Использование кривых упругости пара на фазовой диаграмме

Использование кривых упругости пара на фазовой диаграмме

Как правило, фазовые диаграммы используются химиками в лабораторной среде, однако они могут быть крайне полезными для инженеров-механиков и руководителей производства, перед которыми стоит задача проведения анализа проб. Некоторые аналитические системы перед анализом жидкой пробы требуют ее перевода в газообразное состояние путем испарения. Испарение позволяет достичь баланса между переменными температуры, давления и расхода, а кривые упругости пара на фазовых диаграммах позволяют инженерам выявить изменения фазы определенных материалов и химических соединений.

В данной статье приведена полная фазовая диаграмма гипотетической газовой смеси из 20-процентного раствора гексана в пентане (см. диаграмму ниже). Если условия выше точки начала кипения (синяя линия), проба будет полностью находиться в жидкой фазе. Проба должна оставаться в жидком состоянии во время попадания в испаритель. Если условия ниже точки росы (золотистая линия), проба является полностью газообразной. Проба должна быть полностью газообразной в момент выхода из испарителя.

Между линиями начала кипения и точки росы располагается «запретная зона». Она обозначает диапазон кипения пробы. При этом смесь находится одновременно в двух фазовых состояниях: жидком и газообразном. При попадании пробы в запретную зону она фракционирует и становится непригодной для анализа. Задача — при испарении задать такие температуру, расход и давление, чтобы проба мгновенно перешла из жидкого состояния в парообразное, минуя запретную зону. У проб высокой степени чистоты диапазон кипения (запретная зона) практически или полностью отсутствует, линии начала кипения и точки росы просто расположены одна над другой или очень близко. 

Пробы высокой степени чистоты преобразуются в пар с тем же химическим составом даже в результате кипения. Однородность некоторых проб в промышленности достаточно высока, и преобразование проходит относительно легко. Однако есть пробы с настолько широким диапазоном кипения, что их нельзя успешно испарить, так чтобы вещество сразу перешло из жидкого состояния в парообразное, минуя запретную зону. В случае с подобными пробами невозможно изменить переменные таким образом, чтобы избежать фракционирования. 

На приведенной выше диаграмме полоса между точками начала кипения и росы достаточно узка, чтобы путем создания нужных условий можно было достичь мгновенного перехода пробы из жидкого состояния в газообразное. С другой стороны, полоса на этой диаграмме достаточно широка, чтобы возникла необходимость во внимательном отношении к процессу. 

Рассмотрим все ту же пробу на диаграмме (20-процентный раствор гексана в пентане). Нам нужно обеспечить успешное испарение путем тщательного подбора входных параметров. Как правило, на входе должно быть высокое давление и низкая температура. На выходе, наоборот, должна быть высокая температура и низкое давление. Однако существуют пределы манипуляции этими параметрами, и не все из них могут регулироваться.

1. Определение давления на входе в испаритель

Давление на входе является фиксированным, и оно равно технологическому, если испаритель расположен недалеко от точки отбора проб. На приведенной диаграмме оно составляет 4 бара. Чем выше давление, тем лучше, поскольку это позволяет испарителю поддерживать более высокую температуру, не доводя поступающую жидкость до кипения.

2. Установка температура на входе

Установка температуры на входе преследует две цели. Во-первых, температура должна быть достаточно низкой, чтобы проба, поступающая в испаритель, была полностью жидкой. На приведенной диаграмме точка начала кипения при давлении 4 бара составляет 88 ˚C. Во избежание попадания в запретную зону и фракционирования следует задать в качестве температуры круглое число, достаточно далекое от 88. Пример безопасной температуры — 80 ˚C.

Во-вторых, температура должна быть достаточно высокой, чтобы участвовать во мгновенном и полном испарении пробы, обеспечив на выходе испарителя только газ. В процессе испарения пробы температура падает согласно закону сохранения энергии. В начальный момент времени после испарения проба должна быть достаточно горячей, чтобы после падения давления она не попала в запретную зону. На приведенной диаграмме температура пара после падения давления составляет 60 ˚C. Это значение приближается к линии точки росы со стороны зоны газообразного состояния.

3. 3. Установка давления на выходе  

Цель установки давления на выходе — снизить давление ниже линии росы. На приведенной диаграмме давление на выходе составляет 1,5 бара. Если давление на выходе будет выше, проба не испарится полностью, а фракционирует.

Это делается с помощью регулирующего клапана и ротаметра, а не испарителя. В пробоотборных системах высокий расход газа предпочтителен, поскольку позволяет быстрее доставить пробу в анализатор. Однако высокий расход может вызвать проблемы, больший расход требует большего нагрева для испарения пробы. Другими словами, высокий расход дает большее падение температуры в момент испарения. На приведенной диаграмме падение температуры показано фиолетовой линией. При повышении расхода температура резко падает.

Другой переменной, влияющей на падение температуры является способность испарителя к теплопередаче. Конструкция некоторых устройств обеспечивает более эффективную передачу тепла пробе. Когда жидкая проба преобразуется в газ 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 много тепла и испаритель не успевает передавать ей достаточное количество энергии. Наилучшим решением в таком случае будет снижение расхода. 

В итоге падение температуры, показанное на диаграмме, является производным от расхода и способности испарителя к теплопередаче. Чем выше качество испарителя и ниже расход, тем ближе к вертикали будет линия на диаграмме. К сожалению, не существует простого способа вычислить точную точку падения температуры на фазовой диаграмме, и такой функции нет ни в одной из известных нам программ. Поэтому при подготовке процесса испарения придется довольствоваться аппроксимацией. Как правило, расход должен быть как можно ниже, но при этом не приводить к неприемлемой задержке движения пробы к анализатору. Лучше начать с низкого расхода и постепенно повышать его, чем начинать с высокого расхода.

Для получения дополнительных рекомендаций по работе с аналитическими контрольно-измерительными и пробоотборными системами с использованием кривых упругости пара на фазовой диаграмме обратитесь в местный центр продаж и сервисного обслуживания Swagelok. 

НАЙТИ ЦЕНТР ПРОДАЖ И СЕРВИСНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ SWAGELOK