с более высокой температурой, покрывают укрупняющим веществом, при этом поток анализируемого газа вводят в зазор между поверхностями.

Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем. В потоке газа с я.к. протекающем в пространстве между двумя разнотемпературными поверхностями, одна из которых покрыта укрупняющим веществом, создается поле градиента температур и поле градиента концентраций укрупняющего вещества. Под действием этих полей происходит перенос тепла и массоперенос паров укрупняющего вещества от поверхности с большей температурой к поверхности с меньшей температурой, причем температура меняется линейно с расстоянием от поверхности, а соответствующая значению температуры концентрация насыщенного пара экспоненциально:
Сts

Прототипом предлагаемого устройства может служить устройство для укрупнения ядер конденсации в потоке газа, содержащее камеру для создания пересыщения труднолетучего укрупняющего вещества с каналами для подачи газа с ядрами конденсации и вывода аэрозоля, снабженную охладителем и соединенную обогреваемым капилляром с испарителем укрупняющего вещества, содержащим электронагреватель.

Недостатками известного устройства является его относительная сложность, большой расход газа-носителя, большие массо-габаритные характеристики, энергопотребление и аэродинамическое сопротивление и относительно высокий массовый предел обнаружения микропримесей при использовании устройства-прототипа в аппаратуре для измерения микропримесей в газе.

Целью изобретения является упрощение устройства, уменьшение расхода газа-носителя, массо-габаритных характеристик, энергопотребления и аэродинамического сопротивления и снижение предела обнаружения микропримесей в газе.

Цель достигается применением предложенного устройства для укрупнения ядер конденсации в потоке газа, включающего камеру, выполненную, например, в форме цилиндрической трубки, снабженную каналами подачи потока газа и вывода аэрозоля, соединенную с системой для создания пересыщенного пара труднолетучего укрупняющего вещества с охладителем и расположенным внутри камеры, например, по оси трубки испарителем, выполненным, например, в форме цилиндра, содержащим электронагреватель.

Отличие предлагаемого устройства от прототипа заключается в том, что испаритель расположен внутри камеры.

Другое отличие заключается в том, что камера выполнена в виде цилиндрической трубки, а испаритель установлен по оси камеры и имеет форму цилиндра, внутри которого расположен нагреватель.

На фиг.1-3 даны схемы предлагаемого устройства; на фиг. 4 разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 то же, вариант; на фиг.6 график, иллюстрирующий предлагаемый способ.

Устройство состоит из камеры 1 для создания пересыщения со штуцером 2 для выпуска аэрозоля. Каналом для подачи потока газа с я.к. служит начальный участок трубки (слева). На камере укреплен охладитель, состоящий из термобатареи 3 и радиатора 4. Внутри камеры с помощью штока 5 из материала с плохой теплопроводностью в зависимости от требуемого числа ступеней укрупнения укреплены один или два испарителя 6, 6а из пористого материала, пропитанные соответствующим укрупняющим веществом. Внутри испарителя (при двухступенчатом укрупнении внутри каждого испарителя) имеется нихромовый электронагреватель 7, 7а, провода 8 от которого выведены наружу через канал в штоке и загерметизованы герметиком 9. Испаритель центрируется по оси камеры с помощью втулки 10.

Кроме описанных вариантов устройства с цилиндрической симметрией предлагаемый способ может быть реализован в устройстве, в котором зазор выполнен в виде щели между двумя плоскими стенками 11 и 12, разделенными теплоизолятором 13. На одной стенке установлен испаритель 14 с электронагревателем 15, а на противоположной охладитель 16 (фиг.3, 4, отсутствуют каналы для подачи потока газа и вывода аэрозоля, имеющие сложную форму).

Предлагаемый способ укрупнения ядер конденсации с помощью заявляемого устройства осуществляют следующим образом. На вход устройства подают поток газа 100-500 см³/мин с ядрами конденсации (на фиг.1 условно изображены точками а). В качестве я.к. могут выступать ядра двух типов: ядра, близкие по размерам к молекулам, полученные путем фото- или термоконверсии газовых примесей и требующие, как правило, двухступенчатого укрупнения, и ядра большего размера, например, атмосферные я. к. для которых достаточно одной ступени укрупнения. В кольцевом зазоре между испарителем 6 и внутренней стенкой охлаждаемой трубки 1 благодаря нагреву испарителя с укрупняющим веществом создается поле градиента концентрации этого вещества и поле градиента температуры. В результате процессов тепло- и массопереноса в различных участках потока устанавливается такое соотношение температуры и концентрации пара укрупняющего вещества, что на некотором расстоянии от центра потока в цилиндрическом элементе объема с основанием в виде кольца с внутренним радиусом r и внешним радиусом r + Δr создается максимальное пересыщение S укрупняющего вещества (фиг. 5, 6). В этой зоне происходит конденсация пересыщенного пара на ядрах и рост их размеров. Поток газа с укрупненными ядрами (на фиг.1 изображены кружочками б) выпускается из устройства через боковой штуцер 2 и поступает в аэрозольный нефелометр для определения счетной концентрации образовавшегося аэрозоля (в случае одноступенчатого укрупнения). В случае ядер молекулярного размера укрупнение производят в две ступени в варианте устройства, изображенном на фиг.2, содержащем два испарителя: 6 и 6а. Первый из них пропитан так называемым проявляющим веществом, второй укрупняющим.

Сравнительные характеристики предлагаемого устройства и устройства-прототипа, а также характеристики аппаратуры для измерения микропримесей в газе с использованием укрупняющих устройств приведены в таблице.

Как видно из данных таблицы, предлагаемое изобретение позволяет без потери концентрационной чувствительности упростить устройство для укрупнения ядер конденсации, уменьшить его массогабаритные характеристики, энергопотребление и аэродинамическое сопротивление, а также снизить расход газа-носителя до величины, близкой к применяемым в хроматографии, и уменьшить предел обнаружения газовых примесей на порядок. Это существенно расширяет возможности использования устройства.

П р и м е р 1. Измерение карбонилов металлов в воздухе.

В поток очищенного газа-носителя (воздуха) вводят шприцем пробу (5 см³) исследуемого воздуха со следами карбонила. Затем газ-носитель с пробой пропускают через хроматографическую колонку и подают в кварцевый фотореактор, где под действием ультрафиолетового излучения ртутных ламп среднего давления молекулы карбонилов превращаются в ядра конденсации. Поток газа с ядрами подают в двухступенчатое укрупняющее устройство типа изображенного на фиг.2, а затем в фотоэлектрический нефелометр для измерения светорассеяния полученного аэрозоля. Рабочие параметры укрупняющего устройства и полученные результаты приведены ниже:
Расход газа-носителя 300 см³/мин
Число ступеней укрупнения 2
Первое укрупняющее
вещество (проявитель) Норвалин
Второе укрупняющее
вещество Диизобутил-
фталат
Температура 1-го
испарителя 90^оС
Температура 2-го
испарителя 70^оС
Температура охладителя 18^оС
Минимально измеримая концентрация карбонила зависит от карбонила, но не хуже 2 · 10^-14 мольных долей
Предел обнаружения карбонила не более 2 · 10^-16 г в пробе
П р и м е р 2. Определение гексафторацетилацетоната алюминия в воздухе.

Определение осуществляют, как в примере 1, за исключением того, что для превращения молекул примеси в я.к. используют излучение высокочастотной безэлектродной ртутной лампы, а для укрупнения я.к. устройство с плоской щелью, изображенное на фиг.3, 4. Рабочие параметры укрупняющего устройства приведены ниже: Расход газа-носителя 200 см³ Число ступеней укруп- нения I Укрупняющее вещество Диоктил-
оксалат Температура испарителя 80^оС Температура охладителя 15^оС Минимально измеримая концентрация 10^-13 мольных
долей Предел обнаружения 3 · 10^-14 г в
пробе
Таким образом, из данных таблицы и примеров следует, что предложенные способ и устройство обладают существенными преимуществами по сравнению с прототипом и позволяют с высокой чувствительностью определять микропримеси в газе. При этом относительно небольшой расход газа-носителя делает возможным сочетание устройства по данному изобретению с газохроматографическим разделением компонентов пробы.

Использование: аналитические методы, использующие укрупнение ядер конденсации в перенасыщенном паре, в приборах для высокочувствительного определения примесей в газе, например, в задачах экологии, контроля проницаемости материалов и герметичности изделий. Сущность изобретения: в способе укрепления ядер конденсации пересыщенный пар укрупняющего вещества получают путем пропускания потока с ядрами в зазор между двумя эквидистантными поверхностями с заданной разностью температур, одна из которых (имеющая более высокую температуру) покрыта укрупняющим веществом. Способ реализуется с помощью устройства, содержащего камеру для создания пересыщения, снабженную охладителем, внутри которой установлен испаритель с электронагревателем. Камера может быть выполнена, например, в форме трубки, а испаритель цилиндрической формы расположен по ее оси. Способ укрупнения ядер конденсации и устройство для его осуществления позволяют существенно улучшить качественные характеристики и расширить область применения аппаратуры для измерения микропримесей в газе на базе техники ядер конденсации, в частности, использовать прибор на основе метода молекулярных ядер конденсации в качестве хроматографического детектора, обладающего высокой избирательностью и уникальной чувствительностью. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ укрупнения ядер конденсации в потоке газа, включающий получение пересыщенного пара труднолетучего укрупняющего вещества, введение его в поток анализируемого газа и конденсацию его на ядрах с образованием аэрозольных частиц, отличающийся тем, что получение пересыщенного пара осуществляют между двумя эквидистантными поверхностями с заданной разностью температур, одну из которых, с более высокой температурой, покрывают укрупняющим веществом, при этом поток анализируемого газа вводят в зазор между поверхностями. 2. Устройство для укрупнения ядер конденсации в потоке газа, включающее камеру, снабженную каналами подачи потока газа и вывода аэрозоля, соединенную с системой для создания пересыщенного пара труднолетучего укрупняющего вещества с охладителем и испарителем, содержащим электронагреватель, отличающееся тем, что испаритель расположен в камере. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что камера выполнена в виде цилиндрической трубки, а испаритель установлен по оси камеры и имеет форму цилиндра, в котором расположен нагреватель.