Использование фазовых диаграмм для точного прогнозирования кривых парового давления

Использование фазовой диаграммы для кривых парового давления

Карим Махраз, менеджер по продуктам, Swagelok, Analytical Instrumentation

Хотя фазовые диаграммы в основном используются химиками в лабораториях, эти инструменты удивительно полезны для механических инженеров и менеджеров заводов, занимающихся анализом проб. В некоторых аналитических системах жидкую пробу необходимо превратить в газ через испарение перед анализом. Испарение — это балансировка между температурой, давлением и расходом — и кривые парового давления на фазовой диаграмме позволяют инженерам определять фазовые переходы для конкретных материалов и химических соединений.

Далее в качестве примера будет рассмотрена гипотетическая газовая смесь 20% гексан в пентане, примененная к полной фазовой диаграмме (см. диаграмму ниже). Когда проба находится выше точки кипения (синяя линия), она полностью в жидкой фазе. Проба должна оставаться жидкой при входе в испаритель. Когда проба ниже точки росы (золотая линия), она полностью пар. Проба должна быть полностью паром при выходе из испарителя.

Между линиями точки кипения и точки росы находится «зона запрета» (no-go zone). Эта зона представляет диапазон кипения пробы. Здесь смесь находится в двух фазах: частично жидкость и частично пар. Как только проба попадает в зону запрета, она фракционируется и больше не пригодна для анализа. Цель испарения — установить температуру, расход и давление так, чтобы проба мгновенно перешла от жидкой стороны зоны запрета к паровой. Для чистых и почти чистых проб диапазон кипения или зона запрета минимальны или отсутствуют. Линии точки кипения и точки росы практически совпадают.

Чистые и почти чистые пробы превращаются в пар одного состава, будь то испарение или флэш-испарение. Некоторые промышленные пробы близки к этому уровню чистоты и превращаются легко. С другой стороны, некоторые пробы имеют настолько широкий диапазон кипения, что их нельзя успешно испарить. Не существует способа пропустить зону запрета от жидкой стороны к паровой. В этом случае переменные нельзя манипулировать, чтобы избежать фракционирования.

На приведенной диаграмме полоса между точкой кипения и точкой росы достаточно узка, чтобы при правильных настройках проба могла эффективно перейти от жидкой стороны зоны запрета к паровой. Одновременно полоса достаточно широка, чтобы нельзя было быть неосторожным.

Установка температуры, давления и расхода

Продолжая работу с пробой на диаграмме (20% гексан в пентане), входные параметры нужно умело задать для успешного испарения. В общем, на входе нужно высокое давление и низкая температура. На выходе — высокая температура и низкое давление. Существуют пределы, насколько высокими и низкими могут быть эти параметры, и не каждое ограничение можно контролировать.

1. Определите входное давление на испарителе

Входное давление, которое фиксировано, равно процессному давлению — при условии, что испаритель расположен близко к точке отбора. На примере диаграммы это давление 4 бар. Высокое давление лучше, потому что позволяет держать температуру выше без кипения входящей жидкости.

2. Установите входную температуру

При установке входной температуры две цели. Во-первых, температура должна быть достаточно низкой, чтобы при входе в испаритель проба была полностью жидкой. На диаграмме точка кипения при 4 бар составляет 88°C. Чтобы избежать фракционирования, лучше выбрать круглое число достаточно далеко от 88°C. Безопасный пример — 80°C.

Вторая цель — держать температуру достаточно высокой для полного флэш-испарения пробы, обеспечивая выход только пара. При испарении температура падает согласно законам сохранения энергии. Начальная температура должна быть достаточно высокой, чтобы после падения давления проба не попала в зону запрета. На диаграмме температура пара после падения давления — 60°C — как раз на паровой стороне линии точки росы.

3. Установите выходное давление

Цель — снизить давление ниже линии точки росы. На диаграмме выходное давление установлено на 1,5 бар. Если бы оно было выше, проба не бы полностью испарилась и фракционировалась.

4. Установите расход

Расход устанавливается вниз по течению на клапане и ротаметре, а не на испарителе. В системе пробоотбора высокий паровой расход желателен, так как быстрее доставляет пробу к анализатору. Однако высокий расход проблематичен, потому что требует больше тепла для испарения. То есть высокий расход приводит к большему падению температуры при испарении. На диаграмме фиолетовая линия иллюстрирует падение температуры. По мере увеличения расхода температура падает круче.

Еще одна переменная, влияющая на падение температуры — теплообменная способность испарителя. Некоторые испарители построены так, что тепло передается пробе эффективнее. Когда жидкая проба превращается в пар и её температура падает, она забирает тепло из окружающей нержавейки. Критический вопрос — насколько эффективно испаритель может восполнять тепло и направлять его к пробе. Чем больше тепло может забирать проба, тем меньше её температура падает при испарении. Иногда испаритель может быть горячим снаружи, но холодным внутри. Это потому, что испаренная проба забирает много тепла, а испаритель не успевает передавать достаточно энергии. Лучшее решение — снизить расход.

Подводя итог, падение температуры на диаграмме — продукт расхода и теплообменной способности испарителя. С качественным испарителем и низким расходом линия на диаграмме станет более вертикальной. К сожалению, нет простого способа точно рассчитать положение падения температуры на фазовой диаграмме, и никакое известное ПО не может это сгенерировать. В результате испарение включает некоторое приближение. Как эмпирическое правило: держите расход как можно ниже, не вызывая недопустимой задержки доставки пробы к анализатору. Лучше начать с низкого расхода и экспериментально увеличивать его, чем начинать с высокого.

Для дополнительной помощи по аналитической инструментации и лучшим практикам систем пробоотбора с использованием кривых парового давления фазовых диаграмм обратитесь в местный центр продаж и сервиса Swagelok.