Использование фазовой диаграммы для кривых давления пара

Использование фазовой диаграммы для кривых давления пара

Карим Махраз, менеджер по продукции Swagelok, аналитические приборы

Хотя фазовые диаграммы в основном используются химиками в лабораторных условиях, эти инструменты могут быть чрезвычайно полезными для инженеров-механиков и руководителей предприятий, занимающихся анализом проб. В некоторых аналитических системах жидкий образец должен быть преобразован в газ путем испарения, прежде чем его можно будет проанализировать. Испарение, по сути, представляет собой баланс между температурой, давлением и переменными расхода, а кривые давления пара на фазовой диаграмме позволяют инженерам определять фазовые переходы для различных материалов и химических соединений.

Как вы читаете дальше, гипотетическая газовая смесь 20% гексана в пентане будет применена в качестве полной фазовой диаграммы (см. диаграмму ниже). Когда образец находится выше точки насыщения (синяя линия), он полностью находится в жидкой фазе. Образец должен оставаться в жидком состоянии, когда он попадает в испаритель. Когда образец находится ниже точки росы (золотая линия), он полностью состоит из пара. Образец должен полностью состоять из пара, когда он покидает испаритель.

Между линиями точки насыщения и точки росы находится «запретная зона». Эта зона представляет диапазон кипения образца. Здесь смесь находится в двух фазах:часть жидкости и часть пара. Как только образец попадает в запретную зону, он фракционируется и становится непригодным для анализа. Целью испарения является установка температуры, расхода и давления таким образом, чтобы образец мгновенно перескакивал с жидкостной стороны запретной зоны на паровую сторону. Для чистых и почти чистых образцов диапазон кипения или запретная зона практически отсутствуют. Линии точки насыщения и точки росы просто или близко друг к другу.

Чистые и почти чистые образцы превращаются в пары того же состава в результате испарения или испарения. Некоторые промышленные образцы приближаются к этому уровню чистоты и довольно легко конвертируются. С другой стороны, некоторые образцы имеют такой широкий диапазон кипения или запретную зону, что их невозможно успешно испарить. Такие образцы не могут перейти из жидкой части запретной зоны в паровую сторону. В этом случае нельзя манипулировать переменными, чтобы избежать дробления.

На диаграмме, показанной выше, диапазон между точкой насыщения и точкой росы достаточно узок, чтобы при правильных настройках проба могла эффективно перескакивать с жидкостной стороны запретной зоны на паровую сторону. В то же время полоса на диаграмме достаточно широка, чтобы небрежно относиться к ней нельзя.

Установка температуры, давления и расхода

Продолжая работать с образцом на диаграмме (20 процентов гексана в пентане), необходимо умело настроить входы, чтобы обеспечить успешное испарение. Как правило, на входе требуется высокое давление и низкая температура. И наоборот, на выходе необходима высокая температура и низкое давление. Существуют пределы того, насколько высокими и низкими могут быть эти параметры, и не каждое ограничение можно контролировать.

1. Определите давление на входе в ваш испаритель

Давление на входе, которое является фиксированным, является давлением процесса при условии, что испаритель расположен рядом с пробоотборным краном. На примере диаграммы это давление равно 4 бар. Более высокое давление лучше, потому что оно позволяет испарителю поддерживать более высокую температуру без кипения поступающей жидкости.

2. Установите температуру на входе

При настройке температуры на входе преследуются две цели. Во-первых, температура должна быть достаточно низкой, чтобы при попадании пробы в испаритель она была полностью жидкой. На приведенной в качестве примера диаграмме точка насыщения при давлении 4 бар составляет 88°C. Во избежание фракционирования лучше всего выбирать круглое число достаточно далеко от 88°C, чтобы избежать запретной зоны. Безопасная примерная температура может быть 80°C.

Вторая цель состоит в том, чтобы поддерживать температуру достаточно высокой, чтобы способствовать полному испарению пробы, гарантируя, что из испарителя выходит только пар. При испарении образца температура падает в соответствии с законами сохранения энергии. Температура образца вначале должна быть достаточно высокой, чтобы после падения давления образец не попал в непроходную зону. На приведенной в качестве примера диаграмме температура пара после падения давления составляет 60°C — как раз на стороне пара от линии точки росы.

3. Установите давление на выходе

При настройке выходного давления цель состоит в том, чтобы понизить давление ниже линии точки росы. На примере диаграммы выходное давление установлено на 1,5 бар. Если бы выходное давление было немного выше, образец не испарился бы полностью, а разделился бы на фракции.

4. Установите поток

Поток устанавливается ниже по потоку на клапане и ротаметре, а не на испарителе. В системе отбора проб желателен высокий поток паров, поскольку он быстрее перемещает образец в анализатор. Однако высокий поток может быть проблематичным, поскольку для испарения образца требуется больше тепла. Другими словами, высокий расход приводит к большему падению температуры во время испарения. На приведенной в качестве примера диаграмме фиолетовая линия показывает падение температуры. При увеличении потока температура резко падает.

Другой переменной, влияющей на перепад температуры, является способность теплопередачи испарителя. Некоторые испарители сконструированы таким образом, что тепло передается образцу более эффективно. Когда жидкий образец превращается в пар и его температура падает, он отводит тепло от окружающей его нержавеющей стали. Критический вопрос заключается в том, насколько эффективно испаритель может заменить тепло и поддерживать его поступление к образцу. Чем больше тепла может отвести образец, тем меньше его температура падает при испарении. В некоторых случаях испаритель может быть горячим на ощупь снаружи, но холодным внутри. Это связано с тем, что испаряемый образец потребляет большое количество тепла, и испаритель не может передать достаточно энергии, чтобы не отставать. Лучшее решение — уменьшить поток.

Таким образом, температурный перепад, показанный на диаграмме, является произведением скорости потока и теплопередающей способности испарителя. При хорошем качестве испарителя и низком расходе линия на диаграмме станет более вертикальной. К сожалению, не существует простого способа рассчитать точное место падения температуры на фазовой диаграмме, и его нельзя сгенерировать ни в одной известной программе. В результате парообразование предполагает некоторое приближение. Как правило, скорость потока должна быть как можно ниже, не вызывая неприемлемой задержки времени прохождения пробы к анализатору. Лучше начинать с низкого расхода и экспериментировать, увеличивая его, чем начинать с изначально более высокого расхода.

Для получения дополнительной помощи по передовым методам работы с аналитическими приборами и системами отбора проб с использованием фазовых диаграмм давления паров обратитесь в местный центр продаж и обслуживания Swagelok.