Устройство для определения коэффициента диффузии паров жидкости в газе

(56) Горюнов Н.А., Кувшинский Е.В. Определение коэффициентов диффузии в воздухпаров циклогексона, хлороформа и ацетона. -ЖТФ, 1948, М 11, с, 1421,, Авторское свидетельство СССРМ 1582079, кл. 0 01 Н 13/02, 1989,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯКОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ПАРОВЖИДКОСТИ В ГАЗЕ зц ен едованию х и может металлурределения идкости в , приборы лемент для нный с изт высокую ть исполь- мпературстроиство диффузии амеру для окнами, и газа, элеОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТРИ ГКНТ СССР Изобретение относится к исс диффузии паров жидкостей в газ найти применение в химической и гической промышленности,Известно устройство для оп коэффициента диффузии паров ж газе, имеющее камеру для газа для контроля параметров газа, э размещения жидкости, соедине мерителем массы,Это устройство обеспечивае точность измерений, но может бы зовано в сравнительно узком те ном диапазоне (до 100 С),Наиболее близким является у для определения коэффициента паров жидкости в газе, имеющее газа, снабженную смотровыми приборы контроля параметров(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 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 ВОЗй, йН0,2 й, НБ0,3 В, где ВО - радиус диска, й - радиус углубления, Н - глубина углубления, НБ - высота буртика, 2 ил. мент для размещения обра а в виде кольцевого держателя, совмещ ный 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 примдит к значительному снижению точности измерений и не позволяетпроводить исследования при высоких температурах до 2000 С).Цель изобретения - расширение температурного диапазона устройства и повышение точности измерения коэффициента 5 диффузии,Указанная цель достигается тем, что в устройстве для определения коэффициента диффузии паров жидкости в газе. содержащем камеру для газа, снабженную смотро выми окнами и приборами контроля параметров газа, элемент для размещения образца и оптический измеритель геометрических размеров капли жидкости, в камеру устанавливают измеритель массы, 15 соединяемый механически с элементом для размещения образца, выполненным в виде диска, в центре которого находится коническое углубление с остроугольным буртиком и следующими геометрическими соотноше ниями;Во ЗВ; 1,0 ВН 0,2 В: НБ 0,3 В, где Во - радиус диска; В - радиус углубления; Н - глубина углубления; 25 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 30 теоретическая модель процесса испарения: вместо сферической капли рассматривается испарение с поверхности эллипсоида в полупространство, Размеры изотермической эоны при этом уменьшаются в два раза, а 35 эллипсоидная форма поверхности сохраняется в широком температурном интервале. Это позволяет легко термостатировать элементы и проводить измерения с высокой точностью в температурном диапазоне 100 - 40 2000 оС.Расчет коэффициента диффузии проводится по формулех2 ЛВС - Со) 45а агс 1х где- интегральный массовый поток с поверхности жидкости; В - радиус углубления в диске; С 1 - равновесная концентрация пара в газе:Со - исходная концентрация пара в га зе; а = ВЙ - безразмерный параметр; и - высота капли над буртиком; 6 аоп =. - безразмерный параметр;лФрр - плотность жидкости;во = п 1 - Чр- масса выступающей части жидкости;гп - масса жидкости в ячейке;Ч - обаем углубления ячейки,Формула используется в случае, если максимальный размер капли равен диаметру основания каплит.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 с прототипом, согоставима, 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 20, 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 интерЛВале 0 -- найдены 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 превышает 2 и быстро растет с увеличением радиуса углубления,Выполнение остроугольного буртика позволяет сформировать каплю с радиусом основания, равным радиусу углубления. Од5 10 20 30 40 50 нако высота буртика ограничена условиемсоответствия теоретической модели (каплина подложке), при НБ 03 радиуса углубления среднеквадратичное отклонение концентрационных линий от эллипсоиднойформы превышает 20Экспериментально установлено, чтовыполнение глубины углубления менее 0,2радиусов приводит к растеканию жидкости,Малая глубина используется только дляжидкостей, имеющих угол смачивания,близкий к 900, и большой коэффициент поверхностного натяжения, не позволяющийжидкости растекаться по поверхности диска. Увеличение глубины приводит к увеличению массы элемента и уменьшению углавершины буртика.Оптимальный диапазон угла буртика,при условии формирования максимальновысокой капли, составляет 45 - 80, т,е, глубина должна лежать в диапазоне 0,2 - 1,0радиусов углубления,Углубление выполняется глухим,Минимальный размер диска обусловлен тем, что граничное условие в теоретической модели предполагает на границерасчетной области равенство концентрацииисходному значению. Проведенные на ЭВМмодельные расчеты показали, что уменьшение размеров расчетной области с 10 до 3радиусов углубления приводит к увеличению расчетной величины потока на 2,50,При дальнейшем уменьшении отклонениерасчетных значений потока от экспериментальных резко возрастает, Экспериментально установлено, что при размерах дискаменьше некоторого минимального значения возникает концентрационная конвекция, приводящая к увеличениюпогрешности установки, Измеритель массынеобходим для расчета коэффициента диффузии по приведенной формуле, его точность выше, чем у измерителейгеометрических размеров капли, и точностьустановки не снижается.На фиг;1 показан элемент для размещения образца, разрез; на фиг.2 - схема устройства,Схема содержит исследуемую жидкость1, элемент 2 для размещения образца, газовую камеру 3, измеритель 4 массы, смотровое окно 5, позволяющее измерятьгеометрические параметры капли оптическим измерителем (не показан),Кроме того, обозначены геометрические параметры (фиг.1); Я - радиус конического углубления, й - высота капли, НБ - высота буртика, Н - глубина углубления, Яо - радиус диска,Устройство работает следующим образом.В элемент для размещения образца с известными значениями Я 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 1, и и а, по формуле находят соответствующий рядзначений коэффициентов диффузии паров жидкости в газе, которые затем усредняют.Использование предлагаемого устрой- стра позволяет существенно расширить номенклатуру исследуемых веществ, вчастности, определять коэффициенты диффузии расплавов солей, металлов и металлургических шлаков, Устройство позволяетпроводить эксперимент при температурах реальных технологических процессов. Использование закрытых газовых камер дает воэможность исследовать используемые вряде химических и металлургических технологий токсичные вещества, а повышеннаяточность 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 расширениятемпературного диапазона и повышения точности измерения коэффициента диффузии, устройство снабжено измерителеммассы, соединенным механически с элементом для размещения образца, выполненным в виде диска,. в центре которого находится углубление с остроугольным буртиком и следующими геометрическими соотношениями;ЯоЗЯ; 1,0 ЯН0,2 Я; НБ- О,ЗЯ,где Яо - радиус диска,Я - радиус углубления;Н - глубина углубления;НБ - высОта буртика.1718040 2. С,Патруш орректор 8,Гирня ехр е Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, Ул,Гагарина, 101 итель Е.КармановаМ,Моргенталаказ 873 Тираж ПодписноВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и откры113035. Москва, Ж, Раушская наб 4/5 м при ГКНТ СССР