Устройство для определения параметров массопереноса газа в жидкости Советский патент 1985 года по МПК G01N13/00 

Изобретение относится к исследованию химических и физических свойств веществ и может быть использовано для определения кинетических параметров, характеризующих процессы растворения и диффузионного переноса газов в жидкостях, а также имеет непосредственно отношение к разработке и оптимизации технологических режимо с участием двухфазных газожидкостны сред.

Известно устройство для определения кинетических параметров переноса измерения изменений давления газа и веса растворителя в замкнутой системе газ - жидкий растворитель с течением времени, содержащее замкнутую газовую камеру, в которой установлены аналитические весы с размещенной на них емкостью для испытуемой жидкости. Фиксируя изменение давления в камере и веса растворителя в процессе растворения газа, по соответствующим решениям уравнения диффузии с граничным условием в форме закона Фика определяют кинематические параметры переноса 1 J.

Однако реализация в устройстве нестационарного процесса затрудняет интерпретацию результатов измерений. Полученных данных недостаточно для определения всех кинематических параметров.

Известно устройство для определения параметров переноса путем измерения газопроницаемости слоев жидкости, диффузионная ячейка которого представляет собой две газовые камеры, пространство между которыми заполняют испытуемой жидкостью. Газовые камеры отделены от жидкости полимерными мембранами и уплотнительными злментами. Верхняя камера подключена к баллону с исследуемым газом, а нижняя сообщается с хроматографией, и через нее осуществляется прокачка газа-носителя. Измерения проводят в нестационарном режиме диффузионной перекачки, но устройство обеспечивает и стационарное течение процесса 12,

Недостатком указанного устройства является наличие дополнительных мембран, а также ненадежность конструкции диффузионной ячейки из-за присутствия уплотнительных элементов непосредственно на границе раздела. Присутствие твердотельных мембран

требует дополнительных измерений по определению соответствующих параметров переноса газов непосредственно в мембранах и существенно усложняет трактовку результатов измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения параметров массопереноса газа в жидкости, содержащее прозрачную емкость и системы подачи газа и жидкости в емкост Емкость выполнена в виде U-образной трубки, один конец которой заглушен. Последовательно заполняя U-образную трубку жидкостью и газом, формируют в закрытой части трубки замкнутую газовую полость и измеряют скорость ее растворения, которая и определяет коэффициент диффузии З J.

Однако в известном устройстве нельзя создать тонкие жидкие прослойки, разделяющие газовые подсистемы, что практически исключает возможность проведения измерений, которые позволили бы определить кинематические козффициенты межфазновых переходов

При обработке результатов измерений с помощью указанных устройств упрощена трактовка процессов, имеющих место на границе раздела сред, когда граничную кинетику описьшают законом Фика, содержащим один кинематический параметр. Фактически в реальных процессах всегда имеют место как прямые, так и обратные переходы через границу раздела, а результирующий поток через границу газ жидкость определяется величиной, содержащей два кинематических параметра.

(1)

Wii п, - W.nj ,

-11

где - величина молекулярного

газового потока через границу раздела, W, - кинематический параметр прямых переходов через границу раздела газ - жидкость, м/с;

W2;, - кинематический параметр обратных переходов, м/с; п ип - граничные концентрации молекул газа со стороны соот. ветствующих сред, 1/м.

В нестационарных процессах растворения именно поток 1 через границу газ - жидкость определяет скорость 3 растворения. При стационарности процесса Газопроницаемость жидкой ( прослойки толщиной t , разделяющей растворяемую и внешнюю газовые под сиЬтемы, согласно проведенным вычи лениям огфеделяется величиной молек лярного потока. (n-nj ( 2D + 1W, 21 21 где D - коэффициент диффузии, - толщина жидкого слоя между газовыми подсистемами, м; концентрация исследуемого газа в растворяемой подси теме, Dj- концентрация газа во внешне газовой системе, м . Из выражения (2) видно, что и в стационарном случае газопроницаемость тонких слоев жидкости зависит от кинематических параметров . Целью изобретения является расши рение функциональных возможностей устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения параметров массопереноса газа в жидкости, содержащем прозрачную емкость и системы подачи газа и жидкости в емкость, последняя разделен горизонтальной сеткой, имеющей элементарную ячейку заданного размера на две части, связанные между собой капилляром, а система подачи газа соединена с нижней частью емкости. На фиг. 1 показано предлагаемое устройство, общий вид; на фиг. 2 схема устройства в режиме дополнительных измерений. Устройство (фиг. 1) содержит емкость 1, состоящую из двух цилиндрических сосудов разного диаметра, которые отделены один от другого горизонтальной сеткой 2. Верхний сосуд имеет меньший диаметр. Сетка 2 припаивается к металлической шайб 3, в кбторую вмонтирован капилляр 4 сообщающий части емкости 1 между собой. Капилляр 4 обеспечивает пере текание жидкости, когда вся поверхность сетки 2 перекрыта сформированной газовой полостью 5. Материал сетки 2 подбирают rajfrnt, чтобы он хорошо смачивался испытуемой жид- костью. Шайба 3 с сеткой 2 устанавливаются и удерживаются в емкости с помощью уплотнительной прокладки Для установки сетки 2 днище 7 емкости выполнено съемнь ми закреплено на емкость 1 через герметизирующие прокладки 8. Шайба 3 снабжена ограничителем 9,удерживающим начальные размеры газовой полости 5 в заданных пределах. В днище 7 емкости 1 вмонтированы патрубок 10 системы подачи жидкости и патрубок 11 системы подачи газа. Окончательный уровень жидкости над сеткой 2 устанавливается с помощью поршневой системы 12. В верхней части емкости 1 на специальных держателях 13 крепится дополнительная прямоугольная камера 14, частично перекрывающая сечение емкости 1, Две вертикальные поверхности камеры 14 (перпендикулярные плоскости фиг. 1) ограничены сетками, остальные стенки вьтолнены из непроницаемого прозрачного материала. Один из держателей камеры сделан полым и с помощью патрубка 15 соединен с системой подачи газа. Горизонтальная сетка 2 и сетки, ограничивающие камеру 14, должны иметь такую элементарную ячейку, чтобы через нее не происходило йьщавление газовых пузырьков в. процессе формирования газовой полости и проведения измерений. Соответствующие сетки выбираются экспериментальным путем, а сетки с квадратным сечением отверстий ячейки - с учетом следующих условий: для горизонтальной сетки 2 линейньй размер отверстий ограничен неравенством а 2( где 6 - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, H/MJ f - плотность жидкости, g - ускорение силь тяжести, м/с , ля ограншштельньк сеток камеры 14 -Аfghде h - высога камеры, м. Для ускорения процесса измерений елесообразно использовать такую мкость, чтобы высота ее нижней часи не превышала 5 мм. В данном случае ри форямировании газовой полости под еткой происходит практически полное ытеснение жидкости из этой части при растворении газовой полости олее быстрое установление стационарости режима.

При необходимости проведения допол нительных измерений к емкости подсоединяют трубку 16 отвода жидкости (фиг. 2).

Предлагаемое устройство позволяет реализовать две схемы измерения скорости изменения объема газовой полости при растворении ее в жидкости, которая определяет, при стационарности режима газопроницаемость заданного слоя жидкости, с помощью соотношения

т

(3) S где I - стационарная газопроницаемость, определяюк ая величин молекулярного потока через единичную площадку поверхно ти раздела в единицу времени, п.. - концентрация того компонента в газовой полости, растворимость которого исследуе ся, м ; - абсолютная скорость изменения объема газовой полости при растворении, S - величина поверхности растворения, м . Сопоставление измеренной в различ ных условиях газопроницаемости, за,данной соотношением (3), с соответст вующими теоретическими выражениями позволяет определить искомые кинетические параметры. В первой схеме измерений осуществ ляют растворение газовой полости, сформированной под горизонтальной сеткой 2, когда перенос газа в установившемся стационарном режиме идет в сторону внешней газовой подсистемы через жидкую прослойку заданной толщины t . Из равенства величин (2) и (3) в данном случае получаем рабочую формулу /V/ W; 2D + Щ 2-1 12 Возможны следукицие варианты. Если измерения проводят при малых толщинах жидких прослоек 1, когда вьшолняется условие

2D,

if.

то результаты измерений непосредственно определяют кинетический коэффициент . прямых переходов W.. В пределе (5) из вьфажения (4) следует, что

/i/

(6)

s

Факту осуществления предела (5) соответствует независимость скорости растворения /V/ от толщины каждой прослойки .

( При больших толщинах I, когда вы-. ,Ьолняется условие

W,E

(7)

2D, выражения (4) следует, что

(5) 55

Зависимости (8) и (10) показьшают, что для определения коэффициента диффузии необходимо дополнительно установить величину отношения ,.,. п.-п. В пределе (7) наблюдается характерная зависимость /V/ 1/, так что измеренные скорости растворения V и Vj для различных значений толщины жидкого слоя Р и 2 связаны между собой соотношением ., , Таким образом, измерения при малых значениях J, когда имеет место предел (5), определяют кинетический коэффициент W,2 а измерения при больших значениях С, когда вьтолняется предел (7), определяют коэффициент диффузии D. Предел (5) трудно реализовать практически, для этого нужно работать с очень тонкими слоями жидкости. При практических измерениях достаточно достичь условий, когда величины tw. и D имеют один порядок. При этом результаты измерений при двух значениях жидких слоев, ко.гда t Ij, соотносятся следующим образом /V,/ c(V,/ /,/ ,/5, В данном случаепо результатам двух измерение, используя выражение (4), получаем 2/ Л1 (. /vT/ (10) S /V t.-ta .% 1: S -/V Wfi n,- Пз /Vz/-/Vi/a , XI ( + / Из условия равновесия, когда в сист ме отсутствуют токи частиц, следует что поток через границу г О, так что равновесная концентрация растворенного газа в жидкости определяется величиной . 1 W, П 21 21 Следовательно, для определения величины отношения необходимо обратиться к справочникам по растворимос ти газов в жидкостях либо провести дополнительные измерения. Помимо определения отношения W /W -необходимость дополнительньк измерений может возникнуть в силу того, что в предложенной первой схеме измерений реально можно создать жидкие прослойки, разделяющие газовые подсистемы толщиной в пределах миллиметра, в крайнем случае десятых долей мишшметра, но не меньше. Этого может оказаться недостаточно,чтобы нарушить условие (7), так что в последнем случае первая схема измерений позволяет определить только значение коэффициента диффузии D, при наличии справочных данных о раст воримости, Вторая схема .измерения реализует систему газовая полость - неподвижный жидкий погранслой - движущаяся жидкость. Для этого газовую полость формируют в дополнительной камере, ограниченной сетками, и осуществляют ее расвторение в потоке жидкости. Жидкость, заполняющая сеточные каналы, остаётся неподвижной, так что толщина неподвижного погранслоя практически совпадает с толщиной сет ки. При использовании сеток толщиной в пределах микрона последнее предпол жение оправдано для скоростей потока выйе 10 м/с В общем случае TOjmpiHa неподвижного слоя оценивается величиной 1 1с + D/V, где If. .- толщина сетки, м} V - скорость потока, м/с. При растворении газовой полости в потоке жидкости соотношение (3) остается в силе, а газопроницаемость погранслоя толщиной 1 определяется величиной 2D+IW21 Wj, ti - концентрация исследуемЬго компонента в газовой полости, м- ; Hj - концентрация растворенного компонента в потоке жидкости, . Если при фиксированном t провести измерения скорости изменения объема газовой полости при ее растворении в потоках жидкости с различным содержанием растворенного газа п, то по результатам измерений определяется отношение Целесообразно одно из измерений проводить в потоке чистой жидкости, не содержащей растворяемого газового компонента, когда П2 О, а второе измерение - в потоке жидкости, которая содержит фиксированную долю растворяемого газа п,п. Лучше всего содержание предваритель о растворенного газа вьщерживать в пределах 0.2п, 0,7 п Используя измеренные значения объемных хасоростей растворения газовой полости в потоке чистой жидкости L и в потоке с содержанием растворенного газа Vj, когда HJ п-, а также выражения (3) и (12), получаем - -J о После вычисления величины (13) по результатам измерений по первой схеме определяют коэффициент диффузии по формулам (8) или (10). Если в первой схеме измерений осуществляется только предел (7), то кинетические коэффициенты Wj. определяются по результатам измерений по второй схеме. С помощью соотношений (3), (12) и (13) получаем /VO/-/VJ/ DS - К/Уо/ - /у//) DS - I(/V -/Vj7) Измерения пр первой схеме (фиг. существляют следухяцим обрядом. Заполняют емкость 1 исследуемой жидкостью до тех пор, пока ее уровень не подиимается выпе сетки. Форм1 руют под сеткой 2 газовую полость 5, осуществляя подачу газа через трубку 11. Подачу газа производят, пока гдзовая полость не достигнет размеров, заданных ограничителем 9. С помощью отсасывающей системы 12 устанавливают заданный слой жидкости, после чего переходят непосредственно к процессу измерений. Включают.от счет времени, фиксируя интервал времени , за который диаметр газовой полости 3 станет равным диаметру верхней части емкости 1. После этого восстанавливают размеры газовой полости до первоначальных,осуществляя через трубку 11 плавную подачу дополнительных порций газа. -Замеряют следующий промежуток времени 2 , за который происходит растворение газовой полости в указанных пределах. Отмеченный цикл измерений йовторяют до тех пор, пока промежутки времени растворения не ст нут одинаковыми, т.е. что соответствует установлению стаци нарности процесса. Вычисляют стационарную скорость измерения объема газовой полости, которая равна 27ГНК /V/ Н где Н - высота газовой полости, м| uS - изменение площади сечения газовой полости при раство рении, м I R - радиус верхней части емкос ти, м; ЛК - изменение радиуса газовой полости при растворении, м Ограничитель 9 устанавливают так чтобы изменение размеров газовой по лести R не превышало 1 мм. Описанные циклы измерений проводят для двух слоев разделяющей жидкой прослойки толщиной j 1 см и t,j ИГ,5 см.. Если результаты измерений показы вают, что то выполняется условие (9) и параметры переноса определяются соотношением (10). На этом измерения по первой схеме заканчиваются и остается определить отношение W, /W., по справочным данйым и соотношению (11) либо проведя измерения по второй схеме и используя соотношение (13). Еслк результаты измерений показывают, что /Vj / , то осуществляется предел (7) и необходимо повто рить цикл измерений при минимально возможной толщине жидкого разделяняце го слоя. Если дополнительное измере7Оййе при Pj 0,1 см показывает, что /УЗ/ , это означает, что при первой схеме измерений не удалось выйти за пределы условия (7) и результаты измерений определяют только коэффициент диффузии, а кинетические параметры W :следует определять по результатам измерений по второй схеме. Случай, когда , причем величина /10V.,.- Vj / превьшает величину погрешности измерений, означает, что удалось вьйти за рамки условия (7) и кинетические параметры следуют из соотношения (10) и (11) либо (10) и (13). Измерения по второй схеме (фиг.2) осуществляют следующим образом. Присоединяют емкость 1 с помощью трубки 16 к системе прокачки жидкости и полностью заполняют систему жидкостью. Через патрубок 15 подают газ -в камеру 14 вплоть до полного наполнения ее газом. После наполнения камеры газом начинают прокачивать жидкость в системе, обеспечивая растворение сформированной в камере 14 газовой полости в потоке жидкости, параллельном сеточным поверхностям камеры 14. В процессе измерений фиксируют интервал времени f, за который происходит заданное изменение высоты газовой полости 4Н. Вычисляют скорость изменения объема газовой полости /V/ d-L d и L - линейные размеры газовой полости, совпадающие с соответствующими размерами камеры 14 (фиг. 1). Указанное измерение проводят дважды. Сначала растворяют газовую полость в потоке чистой жидкости, не содержащей растворенных газов, измеряя соответствующее значение скорости изменения объема . Затем повторяют процесс растворения газовой полости в потоке жидкости с известным заданным содержанием исследуемого газа (п - п р, измеряя соответствующее значение- скорости /V--/, По соотношению (13) определяют величину после чего по данным измерений по первой схеме, используя вьфажение (8) или (10), вычисляют коэффициент диффузии D, а затем с помощью соотношений (14) и (15) П вычисляют кинетические параметры Wl2« Wj,. . Пример. Устройство использовалось для определения параметров переноса углекислого, газа в воде. Меньшее сечение емкости имеет радиус R 0,05 м. Горизонтальная латунная сетка имеет отверстия порядка 1 мм. Ограничители газовой полости располагаются по окружности радиуса R, 0,051 м. Высота сформированной газовой полости Н 0,004 м. Внешней газовой средой служит атмосфера,т.е можно принять, что концентрация угле кислого газа во внешней газовой лодсистеме п О. Высота между днищем емкости и сеткой около 5 мм. При толщине жидкой прослойки 0,01 м растворение газовой полости в стационарном режиме с изменением ее размеров на ЛК .R 0,001 м происходит за промежуток времени f 445 с, что соответствует значению 2flHR-|5- 2,82-10-3 м/с. Измерение при 1 0,005 м дает С 223 с, значение т.е. 5,64-ТОм/с Имеем /Vj / 2 /V /, .так что вьшолняется условие (7). Дополнительная камера имеет размеры d 0,01 м, L 0,01 м и высоту 0,04 м. В качестве ограничительной сетки используется мембрана толщиной 1 10 м, перфорированная отверстиями. Они изготовлены путем неоднократного проката латунной сетки. Коэффициент гелиевого сечения полученной перфорированной мембраны 0,004, так что о&цая поверхность растворения газовой полости в-камере S ,004Н. Начальная высота газо вой полости в камере Н 3,8 см, ко нечная - Н 3,7 см, так что при вь числениях поверхности растворения используется значение Н « 3,8 см. Ра створ с заданной концентрацией готовят путем многократного барботирования газа с измерением общего объ ма растворенного газа (путем определения разницы начального и конечного объема Газа при нормальных внешних условиях). Концентрация растворенног газа определяется по формуле 07 тде п 2, - число Лошмидта; объем растворенного газа; 51.- объем раствора. При растворении газовой полости в чистой жидкости изменение ее размеров с ЛН О ,001 м происходит 3а время tp 7,6 с, т.е. d-L-4H :.1,3-10- . Соответствующее изменение параметров в растворе с П|/п 0,8 (п i---- . JX я f. f 4 2,16-102 м ) происходит за С,- 11,4 с, так что 0,88-10-м /с. Согласно выражению (13) это соответствует значению величины Wli. ai(i -|i).4. Отсюда, используя данные измерений (ПО первой схеме (при f 1 см имеют « 2,8210- мз/с, 1), . |по формуле (8) получаем Наконец, проводя вычисления по формулам (14) и (15), находим Wji 0,062 м/с; 2,4 м/с; 0,15 м/с. Значения коэффициента диффузии D и данные о равновесной растворимости гравя 1 2.l достаточно хорошо согласуются с известными данными. При нормальных условиях D 1,7 -10 м /с . . Экспериментальные данные по , абсолютным значениям величин неизвестны. Предлагаемое устройство позволяет измерить все кинетические параметры, ответственные за процесс растворения, т.е. получить точную информаци о реальных процессах массопереноса в газожидкостных системах, в отличие от известных устройств,. которые обеспечивают измерение лшш коэффИ191ента Дйффузии.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАССОПЕРЕНОСА ГАЗА В ЖВДNPCTH, содержащее прозрачную емкость .и системы подачи газа и жидкости в емкость, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, емкость разделена горизонтальной сеткой, имеющей элементарную ячейку заданного размера, на две части, связанные между собой капилляром, а система подачи газа соединена с нижней частью емкости. kn