Способ газового анализа смеси компонентов

 

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано, например, при определении состава смеси после разложения жидкого аммиака в замкнутом объеме. Способ при осуществлении изобретения заключается в том, что смесь компонентов, находящуюся в камере, вымораживают до твердой фазы одного из компонентов, который до вымораживания находился в парожидкостном состоянии. Часть неконденсирующихся газов отводят в предварительно вакуумированную и охлажденную до температуры вымораживания вторую камеру, затем нагревают ее и измеряют давление неконденсирующихся газов. Твердый компонент, находящийся в первой камере, вакуумируют, нагревают и перепускают в отвакуумированную емкость, объем которой обеспечивает переход этого компонента в газовую фазу, после чего измеряют давление полученного газа. Используя далее уравнение состояния идеального газа и закон Бойля-Мариотта, определяют массовый состав компонентов смеси. Достигается расширение функциональных возможностей способа.

Изобретение относится к способам газового анализа и может быть использован в холодильной технике, химической промышленности, например при анализе продуктов разложения газообразных или газожидкостных компонентов под действием катализаторов или высокой температуры.

Известен способ (А. с. СССР 416068) количественного определения неконденсирующихся газов в парогазовых смесях, образующихся в выпарных аппаратах. Анализируемую парогазовую смесь и хладагент (воду), в которой происходит конденсация пара, одновременно подают в специальное устройство - конденсатор, замеряя расходы обоих потоков и разность температур между входом и выходом хладагента. Из баланса теплоты нагрева хладагента и теплоты конденсирующегося пара определяют количество неконденсирующихся газов в парогазовой смеси.

В предлагаемом изобретении сходным признаком с аналогом является метод определения неконденсирующихся газов путем конденсации другого компонента.

Однако в этом способе неконденсирующиеся газы находятся в смеси с "сухим" паром, а в случае "влажного" пара (смесь пара и жидкости) анализ дает неверный результат, т.к. вклад жидкой фазы в нагрев хладагента в несколько раз меньше вклада паровой фазы.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ газового анализа смеси компонентов путем их вымораживания, нагревания исследуемых компонентов под вакуумом и измерения давления газообразных компонентов (А.с. СССР 593125), который принят за прототип.

Следует отметить, что в известном способе все компоненты газовой смеси, отобранные для анализа, должны находиться в газообразном состоянии. Если один компонент смеси в пробном объеме находится в парожидкостном состоянии, то после вымораживания и нагревания его под вакуумом этот компонент будет по-прежнему находиться в парожидкостном состоянии и давление его паров будет соответствовать давлению насыщения компонента при комнатной температуре. Количественное определение массы данного компонента невозможно, т.к. неизвестно соотношение его жидкой и паровой фаз.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи газового анализа смеси низкокипящих компонентов, находящихся в газообразном состоянии и компонента, находящегося в парожидкостном состоянии. Такая ситуация возникает, например, при определении состава смеси после разложения жидкого аммиака в замкнутом объеме.

Технический результат изобретения - определение массового содержания в смеси низкокипящих компонентов (неконденсирующихся газов) и парожидкостного компонента.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что смесь компонентов вымораживают, нагревают исследуемые компоненты под вакуумом и измеряют давление газообразных компонентов, причем смесь вымораживают до твердой фазы одного из компонентов, находящегося до вымораживания в парожидкостном состоянии, и неконденсирующихся газов, которые отводят в предварительно вакуумированную и охлажденную до температуры вымораживания емкость, нагревают, измеряют давление неконденсирующихся газов, а твердый компонент, находящийся в предварительно отвакуумированной камере, нагревают и перепускают в отвакуумированную емкость, объем которой обеспечивает переход этого компонента в газовую фазу, и измеряют давление полученного газа. В этом случае измеренное давление Р будет всегда ниже давления насыщенных паров компонента при комнатной температуре P_s.

В качестве примера реализации данного способа можно указать способ газового анализа смеси компонентов, полученной при частичном разложении аммиака, находящегося в парожидкостном состоянии, на азот и водород. Масса аммиака до разложения: m_о=4 г (эта величина может быть известна приближенно).

Камеру объемом V₁=0,163 л с указанной смесью помещают в термос с жидким азотом, одновременно туда же помещают вторую камеру объемом ₂=0,20 л, предварительно отвакуумированную и соединенную с первой через вентиль. При открытом вентиле неконденсирующиеся при этой температуре газы, азот и водород, распределяются в камерах соответственно их объемам. После закрытия вентиля нагреваем вторую камеру до комнатной температуры (Т=289 К) и измеряем давление неконденсирующихся газов, которое равно сумме парциальных давлений азота и водорода и составляет Р₂=1,54 МПа.

Первую камеру с замороженным аммиаком вакуумируют, нагревают до комнатной температуры и выпускают газообразный аммиак в отвакуумированную емкость. Объем емкости вместе с камерой V₃, обеспечивающей переход аммиака в газовую фазу, должен удовлетворять условию: V₃>>V_min, где V_min - минимальный объем, приближенно оцененный по уравнению состояния: V_min=m₀RT/P_s, где P_s= 0,75 МПа - давление насыщенных паров аммиака при комнатной температуре Т, R= 490 Дж/(кгК) - газовая постоянная аммиака, m_о=4 г - максимально возможная масса аммиака в камере. Тогда V_min=0,8 л. В примере объем выбран равным V₃= 3,5 л. Измеренное давление паров аммиака составило Р₃=0,08 МПа.

Производим вычисления. На основе уравнения состояния m=V₃P₃/RT находим массу аммиака: m=1,98 г. Объем этой массы в твердом состоянии составляет V= m/, где = 733,8 кг/м³ - плотность аммиака в твердом состоянии, тогда V= 0,0027 л.

На основе закона Бойля-Мариотта определяем давление неконденсирующихся газов в первой камере с учетом уменьшения ее объема на объем V замерзшего аммиака: P₁=P₂(V₁-V+V₂)/(V₁-V)=3,5 МПа. В соответствии со стехиометрическим уравнением разложения аммиака парциальные давления азота и водорода относятся как 1:3, следовательно, парциальные давления азота - 0,87 МПа, водорода - 2,6 МПа. Из уравнения состояния идеального газа определим массы: азота - 1,62 г, водорода - 0,35 г.

Таким образом, данным методом проведен полный анализ смеси.

Источники информации 1. А. К. Ерошин, А.Г. Бородай. Способ количественного определения неконденсирующихся газов. А.с. 416068, B 01 D 1/00, 1974.

2. Б.К. Ткаченко, П.В. Белков, В.П. Вакатов. Способ газового анализа. А. с. 593125, G 01 N 25/04, 1978 (прототип).

Формула изобретения

Способ газового анализа смеси компонентов путем их вымораживания, нагревания исследуемых компонентов под вакуумом и измерения давления газообразных компонентов, отличающийся тем, что смесь вымораживают до твердой фазы одного из компонентов, находящегося до вымораживания в парожидкостном состоянии, и неконденсирующихся газов, которые отводят в предварительно вакуумированную и охлажденную до температуры вымораживания емкость, нагревают, измеряют давление неконденсирующихся газов, а твердый компонент, находящийся в предварительно отвакуумированной камере, нагревают и перепускают в отвакуумированную емкость, объем которой обеспечивает переход этого компонента в газовую фазу, и измеряют давление полученного газа.