Способ отбора пробы

Сфефэ Сфеет сникСфцнапнстнчвсннкРеспубпин О П И С А Н И Е (н 868433ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОУСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23)Приоритет ФвуйврстееаиВ кввпвт ВСФР вв аваню язвбувтввкВ я втврнтя(088.8) Дата опубликования опнсания 30.09.81(54) СПОСОБ ОТБОРА ПРОБЫ Изобретение относится к способам отбора проб из реагирующих сред и может быть использовано для отбора и анализа продуктов из плаэмохнмических и нефтехимических установок специаль 1ных двигателей, МГД-генераторов, при изучении высокотемпературной кинетики.При изучении высокотемпературных реагирующих сред одной иэ основныхв задач является определение истинного химического состава среды, включая определение концентраций промежуточных продуктов реакций, например, сто" бодных радикалов. Основное требоваЭ ние к применяемым для этого способам отбора проб заключается в прекращении в отбираемой пробе химических реакций ("закалка" пробы) за времена, значительно меньшие времени протека-нии реакций, способных изменить ее состав (в том числе зидкофазных и гетерогенных при наличии в объеме конденсированной фазы). В одном из известных способов отбора проб иэ низкотеипературной плазмы закалку пробы осуществляют за счет ее охлаждения при расширении в сопле Лаваля с последующим раэбавлением пробы гелием при давлении2 8 мм рт.сй"11.Гелий в известном устройстве используют для эффективного гашения колебательной температуры молекуа пробы.Основным недостатком известного способа, ограничивающим его применение, является сравнительно большое время закалки (время охлакдения пробы от 2500 до 620 К, около О 4 с), что значительно больше времени протекания многих химических реакций в высокотемпературных средах, например, реакций с участием радикалов. Известный способ не позволяет отбирать пробы из реакторов, содержащих конденсированную фазу, так как не обес" печивает закалку аидкофаэных и гете 86843355 рогенных реакций. Способ сложен в реализации, так как пробу пропускают через миниатюрное сопло Лаваля, очень сложное в изготовлении, а близкие к единице показатели адиабаты низкотемпературной плазмы влекут к весьма низким давлениям смеси пробы с гелием, и, следовательно, к использованию сложных систем откачки.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ отбора пробы из высокотемператур ной среды, заключающийся в замораживании химических реакций в пробе путем быстрого разбавления пробы инертным газом 1.23Этот способ также обладает недос-. татками. Для достаточного охлаждения пробы требуется разводить ее значительным количеством инертного газа, и при его подводе неизбежно торможе" ние потока пробы. с образованием скачков уплотнения, переводящих поток в дозвуковой с соответствующим увеличением температуры. Реально достижимы, как и в известном способе времени, закалки пробы порядка 1 О с. Низкие показатели адиабаты высокотемпературных сред неизбежно повлекут использование высокого вакуума в пробосборнике, неизбежны трудности с изготовлением миниатюрных конических сверхзвуковых сопел для закалки пробы и с охлаждением устройства реализующего способ.Цель изобретения - повышение соответствия состава пробы. составу среды.Поставленная цель достигается тем, что в способе отбора пробы из высокотемпературной среды, заключающемся в замораживании химических реакций в пробе путем быстрого разбавления пробы инертным газом, пробу вводят и смешивают с охлажденным и инертным к закаливаемым реакциям газом, режим течения которого поддерживают сверхзвуковым.Кроме того, перед введением пробы в сверхзвуковой поток, статическое давление в нем доводят до получения сверхкритического перепада относи-. тельно давления в высокотемпературной среде. Пробу вводят с критической скоростью перпендикулярно направлению потока инертного газа.В качестве инертного газа используют гелий. Для обеспечения смешения в сверхзвуковом режиме подвод массы и энтальпии с пробой к сверхзвуковому потоку необходимо компенсировать, например, увеличением поперечного сечения канала, отводом части раэбавителя или воздействием внешних сил, Необходимоевоздействие на сверхзвуковой потокнаходится из решения задачи на устойчивость сверхзвукового течения приподводе массы и энтальпии и переменной геометрии канала, Результаты продувок модельных сверхзвуковых смесителей хорошо согласовывались с результатами расчетов,Температуру в поток инертногогаза легко задать достаточно низкой по отношению к закаливаемымреакциям, выбирая необходимые 2 О геометрические характеристикисопла Лаваля, например, легкомогут быть достигнуты температуры 100 К и ниже, Наиболее подходящим инертным газом для зад калки проб иэ ниэкотемпературной;плазмы является гелий, так какон обладает рядом важных преимуществ.Это высокая теплоемкость, малое гаэокинетическое сечение и молекулярный вес (что обеспечивает быструюрелаксацию возбужденных колебатель"ных уровней молекул пробы), высокаяскорость сверхзвукового потока (легко достижимы скорости в несколькокилометров в секунду, что обеспечивает смешение миллиметровых струекпробы с гелием за доли .микросекунды).Химическая инертность гелия, высокие потенциалы ионизации и воэбуждения позволяют использовать его длязакалки радикальных и ионных реакций, Высокая теплопроводность гелияобеспечивает быстрое охлаждение мел"ких капель и твердых частичек (например сажи)до сверхнизких температур (ниже 150 К), прекращая жидкоофаэные и гетерогенные реакции.В данном способе пробу вводятв поток инертного газа предпочтительно под сверхкритическим перепадом под прямым углом, что обеспечиваетвтекание пробы с приблизительнокритической скоростью (более километра в секунду) и интенсивное турбулентное перемешивание с холодным гелием, Время перемешивания струйкипробы с диаметром менее 0,5 мм, температурой торможения ЗОООК и критической скоростью 1500 м/с с пото868433ония, объяснить появление которыхможно было лишь реакциями в пробоотборнике. Пробы, отобранные предлагаемым способом, подобных соединенийне содержали. Лишь при увеличенивремени закалки пробы до 10 -11 спутем некритического ввода пробы,значительного увеличения диаметраструйки пробы и снижения скорости10 гелия до дозвуковой были полученыте же продукты, что и по известномуспособу,Изобретение позволит повыситьэффективность исследования рабочихпроцессов в специальных двигателях,установках высокотемпературного пи 1ролиза, печах, МГД-генераторах иплазмотронах. ком гелия с числом Маха М=2,5 при ,давлении 5 ата и 100 К составляютодесятые доли микросекунды. Это более чем на два порядка меньше времени охлаждения пробы в известном способе, причем проба охлаждается до температуры ниже 150 К (при диаметоре канала 3-4 мм),После разбавления пробы гелием за сотые доли микросекунды происходит затормаживание всех степеней свободы молекул, в том числе колебательных,. Жидкость, попадающая с пробой в поток инертного газа, дробится на капли с диаметром меньше 0,1,и при указанных параметрах потока, которые охлаждаются за доли микросекунды. Столь же быстро охлаждаются мелкие (микронного размера).твердые частицы (сажа). Благодаря быстрому охлаждению пробы до сверхнизких температур и разведению гелием прекращаются все химические реакции, идущие с заметными энергиями активации, в том числе и бимолекулярные реакции с участием радикалов. Реакции рекомбинации радикалов и ионов, протекающие при тройных соударениях, сильно замедляются благодаря разведению гелием. При изучении подобныхреакций обеспечивается быстрый вынос сверхзвуковым или критическим потоком гелия закаленной (времена реакций рекомбинации радикалов и ионов определяются десятыми долями или несколькими секундами) пробы со скоростью более километра в секунду.Данный способ позволяет отбирать пробу из реакторов с давлением, гораздо ниже атмосферного, без использования системы вакуумирования, таккак при торможении сверхзвукового потока после полного смешения пробы с гелием его давление восстанавливается. Так, при указанных вьппе параметрах потока, в пробосборнике легко достигалось давление в несколько раз более высокое, чем в реакторе.Предлагаемый способ сравнивался с известным экспериментально, при отборе проб из реактора с темнературой 3000 К, где реагировали азотная кис 0лота с Н-гексаном. В пробе, отобранной известным способом, были обнаружены сложные нитро- и нитрозосоедине 20 Формула изобретения 1, Способ отбора пробы из высоко"температурной среды, заключающийсяв замораживании химических реакцийд в пробе путем быстрого разбавленияпробы инертным газом, о т л и ч а ющ и й с я тем, что с целью повышениясоответствия состава пробы составусреды, пробу вводят и смешивают сохлажденным и инертным к закаливаемыч реакциям газом, режим течениякоторого поддерживают сверхзвуковым.2. Способ по п.1, о т л и ч а ю"щ и й с я тем, что перед введением35пробы в сверхзвуковой поток, статическое давление в нем доводят до получения сверхкритического перепадаотносительно давления в высокотемпературной среде,403. Способ по п.1 и 2, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что пробу вводят с критической скоростью перпендикулярно направлению потока инертного газа,4, Способ по п.1,2,3, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что в качествеинертного газа используют гелий.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Веа 1 1,Е Сгеу 1,Т )оцгпАшег.Кос.5 ос, 23, 1953. Ф 2, р.174.2Авторское свидетельство СССР,9 424040, кл. 6 01 М 1/22, 972