Устройство для измерения коэффициента диффузии газа в жидкости Советский патент 1985 года по МПК G01N13/00 

Изобретение относится к исследованию химическихи физических свойств веществ, например диффузионных, в частности к исследованию явлений мае сопереноса, и может быть использовано в технологических разработках с применением газожидкостных сред. Известно устройство для определения коэффициентов диффузии путем непосредственного измерения кон1(ентраций заданного компонента в фик™ сированных точках. В устройствах подобного рода осуществляют осмотр проб и проводят их количественный химический анализ либо фиксируют измерения какой-либо характеристики вещества, зависящей от концентрации Нздостатком указанного устройства является трудоемкость процесса измерений и анализа результатов. Кроме того, отбор проб из жидкости для химических исследований вносит возмущения, способные отразиться на чистоте диффузионных экспериментов. Измерение же характеристик жидкости завися1дих от концентрации исследуемого компонента требует дополнител ных исследований,, устанавливающих такие закономерности. Известно устройство для определения параметров переноса растворен ного газа в жидкостях по измерению газопроницаемости газожидкостных систем, содержащее измерительную ка меру, разбитую на три полости. Верх няя и средняя полости разделены упру гой непроницаемой мембраной, которая является измерительным элементом, фиксирующим перепад давлений между ними. Средняя и нижняя но лести отделены мембраной с известной газопроница еМостью, которая покрывается слоем испытуемой жидкости. Нижняя часть ка меры вакуумируется, а две других saполняются исследуемым газом. Скорост диффузионной перекачки и соответству кяцие параметры переноса определяются путем измерений прогиба упругого эле мента и нарастания давления в нижней полости. Измерения проводят в интервале времени, когда процесс идет нестационарно 2 . Недостатком данного устройства является то, что процесс массопереноса. осуществляется нестационарно и прс исходит в тройной системе газжидкость-твердое тело. При нестационарнь х режимах перекачки тесно 01,2 переплетены объемная кинетика, определяюща диффузию, и граничная кинетика, ответственная за растворимость, и их трудно надежно разделить. Для этого необходима достаточно сложная теоретическая интерпретация неравновесных процессов переноса Б тройных системах. Стационарное же течение процес са, которое достаточно надежно просчитывается, в отмеченном устройстве -невозможно. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения коэффициента диффузии газа в жидкости, содержащее диффузионную ячейку, соединенную с системой заполнения ее исследуемым газом и жидкостью, И газовую камеру. Диффузионная ячейка представляет собой две газовые камеры, пространство между которыми заполняется испытуемой жидкостью. Тазовые камеры отделены от жидкости полимерными мембранами и уплотнительными элементами. Верхняя камера к баллону с исследуемым газом, а нижняя сообщается с хроматографом 3}. Недостатками указанного устройства являются наличие дополнительных мембран, а также сложность и ненадежность конструкции диффузионной ячейки из-за присутствия лищних уплотнительных элементов на границах раздела. Цель изобретения - повьшение надежности измерений путем упрощения конструкции. . Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения коэффициента диффузии газа в жидкости, содержащем диффузионную ячейку, соединенную с системой заполнения ее исследуемым газоми жидкостью,и газовую камеру, диффузионная ячейка выполнена в виде U-образной трубки., один конец которой заглушен, а другой соединен с газовой камерой. I . На фиг.1 показана Схема устройства для измерения коэффициента диффузии; на фиг.2 - диффузионная ячейка. Предлагаемое устройство для измерения коэффициента диффузии газа в жидкости состоит из диффузионной ячейки I, выполненной в виде двух трубок 2 и 3, сообщающихся между собой наклонным каналом 4. На фиг.2 приведены следующие обозначения высоты уровня жидкости в трубке 2: исходное значение уровня жидкости в ячейке 1; 1i()- выс та газовой полости в трубке 2; Н заданньп уровень жидкости, до которого заполняется диффузионная ячей ка 1 . Трубки 2 и 3 могут быть установл ны на разном уровне, свободный коне трубки 3 герметично подсоединен с помощью ошанга 5 к выходному патруб 6 газовой камеры 7, которая может быть заполнена исследуемым или инер ным в отношении растворения газом. Камера 7 снабжена замкнутой систе мой 8 прокачки с компрессором 9, си тема 8 прокачки обеспечивает поток газа над поверхностью жидкости при открытом (положении А) клапане 10, закрытом СОСТОЯНИЙ клапан 10 (положение В герметизирует камеру 7 в нерабочем состоянии. Камера 7 и вых ной патрубок б имеют вейтияи И я 1 сброса соответственно. При необходи мости через вентиль 11 осуществляет ся отбор проб газа. Диффузионная ячейка 1 посредством герметичного ввода 13 подключена к системе 14 заполнения. Система - 14 заполнения снабжена вентилями 15 (для откачки вакуума), 16 (для подачи газа)и 17 (для подачи жидкости). В диффузионной ячейке 1 размещены датчики I8 уровня жидкости, сигнал с которых фиксируется соответствующей системо . Измерения осуществляются спедующи образом, В трубке 2 (замкнутом сосуде) фо мируется исследуемая газовая полост а Вторая трубка заполняется исследу мой жидкостью до заданного уровня Н (фиг,2) и герметично присоединяется к камере 7 с исследуемым или инертным в отношении растворения газом. В первом случае диффузионная перекачка осуществляется за счет перепада давлений, обусловленного весом столба жидкости Н. Во втором случае перекачка вызвана и непосредственным перепадом концентрадай, при чем в этом случае камера 7 дополнительно снабжена замкнутой системой 8 прокачки, обеспечивающей слабую тягу над внешней поверхностью жид- .кости и обновляющей поверхностный газовый слой. Скорость диффузионной перекачки фиксируется по изменению высотыh(t) газовой-полости при ее растворении. Устройство работает следующим образом. При закрытом клапане 10 (положение в вакуумируют диффузионную ячейку 1. Контроль давлений в ней осуществляется манометра-чи, подкйоченными к вентилю 12 сброса. После создания вакуума в диффузионной ячейке 1 перекрьшают вентиль 15 и заполня1бт ее исследуемым газом, который через вентиль 16 поступает иэ соответ-ствующего баллона со сжатым газом. При достижении давления в ячейке 1 уровня, равного да)алению газа в камере 7, перекрывают вентиль 16 прекращая тем самь1К подачу газа в ячейку 1, и открьшают вентиль 17, через который осуществляется подача жидкости в диффузионную ячейку I. С момента формирования замкнутой газовой полости, который фиксируется визуально, открывают вентиль 12 сброса и полностью заполняпот ячейку 1 жидкостью. Затем перекрывают вентиль 12 и открывают клапан 10, вентй.пь 17 при этом все еще открыт. При достижении жидкостью уровня горловины патрубка 6 вентиль 17 закрывают, прекращая подачу жидкости в ячейку 1. Таким образом, устройство готово к проведению измерений . По показаниям датчиков 18 уровня сигнал с которых фиксируется систе мой 19 измерений, определяют исходное значение уровня жидкости Ьд в диффузионной ячейке I. Если диффузионная ячейка 1 выполнена из прозрачных трубок, на одной из которых (трубка 2) нанесена измерительная шкала, то уровень жидкости измеряют визуально по упомянутой измерительной шкале. После замера исходного значения уровня жидкости lo начинают вести отсчет времени, фиксируя изменение высоты газовой полости 1i(t). При заполнении газовой камеры инертным газом включают компрессор 9. Последующие измерения сводятся фиксации текущего значения высоты п (i) замкнутой газовой полости. Коэффициент диффузии D определяют о скорости V стационарной переачки газа, определяемой при уело-. 1Ш, ЧТ.О (, линейно изменяется с течением времени t соотношением

б, .

const,

(I)

At

йН где

изменение высоты замкнутой газовой полости в течение времени ut , м; t- период времени, в течение которого производят измерения, с;

Изменение высоты д:Ь определяется как разница между высотой уровня газовой полости h(t) и высотой уровня жидкости hgfth ahit) -Нд. В случае, если газовая камера 7 заполняеТся инертным в отношении растворения газом, коэффициент диффузии О определяется соатношением

t-v

(2)

D

де V i определяется выражением СП, б, - средняя длина слоя жидкое-. ти (фиг.2) в диффузионной ячейка 2, м;

б. - коэффициент, характеризующий равновесную растворимость данного газа в жидкости, равный 1

IlPMfeti

(3) PoftH

где i ipoigir равновесная концентрация

растворенного газа в жидкости при заданных внешних условиях,

рае-н соответствующая концентрация молекул в газовой фазе, 1/м. Концентрация и, p, .и п заданы числом молекул газа в единице объема, В случае, когда камера 7 заполнена

исследуемым газом, коэффициент диффузии D определяется по формуле

D (U.,

(А) осгн ) bt

egl

давление газа в камере и/м

где Р р - плотность жидкости, S - ускорение силы тяжести, м/с Предпагаемое устройство может быт использовано также для измерения параметров, характеризующих кинетику растворения в нестандартных условиях, при наличии четкого теоретического анализа.

Предлагаемое устройство для измерения козф отциента диффузии газа в жидкости по сравнению с базовым объектом повышает надежность и точность измерений за счет упрощения конструкции диффузионной ячейки, поскольку отпадает необходимость устанавливать дополнительиые мембраны, удерживающие слой жидкости, а это исключает цикл по определению газопроницаемости мембран, атакже герметичность системы за счет отсутствия уплотнитёльных элементов, фиксирующих мембраны. В целом это приводит к улучшению чистоты диффузионных опытов.

При использовании высокопрочиых и оптически прозрачных материалов при изготовлении диффузионной ячейки устройство может быть использовано для измерений в широком диапазоне давленш (порядка сотен атмосфер) ,

Предлагаемое устройство целесообразно использовать в контрольно-измерительной аппаратуре технологических процессов в двухфазных газожидкостных средах. I }ism &«/«.; , /ffccffeff. Жидкость 1 I 4«

1

ut.2

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФадЩИЕНТА ДИФФУЗИИ ГАЗА В ЖИДКОСТИ, содержащее диффузионную ячейку, соединенную с системой заполнения ее исследуемым газом и жидкостью, и газовую камеру, отличающее с я тем, что, с целью повышения надежности измерений путем упрощения конструкции, диффузионная ячейка выполнена в виде U -обт разной трубки, один конец которой заглушен, а другой соединен jc газовой камерой. (О с: