Устройство для определения коэффициента диффузии паров жидкости в газе

 

Изобретение относится к исследованию диффузии паров жидкостей в газах. Целью изобретения является расширение температурного диапазона устройства и повышение точности измерения коэффициента диффузии. Поставленная цель достигается тем, что в камере устанавливают измеритель массы, соединяемый механически с элементом для размещения образца, выполненным в виде диска. В центре диска находится углубление с остроугольным буртиком и следующими геометрическими соотношениями RD 3R, R Н 0,2 R, НБ 0,3 R, где RD - радиус диска, R - радиус углубления, Н - глубина углубления, НБ - высота буртика. 2 ил. 1 ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 13/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4792812/25 (22) 16,02.90 (46) 07.03.92, Бюл. f+ 9 (71) Челябинский политехнический институт им, Ленинского комсомола (72) А.Т. Белоножко, Г.П. Вяткин, IO,Г. Измайлов и О.В, Сорокин (53) 535.217.1 (088.8) (56) Горюнов Н.А., Кувшинский Е.В. Определение коэффициентов диффузии в воздух паров циклогексона, хлороформа и ацетона.—

ЖТФ, 1948, М 11, с, 1421., Авторское свидетельство СССР

N 1582079, кл. 0 01 N 13/02, 1989. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ПАРОВ

ЖИДКОСТИ В ГАЗЕ

Изобретение относится к исследованию диффузии паров жидкостей в газах и может найти применение в химической и металлургической промышленности.

Известно устройство для определения . коэффициента диффузии паров жидкости в газе. имеющее камеру для газа, приборы для контроля параметров газа, элемент для размещения жидкости, соединенный с измерителем массы.

Это устройство обеспечивает высокую точность измерений, но может быть использовано в сравнительно узком температурном диапазоне (до 100 С).

Наиболее близким является устройство для определения коэффициента диффузии паров жидкости в газе, имеющее камеру для газа, снабженную смотровыми окнами, и приборы контроля параметров газа, эле(57) Изобретение относится к исследованию диффузии паров жидкостей в газах. Целью изобретения является расширение температурного диапазона устройства и повышение точности измерения коэффициента диффузии. Поставленная цель достигается тем, что в камере устанавливают измери-" тель массы, соединяемый механически с элементом для размещения образца, выполненным в виде диска. В центре диска находится углубление с остроугольным буртиком и следующими геометрическими соотношениями РО 3R, R Н 0,2 R, НБ

< 0 3 R, где RD — радиус диска, R — радиус углубления, Н вЂ” глубина углубления, НБ— высота буртика. 2 ил. мент для размещения образца в виде кольцевого держателя, совмещенный с измерителем температуры, и оптический измеритель геометрических размеров капли жидкости.

Это устройство позволяет несколько увеличить температурный диапазон (до 200—

300 С), так как малые размеры держателя существенно облегчают термостатирование. Но для веществ, плавящихся при высоких температурах (больше 100 С) трудноразрешимой становится задача формирования капли на кольцевом держателе.

По мере увеличения температуры снижается поверхностное натяжение жидкостей и форма капли все более отклоняется от сферической, заложенной в основу расчетной модели. Это при пдит к значительному снижению точности измерений и не позволяет

1718040 проводить исследования при высоких температурах(до 2000 С).

Цель изобретения — расширение температурного диапазона устройства и повышение точности измерения коэффициента диффузии, Указанная цель достигается тем, что в устройстве для определения коэффициента диффузии паров жидкости в газе. содержащем камеру для газа, снабженную смотровыми окнами и приборами контроля параметров газа, элемент для размещения образца и оптический измеритель геометрических размеров капли жидкости, в камеру устанавливают измеритель массы, соединяемый механически с элементом для размещения образца, выполненным в виде диска, в центре которого находится коническое углубление с остроугольным буртиком и следующими геометрическими соотношениями;

RD 3R; 1.0R Н > 0.2R: Нб «0,3R, где RD — радиус диска;

R — радиус углубления;

Н вЂ” глубина углубления;

Нь — высота буртика, Выполнение элемента для размещения образца в виде диска с углублением позволяет перейти от висящей капли к капле, лежащей на подложке, В этом случае меняется теоретическая модель процесса испарения: вместо сферической капли рассматривается испарение с поверхности эллипсоида в полупространство, Размеры изотермической эоны при этом уменьшаются в два раза, а эллипсоидная форма поверхности сохраняется в широком температурном интервале.

Это позволяет легко термостатировать элементы и проводить измерения с высокой точностью в температурном диапазоне 100—

200О С.

Расчет коэффициента диффузии проводится по формуле

Q ! х

2xR (С! — Со) а arct х где 1 — интегральный массовый поток с поверхности жидкости;

R — - радиус углубления в диске;

С вЂ” равновесная концентрация пара в газе:

Со — исходная концентрация пара в газе; а = R/h — безразмерный параметр;

h — высота капли над буртиком;

6 то п =- — безразмерный параметр; лФр

p — плотность жидкости;

mo = m — Чр- масса выступающей части жидкости;

m — масса жидкости в ячейке;

V — объем углубления ячейки, Формула используется в случае, если максимальный размер капли равен диаметру основания капли„т.е. капля не имеет экватора.

Точность нахождения коэффициента диффузии определяется точностью измерения массы и геометрических параметров капли и соответствием условий эксперимента выбранной теоретической модели. Так как точность измерения геометрических величин, по сравнению спрототипом,,cortoставима, то повышение точности измерения коэффициента диффузии при 100 — 2000 С происходит за счет соответствия условий эксперимента теоретической модели и использования измерителя массы, Предлагаемое устройство исключает недостаток, характерный для кольцевого держателя, — значительное отклонение формы капли от предполагаемой (эллипсоид вращения), на которой основаны расчетные формулы. Радиус углубления в центре диска должен лежать в диапазоне 1-5 мм. Ограни-. чение радиуса углубления связано со снижением точности измерения коэффициента диффузии. Нижний предел ограничен точностью измерения высоты капли, так кэк при радиусе углубления менее 1 мм высота капли в большинстве случаев менее 1 мм и ошибка измерения высоты превышает 2О (, (абсолютная ошибка измерений принималась равной+0,01 мм), Верхний предел получен следующим образом.

Уравнение, описывающее форму капли на подложке, преобразовывалось в функционал, который минимизировался методом спуска по координатам, численным решениям, полученным для краевых углов в интерЛ вале 0 — унайдены полуоси аппроксимирующего эллипсоида, проводился обратный пересчет всех точек профиля по уравнению. эллипса. Проведенные расчеты показали, что при радиусе углубления менее 5 мм среднеквадратичное отклонение во всех случаях не более 2, при большем радиусе среднеквадратичное отклонение превыша55 ет 27; и быстро растет с увеличением радиуса углубления.

Выполнение остроугольного буртика позволяет сформировать каплю с радиусом основания, равным радиусу углубления. Од5

t

30

50 нако высота буртика ограничена условием соответствия теоретической модели (капли на подложке), при Нь >03 радиуса углубления среднеквадратичное отклонение концентрационных линий от эллипсоидной формы превышает 2 Д.

Экспериментально установлено, что выполнение глубины углубления менее 0,2 радиусов приводит к растеканию жидкости.

Малая глубина используется только для жидкостей, имеющих угол смачивания, близкий к 90О, и большой коэффициент поверхностного натяжения, не позволяющий жидкости растекаться по поверхности диска. Увеличение глубины приводит к увеличению массы элемента и уменьшению угла вершины буртика.

Оптимальный диапазон угла буртика, при условии формирования максимально высокой капли, составляет 45 — S0, т.е. глубина должна лежать в диапазоне 0,2 — 1,0 радиусов углубления, Углубление выполняется глухим.

Минимальный размер диска обусловлен тем, что граничное условие в теоретиче- 2 ской модели предполагает на границе расчетной области равенство концентрации исходному значению. Проведенные на ЭВМ модельные расчеты показали, что уменьшение размеров расчетной области с 10 до 3 радиусов углубления приводит к увеличению расчетной величины потока на 2,57,, При дальнейшем уменьшении отклонение расчетных значений потока от экспериментальных резко возрастает. Эксперимен- 3 тально установлено, что при размерах диска меньше некоторого минимального значения возникает концентрационная конвекция, приводящая к увеличению погрешности установки, Измеритель массы необходим для расчета коэффициента диффузии по приведенной формуле, его точность выше, чем у измерителей геометрических размеров капли, и точность установки не снижается. 4

На фиг;1 показан элемент для размещения образца, разрез; на фиг.2 — схема устройства.

Схема содержит исследуемую жидкость

1, элемент 2 для размещения образца, газовую камеру 3, измеритель 4 массы, смотровое окно 5, позволяющее измерять геометрические параметры капли оптическим измерителем (не показан}.

Кроме того, обозначены геометриче- 5 ские параметры (фиг.1): R — радиус конического углубления, h — высота капли, Нь— высота буртика, Н вЂ” глубина углубления, RD— радиус диска.

Устройство работает следующим образом.

В элемент для размещения образца с известными значениями R и Ч помещают исследуемую жидкость или навеску твердого вещества, соединяют его с измерителем массы и устанавливают в газовую камеру. камеру наполняют требуемым. газом, создают. заданные условия (температура и давление) и последовательно производят ряд одновременных измерений величин l, h и m, по формуле находят соответствующий ряд значений коэффициентов диффузии паров жидкости в газе, которые затем усредняют.

Использование предлагаемого устройстра позволяет существенно расширить номенклатуру исследуемых веществ, в частности, определять коэффициенты диффузии расплавов солей, металлов и металлургических шлаков. Устройство позволяет проводить эксперимент при температурах реальных технологических процессов. Использование закрытых газовых камер дает возможность исследовать используемые в ряде химических и металлургических технологий токсичные вещества, а повышенная точность измерений позволяет использовать йолученные результаты для экологической экспертизы современных производств, Формула изобретения

Устройство для определения коэффициента диффузии паров жидкости в газе, содержащее камеру для газа, снабженную смотровыми окнами и приборами контроля параметров газа, элемент для размещения образца и оптический измеритель геометрических размеров капли жидкости, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью расширения температурного диапазона и повышения точности измерения коэффициента диффузии, устройство снабжено измерителем массы, соединенным механически с элементом для размещения образца, выполненным в виде диска, в центре которого находится углубление с остроугольным буртиком и следующими геометрическими соотношениями:

Ву > ЗВ; 1,0В а Н > 0,2 К; НБ = О,ÇR, где Яо — радиус диска, R — радиус углубления;

Н вЂ” глубина углубления;

Нь — высота буртика.

1718040

Составитель Е.Карманова

Техред M.Моргентал Корректор В,Гирняк

Редактор С.Патрушева

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 873 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5