Сатуратор

Сатуратор

Реферат

 

Использование: изобретение относится к приборостроению для непрерывных лабораторных физико-химических экспериментов, а именно к устройствам для насыщения потоков газов парами термостатированной при определенной температуре однокомпонентной жидкости (сатураторам), обеспечивающим получение на выходе из сатуратора парогазовых смесей с равновесной концентрацией паров жидкости, соответствующей парциальному давлению паров жидкости при температуре термостатирования, и обеспечивающих возможность изменять расходы газа и парогазовой смеси в широких пределах при сохранении постоянным состава смеси. Сущность изобретения: сатуратор содержит цилиндрическую емкость с жидкостью, термостат емкости, опущенную в жидкость открытую снизу трубку подвода газа, трубку ввода парогазовой смеси, штуцер заправки жидкости, полностью погруженный в слой жидкости вертикально расположенный змеевик. Нижний конец змеевика соединен с трубкой подвода газа, верхний конец открыт в слой жидкости. Нижняя часть трубки подвода газа ниже места соединения со змеевиком снабжена объемом, открытым снизу в слой жидкости. Кроме того, сатуратор снабжен системой автоматического поддержания уровня жидкости в цилиндрической емкости. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области приборостроения для непрерывных лабораторных физико-химических экспериментов, а именно к устройствам для насыщения потоков газов парами термостатированной при определенной температуре однокомпонентной жидкости (сатураторам), обеспечивающим получение на выходе из сатуратора парогазовых смесей с равновесной концентрацией паров жидкости, соответствующей парциальному давлению паров жидкости при температуре термостатирования и обеспечивающих возможность изменять расходы газа и парогазовой смеси в широких пределах при сохранении постоянным состава смеси.

Известен сатуратор, содержащий последовательно включенные по ходу потока газа испаритель и конденсатор, имеющие автономные термостаты, в которых температура термостатирования испарителя выше, чем конденсатора [1] Известный сатуратор обеспечивает приготовление парогазовых смесей с соответствующими температуре конденсатора равновесными концентрациями паров жидкости за счет пересыщения газа в испарителе и последующего удаления избытка паров в конденсаторе.

Недостатком известного сатуратора является то, что концентрация паров жидкости существенно зависит от соотношения температур испарителя и конденсатора. Если температура испарителя ниже оптимальной, то скорость испарения жидкости будет недостаточной для пересыщения потока газа, и концентрация паров после сатуратора будет ниже равновесной, если температура испарителя выше оптимальной, конденсатор может не удалить весь избыток жидкости и концентрация паров больше равновесной. Данный недостаток существенно ограничивает возможность использования известного сатуратора для получения парогазовых потоков с переменными расходами, поскольку изменение газа на сатуратор требует корректировки температуры испарителя.

Известен сатуратор типа "промывалки со спиралью" [2] содержащий опущенную в слой жидкости открытую снизу центральную трубку, по которой сверху вниз подается газ, и спиральный змеевик, по которому газ и захваченная им жидкость поднимаются снизу вверх.

Недостатком известного устройства является отсутствие соответствующего термостатирования жидкости. Это приводит к изменению во времени состава выходящей из сатуратора парогазовой смеси, так как при испарении жидкости температура ее уменьшается и соответственно уменьшается парциальное давление паров жидкости.

Известен также сатуратор, выбранный в качестве прототипа, содержащий термостатированную емкость с жидкостью и опущенную в нее трубку с распылительной головкой [3] В известном устройстве поступающий через распылительную головку газ барботируется через слой жидкости и насыщается ее парами.

Недостатком известного устройства является то, что получить близкий к равновесному состав парогазовой смеси в данном сатураторе возможно только при больших диаметрах емкости, обеспечивающих большое "зеркало" испарения, и очень малых расходах газа, что существенно ограничивает возможности использования таких устройств. Для получения близких к равновесным концентраций паров жидкости в выходящей из сатуратора парогазовой смеси необходимо, чтобы скорость испарения жидкости была бы существенно больше скорости потока газа. В принципе скорость испарения жидкости в известном сатураторе можно увеличить тремя способами: увеличением количества пузырьков барботирующего газа при соответствующем уменьшении диаметра этих пузырьков; использованием принудительного перемешивания газо-жидкостной среды, и, наконец, увеличением диаметра емкости ("зеркала" испарения). Первый способ не подходит для лабораторной практики, так как при малых расходах газа любое газораспределительное устройство (даже самый плотный металлокерамический фильтр) является неоднородным при расходах газа порядка 1 л/ч газ всегда находит путь с наименьшим гидродинамическим сопротивлением и проходит через слой жидкости в слой одного потока. Второй способ очень дорог для лабораторных сатураторов, так как по сложности и стоимости аппаратуры приближается к автоклавам.

Ставилась задача создать лабораторный сатуратор с одним пассивным термостатом без принудительного перемешивания среды, способный обеспечить близкие к равновесным и неизменяющиеся при вариациях расходах газа (нагрузки на сатуратор) концентрации паров жидкости в выходной парогазовой смеси.

Для решения поставленной задачи сатуратор, содержащий цилиндрическую емкость с жидкостью, термостат емкости, опущенную в жидкость открытую снизу трубку подвода газа, трубку вывода паро-газовой смеси, штуцер заправки жидкости, дополнительно снабжен полностью погруженным в слой жидкости вертикально расположенным змеевиков, нижний конец которого соединен с трубкой подвода газа, верхний конец открыт в слой жидкости, а нижняя часть трубки подвода газа ниже места соединения со змеевиком содержит открытый снизу снизу в слой жидкости дополнительный объем. При больших расходах жидкости сатуратор дополнительно снабжен системой автоматического поддержания уровня жидкости в цилиндрической емкости. В вариантах выполнения сатуратора, последний дополнительно снабжен термостатирующей рубашкой, в качестве термостата используется жидкостной термостат с принудительной циркуляцией термостатирующей жидкости, емкость с жидкостью дополнительно снабжена электронагревательным элементом, змеевик выполнен из тонкостенной трубки с наружным диаметром, близким к внутреннему диаметру емкости, и свободно вставлен внутрь последней, трубка подвода газа выполнена в виде капилляра, введена снизу внутрь змеевика на 1 2 витка от его низа так, что низ змеевика выполняет функции дополнительного объема.

Технический эффект предлагаемого решения заключается в получении равновесного с температурой жидкости состава паро-газовой смеси и в обеспечении постоянства этого состава при изменении расхода газа на сатуратор.

На фиг.1 показана общая схема сатуратора; на фиг.2 4 изображены различные варианты реализации заявляемого устройства в зависимости от условий использования.

Сатуратор включает термостат 1, цилиндрическую емкость 2 с жидкостью 3, опущенную в жидкость открытую снизу трубку подвода газа 4, полностью погруженный в слой жидкости вертикально расположенный змеевик 5, нижний конец которого соединен с трубкой подвода газа 4, верхний открыт в слой жидкости, открытый снизу в слой жидкости дополнительный объем 6, находящийся в нижней части трубки подвода газа, трубку вывода парогазовой смеси 7, штуцер заправки жидкости 8. Емкость 2 заполнена жидкостью 3 на две трети своей высоты и размещена вертикально в термостате 1, обеспечивающем компенсацию затрат энергии на испарение жидкости. Газ подается через трубку 4, размещенную вертикально в емкости 2, и имеющую внизу открытый снизу дополнительный объем 2. В верхнюю часть дополнительного объема 6 впаян низ вертикально расположенного коаксиального с входной трубкой змеевика 5, открытого сверху в слой жидкости. Парогазовая смесь выводится из сатуратора через трубку 7, расположенную в верхней части емкости над слоем жидкости.

Сатуратор работает следующим образом.

Поступающий в трубку 4 газ постепенно накапливается в верхней части дополнительного объема 6 до определенного объема и затем в виде газового пузыря поднимается вверх по змеевику 5. При этом происходит насыщение газового пузыря парами жидкости, остающейся в виде тонкой пленки на внутренней стенке змеевика, а движение газового пузыря вверх приводит к выталкиванию части жидкости из трубки сверху пузыря и засасыванию такого же количества жидкости в трубку снизу пузыря. Таким образом, помимо эффективного насыщения потока газа парами жидкости происходит перемешивание жидкости внутри емкости. По мере накопления новой порции газа в верхней части дополнительного объема 6 образуются новые пузыри, которые поочередно поднимаются вверх по змеевику 5. В результате поступающий на вход сатуратора непрерывный газовый поток превращается в пульсирующий поток парогазовой смеси, который накапливается в пространстве над слоем жидкости и выводится оттуда на потребление через трубку 7. Жидкость в емкость 2 заправляется через штуцер 8.

Конструкция, размеры элементов и выбор материалов сатуратора, а также частота пульсаций выходящего потока зависят от расхода газа, свойств дозируемой жидкости и требуемой концентрации пара. Для стабильной работы сатуратора необходимо обеспечить поддержание постоянного уровня жидкости в емкости 2. Для наилучшего использования объема жидкости в лабораторных сатураторах верхний конец змеевика открывают в слой жидкости на расстоянии 3 - 5 мм от ее верхнего уровня, а дополнительный объем открыт в слой жидкости на расстоянии 1 2 мм от дна емкости.

Ниже представлено несколько вариантов типовых конструкций сатуратора для различных задач.

Вариант 1. Показана конструкция (фиг.2) простейшего стеклянного сатуратора в том случае, когда необходимо получать парогазовые смеси с низкими концентрациями пара жидкости и температура термостатирования жидкости ниже комнатной. В этом случае расход жидкости и тепловые эффекты при испарении, как правило, очень малы, поэтому в качестве термостата 1 удобно использовать сосуд Дьюара с тающим льдом, а емкость 2 представляет стеклянную ампулу с трубкой 4, змеевиком 5 и дополнительным объемом 6, снабженную штуцером 8 для периодической заливки жидкости с помощью шприца. Вследствие малых расходов жидкости ее уровень в емкости 2 в ходе насыщения газа парами уменьшается незначительно, поэтому периодическое добавление жидкости с помощью шприца является вполне приемлемым.

Вариант 2. Показана конструкция (фиг.3) стеклянного сатуратора с внешним термостатирующим устройством для получения парогазовых смесей с широким диапазоном изменений концентрации пара и температурой термостатирования как ниже, так и выше комнатной температуры. Емкость 2 имеет термостатирующую рубашку 9, в качестве термостата используется жидкостной термостат 10 с принудительной циркуляцией термостатирующей жидкости, прибор которой определяет температурный диапазон термостатирования. Змеевик 5 размещен снаружи емкости 2 внутри термостатирующей рубашки, где интенсивно омывается термостатирующей жидкостью, что позволяет эффективно компенсировать теплопотери при испарении дозируемой жидкости. Вследствие большого расхода дозируемой жидкости при высоких температурах сатуратора и концентрациях пара сатуратор оснащается системой автоматического поддержания уровня жидкости в емкости 2.

Система автоматического поддержания уровня жидкости содержит питающую емкость 11 с дозируемой жидкостью, двухходовой двухпозиционный кран 12, два электрода 13 и 14 блок электронного управления 15. Электроды 13 и 14 размещены в верхней части емкости 2 таким образом, что их нижние концы находится на уровне дозируемой жидкости и подключены к входу блока15, выход которого подсоединен к крану 12.

Система работает следующим образом.

Дозируемая жидкость подается из емкости 11 в емкость 2 через кран 12. При необходимости жидкость выдавливается из емкости 11 с помощью давления газа. Если уровень жидкости в емкости 2 ниже необходимого, электрический ток между электродами 13 и 14 очень мал, блок 15 открывает кран 12 и жидкость поступает из емкости 11 в емкость 2. При достижении заданного уровня жидкости в емкости 2 жидкость касается электродом 13 и 14, электрический ток между ними увеличивается, блок 15 выключает кран 12 и подачу жидкости в емкость 2.

Вариант 3. Показана конструкция (фиг.4) металлического сатуратора для температур выше комнатной с собственным термостатом. Необходимый для нормальной работы сатуратора теплоподвод обеспечивается тем, что емкость 2 выполнена из тонкостенной трубы сравнительно небольшого диаметра (20 30 мм) и имеет снаружи электронагревательный элемент 16, а змеевик 5 выполнен из тонкостенной трубки (4,00,2 мм, 5,00,2 мм либо 6,00,2 мм в зависимости от расхода газа) с наружным диаметром, близким внутреннему диаметру емкости 1, и свободно вставлен внутрь последней. Входная трубка 4 выполнена в виде капилляра (2,00,5 либо 3,00,5 в зависимости от расхода газа) и введена снизу внутрь змеевика на 1 2 витка от его низа так, что низ змеевика 5 выполняет функции дополнительного обхема 6. Для автоматического регулирования температуры сатуратора внутри емкости 2 размещена экранированная термопара 17, подключенная к входу высокоточного регулятора температуры 18, выход которого подсоединен к электронагревательному элементу 16. Вследствие малых размеров сатуратора описанный выше перемешивающий эффект при прохождении газа через змеевик 5 является достаточным для обеспечения необходимых изотермичности и теплоподвода. Сатуратор оснащается системой автоматического поддержания уровня жидкости, аналогичной вышеописанной для фиг.3 с той лишь разницей, что функции электрода 14 выполняет корпус емкости 2.

Все три описанные конструкции сатуратора прошли многократные и длительные испытания, в ходе которых было установлено, что во всех случаях концентрация пара в выходящей парогазовой смеси соответствует равновесной при данных температуре и парциальном давлении пара и остается неизменной при вариациях расхода газа в широких пределах.

Экспериментально подобраны оптимальные конструкции сатураторов для различных расходов газа в диапазонах от 0,1 до 1000 л/ч.

Преимущества заявляемого изобретения по сравнению с известными: является: 1. Компактность; 2. Относительная дешевизна: 3. Пригодность для широкого применения: 4. Обеспечения близких к равновесным концентраций паров жидкости: 5. Стабильность концентраций паров жидкости в выходной парогазовой смеси при вариациях расхода газа (нагрузки на сатуратор).

Формула изобретения

1. Сатуратор, содержащий цилиндрическую емкость с жидкостью, термостат емкости, опущенную в жидкость открытую снизу трубку подвода газа, трубку вывода парогазовой смеси, штуцер заправки жидкости, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен полностью погруженным в слой жидкости вертикально расположенным змеевиком, нижний конец которого соединен с трубкой подвода газа, верхний конец открыт в слой жидкости, а нижняя часть трубки подвода газа ниже места соединения со змеевиком содержит открытый снизу в слой жидкости дополнительный объем.

2. Сатуратор по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен системой автоматического поддержания уровня жидкости в цилиндрической емкости.

3. Сатуратор по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен термостатирующей рубашкой, в качестве термостата используется жидкостной термостат с принудительной циркуляцией термостатирующей жидкости, а змеевик размещен снаружи емкости внутри термостатирующей рубашки.

4. Сатуратор по п. 1, отличающийся тем, что емкость с жидкостью дополнительно снабжена электронагревательным элементом, змеевик выполнен из тонкостенной трубки с наружным диаметром, близким к внутреннему диаметру емкости, и свободно вставлен внутрь последней.

5. Сатуратор по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что трубка подвода газа выполнена в виде капилляра и введена снизу внутрь змеевика на 1 2 витка от его низа так, что низ змеевика выполняет функции дополнительного объема.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4