Способ фотометрического определения газосодержания в газожидкостной эмульсии Советский патент 1992 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к измерительной технике и приборостроению и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для определения локальных значений газосодержания и средней скорости пузырей в системах газ-жидкость

Известен способ измерения газосодержания газожидкостного слоя (1), заключающийся в том, что измерительную кювету, в которой создается газожидкостный слой, взвешивают, изменяют высоту газожидкостного слоя и вновь взвешивают, а газосодержание (р определяют по формуле:

AM,,,

« - mra-- 1

где ДМ - разность масс измерительной кюветы с газожидкостным слоем до и после изменения последнего, кг;

рж- плотность рабочей жидкости, кг/м ;

S - площадь поперечного сечения измерительной кюветы м ;

ЛН - разность высот газожидкостного слоя в измерительной кювете, м.

Недостатком данного способа является невозможность измерения гязосодержания в работающем аппарате, например в химическом реакторе, а также невозможность определения средней скорости 1азовых пузырей, что резко сужает область его применения.

Наиболее близким техническим решением является способ фотометрического определения удельной поверхности контакта фаз газожидкостной эмульсии (2), закпюча- ющийся в том, что на слой эмульсии толщиной d L S 2d направляют излучение, измеряют интенсивность излучения, прошедшего через слой эмульсии, направляют излучение той же интенсивности на слой дисперсионной среды той же толиины, измеряют интенсивность излучения, прошедшего через указанный слой среды дополнительно измеряют величину газосодержания, мутность дисперсионной среды и дисперсной фазы и их показатели преломления, а удельную поверхность контакта фаз определяют по формуле1

сл

С

,1

О

оэ

ся

W

А- 4() -L Тж(1-)

(пг/пж)21 (2)

где е - основание натурального логарифма;

Ео - интенсивность излучения, прошедшего через слой дисперсионной среды, лк;

Е - интенсивность излучения, прошедшего через слой газожидкостной эмульсии, лк;

d - максимальный диаметр газового пузыря, м;

Гг - мутность дисперсной фазы, м ; гж - мутность дисперсионной среды,

-1.

м

(р- величина газосодержания, об. доли;

Пг - показатель преломления дисперсной фазы;

пж- показатель преломления дисперсионной среды.

Данный способ позволяет производить измерения в неэлектропроводящих средах, с его помощью можно определять удельную поверхность контакта фаз в суспензиях, но он не предназначен для определения газосодержания, величина которого входит в расчетную формулу в качестве параметра.

Целью изобретения является расширение области применения на неэлектропроводящие среды и возможность определения средней скорости пузырей.

На чертеже показана принципиальная схема устройства, реализующего способ.

Устройство состоит из двух светопроводов 1 и 2. установленных на расстоянии L один соосно с другим, источника 3 излучения, фотоприемника 4 и вторичного прибора 5.

Способ осуществляют следующим образом.

От источника 3 излучения световой поток проходит по светопроводу 1, затем параллельным пучком через слой исследуемой среды толщиной L, где он частично рассеивается и поглощается всплывающими пузы- рями, что приводит к импульсному изменению интенсивности излучения, достигающего фотоприемника 4. В фотоприемнике 4 импульсйый световой сигнал преобразовывается в электрические импульсы, которые регистрируются вторичным прибором 5.

При осуществлении способа в качестве источника излучения используют источник ИК-излучения, в качестве светопроводов - гибкие волоконные световоды, в качестве вторичного прибора - шлейфовый осциллограф или аналого-цифровой преобразователь, подключенный к ЭВМ (при

автоматической обработке результатов измерений).

При этом необходимо заранее любым известным методом, например, упомянутым выше в качестве аналога, измерить удельную поверхность контакта фаз А в исследуемой газожидкостной эмульсии. Затем датчик помещают в эту же эмульсию и измеряют количество m и длительность ц

импульсов снижения интенсивности излучения, прошедшего через слой газожидкостной эмульсии толщиной L.

При осуществлении способа в качестве приемника излучения наиболее удобно использовать световод круглого сечения с радиусом ге. Поскольку в этом случае газовый пузырь движется через измерительную ячейку, заключенную между источником и приемником излучения, равномерно и прямолинейно с равной вероятностью пересечения светового пучка круглого сечения по хорде любой длины, характерный размер Ц определяют по теореме о среднем

2 гс /h(x)dx 2rcLc,(3)

где h(x) - текущая длина хорды, м;

х - текущая координата хорды, м.

Выполнив интегрирование, получим для измерительной ячейки цилиндрической формы, образованной двумя световодами круглого сечения

Ц f гс.(4)

Проведя аналогичные рассуждения для пузыря, принимая его форму сферической радиусом Гщ, получим значение характерного размера пузыря

IКtr-

Ui т; Гщ.(5)

Длительность импульса снижения интенсивности излучения ti определяется суммой характерных размеров приемника и пузыря и выражается соотношением

ti Ц + Ui

Vi

(6)

где Vi - скорость движения 1-го пузыря, м/с. С другой стороны, длительность импульса ti снижения интенсивности излуче- ния - измеряемая величина. Следовательно, можно определить скорость движения 1-го пузыря Vi

V. -bL±J-.(7)

Время прохождения пузыря tni через фиксированную точку измерительной ячейки определяется из соотношения

U,,

-гм

ц + и

(8)

Газосодержание определим как отношение суммы времени прохождения пузырей через фиксированную точку измерительной ячейки 2 Ц к общей продолжительности времени измерения m

i Zitn| 1 а ч и,

У То То, Ы Ц + Lni

(9)

В этом выражении величина Lni в общем случае может быть рассчитана по уравнению (5) при известном радиусе Гщ каждого i-ro пузыря, проходящего через измерительную ячейку в i-й момент времени. Однако в большинстве практически возникающих случаев размеры пузырей в газожидкостной эмульсии очень близки друг к другу. Например, в аппаратах с мешалками диаметр пузырьков в основной части жидкости составляет 5-6 мм. В связи с этим возможна замена Lni на средний характерный размер пузырей , который можно вычислить по формуле (5), подставив в нее вместо Гщ средний объемно-поверхностный радиус пузырей гп, вычисляемый по известному соотношению

гп

А

Объединив выражения (5), (9) и (10) с учетом замены гщ на гп, получаем выражение для определения газосодержания

m

, S, 2

Р--Т;-тпгАи- 1

Выражение (7) при известном размере пузыря Lni позволяет определить скорость движения i-ro пузыря Vi. Если в (7) заменить Lni на Ln и вместо ti подставить среднюю длительность t импульса снижения интенсивности излучения за время измерения Т m

2t.

t

i i

m

(12)

где m - количество импульсов за время То, то можно рассчитать среднюю скорость движения V пузырей в исследуемой эмульсии:

m

V

2t,

i 1

(Lc + Ln).

(13)

. я л З р где Ln TJ rn Tj- -Ј

Необходимо указать, что при реализации способа необходимо соблюдать ограни- чения на толщину слоя L, в котором производятся измерения (d L 2d). Эти ограничения, как и в прототипе, вызваны

25

тем, что в измерительной ячейке должен находиться только один газовый пузырь.

Важным условием применимости способа является также наличие узкого спектра 5 газовых пузырей, находящихся в эмульсии. Реализация способа иллюстрируется следующими примерами. П р и м е р 1.

Измерения проводят в стеклянной кю- 10 вете с плоскими стенками. В качестве дисперсионной среды используют 1% раствор натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы. В качестве дисперсной фазы используют воздух барботируемый в жидкость через ке- 15 рамический патрон. Расстояние между световодами приемника и источника излучения L 0,005 м. Радиус световодов гс 0,001 м. Определена удельная поверхность контакта фаз: А 77,43 . Общее время измерения: 20 То 20 с. Количество m импульсов снижения интенсивности излучения: m 61. Суммарная длительность импульсов снижения инm

тенсивности излучения Tti 1,34 с. По

формуле ( 0,041, по формуле (13) V 0,15 м/с. Контрольное измерение газосодержания кондуктометрическим способом дает Ф 0,04.

on П р и м е р 2.

Изменения проводят в стеклянной кювете с плоскими стенками. В качестве дисперсионной среды используют глицерин. В качестве дисперсной фазы используют воз1

25 дух. барботируемый в жидкость через керамический патрон. Расстояние между световодами источника и приемника излучения L 0,004 м. Радиус световода гс 0,001 м. Определена удельная поверхность

«Q контакта фаз: А 68,0 . Общее время измерения: То 20 с. Количество импульсов снижения интенсивности излучения m 31, Суммарная длительность импульсов снижеm

ния интенсивности излучения У ti 0,9 с. 45iПо формуле (12) Ф 0,022, по формуле (13) V 0,11 м/с. Контрольное измерение газосодержания кондуктометрическим способом дает ф 0,02. Измеренная скорость 50 всплытия пузырей для исследованных в примерах -1 и 2 сред хорошо согласуется с известными данными.

Таким образом, при реализации спосо- 55 ба обеспечивается возможность проведения измерений в неэлектропроводящих средах, а также возможность одновременного измерения средней скорости г.сплытия пузырей в газожидкостной эмульсии.

Способ можно эффективно использовать при проведении научно-исследовательских работ, а также при определении параметров газожидкостной эмульсии в промышленных аппаратах, что позволяет оптимизировать технологический процесс. Формула изобретения Способ фотометрического определения газосодержания в газожидкостной эмульсии, состоящий в фиксации моментов прохождения пузырем точек пространства, в которых расположены датчики, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения на неэлектропроводящие среды и возможности определения средней скорости пузырей, при фиксации моментов прохождения пузырём точек пространства, в которых расположены датчики, направляют на газожидкостную эмульсию излучение, измеряют приемником количество m и длительность ti импульсов снижения интенсивности излучения, прошедшего через слой эмульсии, измеряют удельную поверхность А контакта фаз в эмульсии, после чего определяют величину газосодержания р по формуле

сm

Д 2

-Чг:тпгА и

а средняя скорость V движения пузырей по .JQ формуле

V

где То - продолжительность измерения, с; m

- суммарная продолжительность i 1

импульсов снижения интенсивности излуче- ния за время То, с;

LC - характерный размер приемника излучения.

Использование: измерительная техника и приборостроение, определение локальных значений удельной поверхности контакта фаз, газосодержания и средней скорости пузырей в системах газ-жидкость, а также а суспензиях и эмульсиях. Сущность изобретения: на газожидкостную смесь (эмульсию) направляют излучение, измеряют интенсивность излучения, прошедшего через слой газожидкостной смеси, измеряют продолжительность и количество импульсов снижения интенсивности света, прошедшего через слой газожидкостной смеси за время измерения, и по формулам вычисляют газосодержание и среднюю скорость пузырей. 1 ил.

О

о

О

о

-j LЈ °

с jfeloeV

о о

о

о

о