Как организовать испарение в пробоотборных системах

Как организовать испарение в пробоотборных системах 

12 марта 2019 г. | Джон Кестнер (Jon Kestner)

Испарить пробу всегда непросто и не всегда возможно. И если анализатору в вашей аналитической пробоотборной системе требуется газ, а проба жидкая, то единственным вариантом будет преобразование жидкости в газ. Оно называется (мгновенным) испарением. Его цель — мгновенно преобразовать пробу из полностью жидкого в полностью парообразное состояние, не меняя ее состав. 

Если вы остановились на испарении, важно понимать разницу между его видами. Обычное испарение (кипение) происходит постепенно из-за повышения температуры. Мгновенное испарение происходит очень быстро из-за падения давления. 

Повышая температуру, невозможно мгновенно испарить пробу. Кипение вызывается нагревом, а увеличение степени нагрева просто ускоряет процесс кипения. В смешанной пробе кипение приводит к тому, что некоторые соединения испаряются раньше других и возникает фракционирование. Правильно проведенное мгновенное испарение обеспечивает единовременное превращение всех компонентов соединений в пар при сохранении химического состава пробы. 

В ходе испарения могут возникнуть сложности. Вместо превращения всей пробы в пар можно непреднамеренно вызвать одновременно и испарение, и кипение, в результате чего произойдет фракционирование. После фракционирования пробы, состоящей из смеси соединений, она становится непригодной для анализа. 

Зачастую при фракционировании более легкие молекулы испаряются первыми и движутся в сторону анализатора, а более тяжелые остаются позади в жидкой фазе. Даже если на некотором позднем этапе процесса фракционированная проба кажется полностью газообразной, пропорции веществ в ее составе уже не будут прежними. Проба, таким образом, становится нерепрезентативной в отношении среды в технологической линии. Регулируя технологические параметры процесса (температуру, давление и расход), можно обеспечить правильный ход испарения и точные результаты анализа. 

Что такое испарение

Для испарения пробы обычно применяют испаряющий регулятор (испаритель). Испаритель представляет собой редуктор давления, способный нагревать пробу непосредственно в нужном месте. Процесс испарения состоит из трех этапов, как показано на схеме ниже. Сначала проба поступает в испаряющий регулятор в жидком состоянии. При этом она не должна кипеть.

На втором этапе жидкость проходит через регулирующую полость в испаряющем регуляторе, что приводит к сильному и резкому падению давления, испаряющему ее. В то же время подается тепло, поддерживающее парообразное состояние вещества.

На третьем этапе теперь уже газообразная проба выходит из испаряющего регулятора и направляется в анализатор. Благодаря мгновенному переходу в парообразное состояние состав вещества не меняется, обеспечивая точность показаний. 

Это процесс, чувствительный к влиянию множества переменных и входных параметров, определяющих его успешность. В этой статье мы рассмотрим два главных набора входных параметров.

Первый набор относится к химическому составу пробы. В зависимости от состава начало кипения и прекращение испарения пробы будут происходить при различных значениях давления и температуры. Мы должны знать эти значения, чтобы эффективно управлять процессом.

Второй набор входных параметров относится к управляемым характеристикам пробоотборной системы: давлению, температуре и расходу. Давление и температура регулируются в испарителе, а расход задается ниже ротаметром и игольчатым клапаном. Эти входные параметры задаются исходя из известных нам значений из первого набора. Для правильного протекания испарения требуется соблюсти баланс между всеми входными параметрами. Даже при подобном систематическом подходе к процессу придется действовать методом проб и ошибок.

Характеристики пробы

Лучше всего первый набор входных параметров можно представить на фазовой диаграмме. На ней по осям давления и температуры показаны все пары условий, делающих вещество парообразным, жидким или твердым. Линиями обозначены границы фазового перехода.

На следующем графике представлена фазовая диаграмма 20-процентного раствора гексана в пентане. Если условия выше точки начала кипения (синяя линия), проба полностью жидкая. Проба должна быть полностью жидкой в момент поступления в испаритель. Если условия ниже точки росы (желтая линия), проба полностью парообразная. Проба должна быть полностью парообразной в момент выхода из испарителя.

Фазовая диаграмма 20-процентного раствора гексана в пентане с указанием температур.

Между линиями начала кипения и росы находится диапазон кипения, который мы называем «запретной зоной» пробы. При этом смесь находится одновременно в двух фазовых состояниях: жидком и парообразном. При попадании пробы в этот диапазон она фракционирует и становится непригодной для анализа. 

У проб высокой степени чистоты диапазон кипения практически или полностью отсутствует. Линии начала кипения и росы практически накладываются одна на другую. Пробы высокой степени чистоты преобразуются в пар с тем же химическим составом даже в результате кипения. Чистота некоторых проб в промышленности достаточно высока, и преобразование проходит легко.

Однако есть пробы с настолько широким диапазоном кипения, что их нельзя успешно испарить. Вещество просто не может перейти из жидкого состояния в парообразное, минуя диапазон кипения. Переменные — температуру, расход и давление — невозможно изменить, чтобы избежать фракционирования.

В большинстве случаев пробы располагаются где-то между этими двумя крайними точками. Например, в представленной фазовой диаграмме диапазон между точками начала кипения и росы достаточно небольшой, так что при создания необходимых условий можно достичь перехода пробы из жидкого состояния в парообразное в диапазоне кипения. В то же время, диапазон довольно большой, поэтому переменные необходимо изменять очень осторожно во избежание попадания пробы в диапазон кипения.

Установка температуры, давления и расхода

Для мгновенного испарения нужно сбалансировать переменные. Ниже представлен процесс установки входных параметров температуры, давления и расхода, состоящий из четырех этапов.

1. Определение давления на входе в испаритель.  Это фиксированное давление, и оно равно технологическому, если испаритель расположен недалеко от точки отбора проб. Высокое давление предпочтительно, поскольку позволяет поддерживать более высокую температуру в испарителе, не вызывая кипения поступающей жидкости.
2. Установка температуры на входе.  TПри установке температуры нужно учитывать два условия. Во-первых, температура должна быть достаточно низкой, чтобы проба, поступающая в испаритель, была полностью жидкой и не кипела. В фазовой диаграмме 20-процентного раствора гексана в пентане точка кипения при давлении 4 бара равна 88 ˚C. Чтобы учесть возможную погрешность, для сохранения жидкого состояния установите температуру 80 ˚C.
   
   Во-вторых, температура должна быть достаточно высокой, чтобы способствовать испарению пробы. При этом процессе температура падает согласно закону сохранения энергии. Температура пробы должна быть достаточно высокой, чтобы на выходе после падения давления она не попала в диапазон кипения. 
3. Установка давления в испарителе.  Цель здесь — снизить давление ниже желтой линии точки росы. В примере фазовой диаграммы давление на выходе составляет 1,5 бара. Если в данном примере давление на выходе будет выше, проба не испарится полностью, а фракционирует.
   4. Установка расхода 
4. Установка расхода.  Это делается с помощью клапана и ротаметра ниже испарителя. В пробоотборных системах высокий расход пара предпочтителен, поскольку позволяет быстрее доставить пробу в анализатор. Однако высокий расход может представлять сложность, поскольку для испарения пробы необходимо больше тепла. Другими словами, высокий расход дает большее падение температуры в момент испарения. В примере фазовой диаграммы падение температуры показано фиолетовой стрелкой. По мере увеличения расхода стрелка сильнее отклоняется влево.

Другой переменной, влияющей на падение температуры является способность испарителя к теплопередаче. Конструкция некоторых испарителей обеспечивает более эффективную передачу тепла пробе. Когда жидкая проба преобразуется в пар и происходит падение ее температуры, она забирает тепло у окружающей ее нержавеющей стали. Здесь задачей испарителя будет эффективное восполнение тепла и способность постоянно передавать его пробе. Чем больше тепла забирает проба, тем меньше падение ее температуры при испарении.

Иногда бывает, что испаритель снаружи горячий, а внутри холодный. Это происходит потому, что испаренная проба забирает большое количество тепла и испаритель не успевает передавать его. Наилучшим решением в таком случае будет снижение расхода.

При подготовке процесса испарения производятся некоторые приблизительные расчеты. Технические специалисты компании Swagelok помогут вам подобрать подходящие испарители с учетом требований вашей пробоотборной системы. Как правило, расход должен быть как можно ниже, но при этом не должен приводить к длительной задержке движения пробы к анализатору. Лучше начать с низкого расхода и постепенно повышать его, чем начинать с высокого расхода. 

Решение проблем

Фазовые диаграммы помогают приблизительно оценить температуру, давление и расход, однако все равно потребуется некоторая подгонка. Одним из явных признаков проблем является низкая воспроизводимость показаний анализатора. Ниже представлены два возможных варианта проблем, когда проба фракционирует вместо испарения, причем первая проблема наиболее распространена.

Проблема 1.  Проба испаряется лишь частично. Жидкость проходит через испаритель и остается в трубке ниже устройства. Со временем она испаряется и забирает тепло из окружающей ее трубки, охлаждая ее или даже вызывая образование на ней инея или льда. Жидкость после испарителя может распространиться за пределы регулятора в другие компоненты, например в ротаметры и фильтры, повреждая их. 

Решение.  Для решения этой проблемы наилучшим вариантом будет снизить расход. Другой вариант — снизить давление на выходе испарителя, если это возможно. Третий вариант — увеличить нагрев регулятора, но в этом случае возникает риск сокращения срока службы регулятора и появления второй проблемы (см. ниже).

Проблема 2.  Проба закипает на входе в испаритель, фракционируя еще до испарения. Признаком этой проблемы является то, что трубка на входе испарителя дергается, порой крайне резко, а показания прибора колеблются. Легкие молекулы испаряются и образуют большое облако пара. Некоторые из них попадают в анализатор, искажая его показания. Оставшаяся часть создает «паровой барьер», толкающий жидкость обратно в технологическую линию. Часть этой «стены» впоследствии остывает и конденсируется. Наконец, жидкая проба снова начинает движение в испаритель, где легкие молекулы испаряются и цикл начинается сначала. В конце концов тяжелые молекулы достигают испарителя и затем поступают в анализатор, показания которого уже совершенно иные.

Решение.  Для решения этой проблемы необходимо снизить температуру испарителя.

ВЫВОД

Организация мгновенного испарения жидкой пробы — сложная задача. Во многих пробоотборных системах по всему миру испарители постоянно фракционируют пробы и в анализатор направляются нерепрезентативные пробы. Вы можете значительно увеличить вероятность успешного процесса, используя фазовую диаграмму смеси соединений, используемой именно в вашей системе. Кроме того, необходимо понимать, как именно протекает процесс: какие существуют переменные (температура, давление и расход) и какова их роль в предопределении результата процесса. Используя представленные указания, вы сможете подобрать нужные значения, подстраивая их в соответствии со своими наблюдениями.

Узнайте о практическом обучении Swagelok по системам отбора проб