Способ измерения коэффициентов диффузии газов через мембраны Советский патент 1992 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении диффузии через мембраны.

Известен способ определения коэффициента диффузии как частного деления величины коэффициента проницаемости на величину коэффициента сорбции.

Однако этот способ является косвенным, поэтому в ошибку результата входят погрешности от двух экспериментальных методик.

Наиболее близким является способ Измерения диффузии газа в мембране. Он заключается в размещении мембраны, свободной от диффузанта, между двумя камерами, подаче газа в одну из камер и измерении потока через мембрану. По времени задержки появления потока вычисляется коэффициент диффузии

В процессе измерения таким способом давление газа в камере и его концентрация в мембране изменяются от нуля до некоторых конечных значений. Но так как величина

коэффициента диффузии зависит от концентрации диффузанта, полученный результат измерения является усредненным по всему рабочему диапазону концентрации газа, а не относится к конкретному значению концентрации. Поэтому точность измерений коэффициента диффузии по способу-прототипу как прайило не превышает 15%. Кроме того, при измерениях в условиях высокого давления мембрана испытывает механическую нагрузку от перепада давления, что нередко является причиной повреждения мембраны.

Цель изобретения - повышение точности измерений, определение зависимости коэффициента диффузии 0(С)от концентрации С, а также предотвращение повреждения мембраны.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения коэффициента диффузии газов через мембраны, заключающемуся в размещении мембраны между двумя камерами, подаче газа в одну из камер и измерении количества прошедшего

VI

сл ел

ю о

;C(0,t) C(x.O)

через мембрану потока газа, в процессе измерения создают концентрации газа с обеих сторон мембраны Ci. С2, удовлетворяющие следующему условию

C2-C,D(.(1)

6D

где -pj- допускаемая погрешность измерения; -pj- O.1.

Процесс диффузии в предлагаемом способе измерения (для случая плоской мембраны с толщиной I) описывается следующими математическими формулами:

d С , Э D(С ) ЭС

d tOx dx

C(ht) C2,

где C(xit) - концентрация диффузанта в мембране на глубине х в момент времени t. Отсюда видно, что величина концентрации газа в процессе диффузии для предлагаемого способа изменяется в диапазоне от Ci до С2. При сокращении диапазона изменений концентрации диффузанта в мембране (при уменьшении разности ) точность измерений повышается за счет уменьшения погрешности, об/словленной зависимостью коэффициента диффузии от концентрации газа. Если граничные величины Ci, C2 удовлетворяют условию (1), то зависимостью коэффициента диффузии от концентрации в диапазоне от Ci до Са пренебрегают без превышения допускаемой погрешности измерения.

Выражение для количества прошедшего через мембрану диффузанта Q (t) по предлагаемому способу имеет вид: Q(t)Dt 1

|26

I ( С2 - С1 )

2 у°°(-1Г

П2

ехр(Оп2я

3)

и отличается от аналогичного уравнения для прототипа:

Q(t) Dt 1 ICi,2- 6

)

ехр(

%

Qa(t) Dt 1

- (5)

I (C2-Ci) |2 б При графической экстраполяции этой ассимптотики в область малых времен она пересекает ось абсцисс в точке to, называемой временем запаздывания. Из величины

В случае установления стационарного режима выражение (3) переходит е линейную ассимптотическую зависимость Qa(t):

времени запаздывания находят коэффициент диффузии по формуле:

, (6)

0

5

0

5

6 to

который соответствует значению концентрации Ci.

В практике для зависимости коэффициента диффузии в качестве аргумента используют или концентрацию диффузанта в мембране, или величину давления газа в камере. Используя предлагаемый способ, были проведены измерения коэффициентов диффузии азота и кислорода в мембране из полиэтилена низкой плотности толщиной 50 мкм при температуре 293 К при различных давлениях газа. С этой целью в процессе измерений создавались концентрации газа с обеих сторон мембраны Ci, C2, удовлетворяющие условию (1) при погрешности эксперимента 10%.

Способ позволяет измерять коэффициент диффузии газа в мембране при различных концентрациях и получить зависимость коэффициента диффузии от концентрации или от давления газа, что было невозможно сделать по способу-прототипу. Кроме того, в процессе измерения поддерживаемый перепад давления значительно меньше, чем в способе-прототипе, что повышает точность измерений, а также предотвращает повреждение мембраны.

Если мембрана имеет цилиндрическую форму, выражения (5, 6) становятся следующими:

Qa (t ) 2jrDt С2 - Ci Tnb/a

bz - a

2 In 1/3

):

D

+ b

b2-a2

4to4 to n b/a

где а и b - радиусы внутренний и снешний, соответственно.

Для сферической мембраны уравнения (5, 6) имеют вид:

QajV) Dt 1

6

4яаЬ(Ь - а ) ( С2 - Ci )

(b-a)

50

D

(b-a)

6 to

Формула изобретения Способ измерения коэффициентов диф- Фузии газов через мембраны, включающий размещение мембраны между двумя камерами, подачу газа в одну из камер и измерение количества прошедшего через мембрану потока газа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности изме- 51755120б

рений определения зависимости коэффици- Ci, С, удовлетворяющие следующему усло- ента диффузии D(Ci) от концентрации С, а вию;,

также предотвращения повреждения мемб-С - С1 Р )

раны, в процессе измерения создают сон-d D (Ci )

центрации газа с обеих сторон мембраны5 DC ,

Изобретение позволяет измерять коэффициенты диффузии газов через мембраны, определять зависимость коэффициента диффузии от концентрации, а также предотвращать повреждение мембраны. Способ заключается в создании концентрации газа с обеих сторон мембраны так, чтобы изменение величины коэффициента диффузии было ниже погрешности измерений. Такой способ позволяет повысить точность измерений за счет исключения погрешности, связанной с изменением коэффициента диффузии в зависимости от величины концентрации. Ё