СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРОЖИДКОСТНОГО РАВНОВЕСИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01N25/00 

Известен способ исследования парожидкостного равновесия в системе кислород-аргон-азот (см. Г.Б.Наринский. Установка для исследования равновесия жидкость-пар в системе килород-аргон-азот. Журнал физической химии, т.XXXIX, №8, 1965 г., стр.2009-2014).

Согласно известному способу приготовленную для исследования смесь в газообразном виде в необходимом количестве подают в сосуд равновесия, помещенный в криостат с жидким хладоагентом, где ее конденсируют, устанавливают и поддерживают требуемую температуру конденсата путем регулирования давления хладоагента, выпуская образовавшиеся при испарении пары хладоагента в атмосферу. Затем приготовленной смесью заполняют циркуляционный контур, который кроме сосуда равновесия включает рекуперативный теплообменник, ресивер, побудитель расхода (насос) и трубопроводы, снабженные отсечными и регулирующими клапанами, и включают побудитель расхода, обеспечивая циркуляцию пара по контуру и ее контакт с жидкой фазой в сосуде равновесия. При этом о достижении состояния парожидкостного равновесия судят по изменению температуры и давления, а также по времени работы циркуляционного контура, которое определяют в дополнительных тарировочных опытах.

Недостатком известного способа является низкая точность полученных результатов. Во-первых, во время проведения опыта не достигаются стационарные условия, так как при выпаривании жидкого хладоагента в криостате изменяется высота заглубления сосуда равновесия в жидком хладоагенте, что приводит к изменению гидростатического давления в зоне расположения сосуда равновесия, изменению температуры хладоагента, изменению теплоотдачи от сосуда равновесия к хладоагенту и температуры рабочей среды в сосуде равновесия. Во-вторых, достижение парожидкостного равновесия в части постоянства содержания компонентов смеси в жидкой и паровой фазах констатируют по косвенному признаку - времени циркуляции, которое определяют к тому же в дополнительных опытах, требующих материальных и временных затрат.

Целью изобретения является получение достоверных данных о парожидкостном равновесии, особенно в области разбавленных растворов, и сокращение времени проведения экспериментов (опытов).

Поставленная цель достигается тем, что в способе экспериментального исследования парожидкостного равновесия смеси, включающем получение в сосуде равновесия жидкой и паровой фаз, его термостатирование с использованием хладоагента, определение в каждой фазе молярного содержания компонентов, отличительной особенностью является то, что сосуд равновесия помещают в замкнутую полость, дополнительно содержащую испаритель и конденсатор, заполняемую неизменной во время эксперимента массой кипящего теплоносителя, при термостатировании поддерживают постоянное давление (температуру) теплоносителя, а изменение давления (температуры) теплоносителя осуществляют изменением тепловой мощности испарителя и/или конденсатора, охлаждаемого хладоагентом, прямотоком выполняют подачу в сосуд равновесия смеси с постоянным заранее известным молярным содержанием компонентов, при этом во время эксперимента измеряют молярное содержание компонентов в газе на выходе из сосуда равновесия, наступление парожидкостного равновесия определяют по достижению равенства молярного содержания компонентов газа на выходе из сосуда равновесия молярному содержанию компонентов в подаваемой смеси, а перед измерением состава жидкой фазы осуществляют кратковременную продувку анализного и всех импульсных трубопроводов, выходящих из сосуда равновесия.

Заявленный способ экспериментального исследования парожидкостного равновесия может быть реализован, например, в устройстве, схематично показанном на чертеже, на примере исследования парожидкостного равновесия смеси ксенон (Хе) - гексафторэтан (C₂F₆).

Устройство (стенд) содержит криостат 1 с многослойной экранно-вакуумной изоляцией, емкость 2 хладоагента, баллон (рампу с баллонами) 3 теплоносителя, баллон (рампу с баллонами) 4 исследуемой смеси, установленной на весы 5, побудители расхода 6, 7, вакуумный насос 8, сборники газа 9, 10, теплообменники 11, 13, 36, соединенные трубопроводами, снабженные регулирующей и запорной арматурой. Во внутреннюю полость 12 криостата 1 в нижней части установлены испаритель 14 и сосуд равновесия 15, а в верхней части - конденсатор 16.

Сосуд равновесия 15 линией 17 прямого потока смеси через погружной теплообменник 18, теплообменник 11, клапан 19, регулятор давления 20 соединен с баллоном 4 исследуемой смеси, а линией 21 обратного потока смеси через теплообменник 11, регулирующий клапан 23, расходомер FJ - со сборником газа 10 и далее линией 22 через побудитель расхода 7 - с баллоном (рампой с баллонами) 24. Линия 17 прямого потока смеси, линия 21 обратного потока смеси и сосуд равновесия 15 в нижней части снабжены соответственно пробоотборниками A1, A2, A3. Внутренняя полость 12 в верхней части линией 25 подачи теплоносителя через регулирующий клапан 26 и регулятор давления 27 соединена с баллоном 3 теплоносителя, а линией 28, снабженной клапаном, - со сборником газа 9. Нижняя часть внутренней полости 12 линией 29 через теплообменник 13 также соединена со сборником газа 9 и далее линией 30 через побудитель расхода 6 - с баллоном 3 теплоносителя.

Входной штуцер конденсатора 16 линией 31 подачи хладоагента через клапан 32 соединен с емкостью 2 хладоагента, которая в свою очередь линией 33 заправки хладоагента через клапан 34 соединена с хранилищем хладоагента (на схеме не показан). Выходной штуцер конденсатора 16 линией 35 через змеевик воздушного теплообменника 36, регулятор давления 37 и регулирующий клапан 38 соединен с выходом из устройства. Емкость 2 хладоагента линией 39 подачи газообразного хладоагента через регулирующий клапан 40, регулятор давления 41 соединена с источником газообразного хладоагента высокого давления (на схеме не показан). Устройство оснащено приборами для измерения расхода FJ, давления PJ₁÷PJ₁, уровня LJ₁÷LJ₃, температуры TJ₁÷TJ₄, состава QJ₁÷QJ₃.

Заявляемый способ экспериментального исследования равновесия осуществляют следующим образом. По линии 33 заправки хладоагента из хранилища через клапан 34 заполняют по показаниям уровнемера LJ₁ емкость хладоагента 2 требуемым количеством жидкого хладоагента, например жидкого азота. Подавая в емкость хладоагента 2 по линии 39 через регулятор давления 41 и регулирующий клапан 40 газообразный хладоагент (например, газообразный азот), по манометру PJ₁ устанавливают, а затем регулирующим клапаном 40 автоматически поддерживают в емкости хладоагента необходимое давление. В предварительно откачанные вакуумным насосом 8 до глубокого вакуума внутреннюю полость 12 криостата 1 и линию 25 подачи теплоносителя из баллона 3 подают теплоноситель, например криптон, устанавливая регулятором давления 27 по манометру PJ₂ во внутренней полости 12 требуемое давление. Открывая клапан 32 на линии 31 подачи хладоагента, в конденсатор 16 подают жидкий хладоагент, который, испаряясь за счет конденсации теплоносителя и нагреваясь в змеевике воздушного теплообменника 36 по линии 35, через регулятор давления 37 и регулирующий клапан 38 выходит из устройства. При накоплении по уровнемеру LJ₂ в нижней части внутренней полости 12 жидкого теплоносителя, достаточного для полного погружения в него сосуда равновесия 15, клапан 26 закрывают и полость 12 после этого становится замкнутой, а количество теплоносителя, находящегося в ней, неизменным. Дальнейшее изменение давления теплоносителя и связанную с ним температуру термостатирования, измеряемую при помощи термопреобразователей TJ₁ - в жидкой и TJ₂ - в паровой фазах теплоносителя, можно менять тепловой мощностью испарителя 14 и/или тепловой мощностью конденсатора 16. При этом минимальное значение тепловой мощности испарителя устанавливают такое, чтобы на теплообменной поверхности испарителя достичь режима пузырькового кипения, при котором обеспечивается хорошее перемешивание теплоносителя. В качестве испарителя может быть использован, например, тепловыделяющий электрический нагреватель. После установления во внутренней полости 12 требуемого давления в дальнейшем давление поддерживают автоматически преимущественно регулирующим клапаном 38 путем изменения расхода хладоагента и тепловой мощности конденсатора 16.

Исследуемую смесь в сосуд равновесия 15 подают по предварительно вакуумированной линии 17 из баллона 4. Вначале при закрытом клапане 23 в сосуде равновесия конденсируют необходимое количество смеси, устанавливая регулятором давления 20 по манометру PJ₃ в сосуде равновесия такое давление, при котором температура насыщения смеси несколько превышала бы (например, на 4-6 К) температуру теплоносителя, определяемую по прибору TJ₁. При накоплении в сосуде равновесия необходимого количества жидкой фазы, определяемого по уровнемеру LJ₃, клапан 19 закрывают, а в сосуде равновесия путем изменения давления (и температуры) теплоносителя устанавливают давление, которое требуется в соответствии с планом экспериментов. Затем регулятором давления 20 перед клапаном 19 по манометру PJ₄ устанавливают давление смеси, равное давлению PJ₃ в сосуде равновесия, открывают клапан 19 и регулирующим клапаном 23 по расходомеру FJ устанавливают требуемый расход смеси. По весам 5 контролируют массу смеси в баллоне. Из баллона 4 исследуемую смесь по линии 17 прямого потока смеси через регулятор давления 20, запорный клапан 19 направляют в теплообменник 11, где охлаждают обратным потоком смеси, доохлаждают в погружном теплообменнике 18 и уже в виде пара подают в нижнюю часть сосуда равновесия 15. В сосуде равновесия паровую фазу взаимодействуют с жидкой фазой, сепарируют от капельной влаги, а затем отводят из верхней части сосуда равновесия в линию 21 обратного потока смеси, нагревают в теплообменнике 11 за счет охлаждения прямого потока и после измерения мольного содержания компонентов смеси, отбираемой для анализа из пробоотборника А2 в газоанализатор QJ₂, через регулирующий клапан 23 направляют в сборник газа 10. Из сборника газа 10 побудителем расхода 7 по линии 22 смесь может быть закачана в баллон 24 для последующего использования.

В сосуде равновесия 15 взаимодействие паровой фазы смеси с жидкой фазой приводит вначале к изменению содержания компонентов как в жидкой фазе, так и в паровой фазе, выходящей из сосуда равновесия. Однако по истечении некоторого времени состав жидкой фазы уже не изменяется, а состав паровой фазы смеси на выходе из сосуда равновесия становится равным составу на входе, что является признаком достижения парожидкостного равновесия.

При достижении парожидкостного равновесия осуществляют кратковременную продувку анализной и всех импульсных линий, выходящих из сосуда равновесия, и производят измерения состава жидкой фазы, отбираемой из пробоотборника A3 в газоанализатор QJ₃, а также температуры TJ₃ в жидкой и температуры TJ₄ в паровой фазах и давления PJ₃. Состав паровой фазы известен изначально. Совокупность таких данных для каждого состава подаваемой смеси является целью проведения экспериментального исследования.

При исследовании парожидкостного равновесия, например, разбавленного раствора гексафторэтана в ксеноне при давлении в сосуде равновесия 0,2 МПа, давление криптона, используемого в качестве теплоносителя, должно составлять ˜2,05 МПа, а давление жидкого азота, используемого в качестве хладоагента, ˜2,0÷2,05 МПа.

По окончании опытов теплоноситель из внутренней полости 12 криостата 1 по линиям 28 и 29 перепускают в сборник газа 9 и далее по линии 30 побудителем расхода 6 сжимают и направляют в баллон 3 для последующего использования.

Предложенный способ экспериментального исследования парожидкостного равновесия позволяет получить достоверные экспериментальные данные, сократить время проведения опытов и уменьшить потребность в хладоагенте.

Изобретение относится к криогенной технике. Термостатирование сосуда равновесия с находящимися внутри жидкой и паровой фазами исследуемой смеси осуществляют в замкнутой полости, заполняемой неизменной в опыте массой кипящего теплоносителя. Требуемую температуру теплоносителя поддерживают (или изменяют) изменением тепловой мощности размещенных в этой же замкнутой полости испарителя и/или конденсатора, охлаждаемого хладоагентом. Для взаимодействия с жидкой фазой паровую фазу постоянного и известного состава в сосуд равновесия подают прямотоком, а наступление парожидкостного равновесия определяют по достижению равенства молярного состава смеси на выходе из сосуда равновесия составу подаваемой смеси. Технический результат - повышение точности экспериментальных данных о фазовом равновесии при низких температурах, сокращение времени проведения опыта и уменьшение потребности в хладоагенте. 1 ил.

Способ экспериментального исследования парожидкостного равновесия смеси, включающий получение в сосуде равновесия жидкой и паровой фаз смеси, его термостатирование с использованием хладагента, определение в каждой фазе молярного содержания компонентов, отличающийся тем, что сосуд равновесия помещают в замкнутую полость, дополнительно содержащую испаритель и конденсатор, заполняемую неизменной во время эксперимента массой кипящего теплоносителя, при термостатировании поддерживают постоянное давление (температуру) теплоносителя, а изменение давления (температуры) теплоносителя осуществляют изменением тепловой мощности испарителя и/или конденсатора, охлаждаемого хладагентом, прямотоком выполняют подачу в сосуд равновесия смеси с постоянным заранее известным молярным содержанием компонентов, при этом во время эксперимента измеряют молярное содержание компонентов в газе на выходе из сосуда равновесия, наступление парожидкостного равновесия определяют по достижению равенства молярного содержания компонентов газа молярному содержанию компонентов подаваемой смеси, а перед измерением состава жидкой фазы осуществляют кратковременную продувку анализного и всех импульсных трубопроводов, выходящих из сосуда равновесия.