Кислородный пламенный калориметр для сжигания жидких веществ

 

Изобретение относится к области экспериментального определения энтальпий сгорания и образования жидких органических и элементоорганических веществ. Калориметр дополнительно снабжен укрепленным вокруг верхнего конца кварцевой оболочки электронагревателя и окружающим сопло кварцевой капиллярной горелки со стекловатным фитилем катализаторным конусом из платиновой сетки, расположенным внутри нижней части камеры сгорания и отходящим от кислородоподводящей трубки стеклянным кольцеобразным кислородоподводящим душем и герметично присоединенным стеклянным барбатером. Технический результат - улучшение условий достижения полноты сгорания. 1 ил.

Изобретение относится к области экспериментального определения энтальпий сгорания и образования жидких органических и элементоорганических веществ, в том числе топлива, методом кислородной пламенной калориметрии.

Сущность изобретения. Предлагаемый кислородный пламенный калориметр для сжигания жидких веществ дополнительно снабжен укрепленным вокруг верхнего конца кварцевой оболочки электронагревателя и окружающим сопло кварцевой капиллярной горелки со стекловатным фитилем катализаторным конусом из платиновой сетки; расположенным внутри нижней части камеры сгорания и отходящим от кислородоподводящей трубки стеклянным кольцеобразным кислородоподводящим душем; герметично присоединенным одним концом к расположенному вверху вокруг камеры сгорания стеклянному теплообменному змеевику, а другим концом к расположенному внизу вокруг камеры сгорания металлическому теплообменному змеевику стеклянным барбатером с водным раствором того или иного вещества; герметично присоединенной к другому нижнему концу металлического теплообменного змеевика шарикообразной газоотводящей трубкой, заполненной тампонами из стекловаты, с отходящим от нее вниз стеклянным приемником; металлической стойкой с опорными ножками, на которой расположен, закреплен и защищен от внешних воздействий калориметр.

Использование: в научно-исследовательских работах по экспериментальному определению энтальпий сгорания и образования жидких органических и элементоорганических веществ, в том числе топлива, методом кислородной пламенной калориметрии для термодинамических, технологических и др. расчетов.

Известен кислородный пламенный калориметр для сжигания жидких веществ, содержащий стеклянную камеру сгорания, отходящие от нее стеклянные кислородоподводящую трубку и теплообменный змеевик с газоотводящей трубкой, герметично присоединенную на резьбе к ее металлической горловине металлическую уплотнительную крышку с токоподводами, размещенные в уплотнительной крышке электронагреватель и вставленную внутрь него горелку [1].

Основными недостатками известного кислородного пламенного калориметра для сжигания жидких веществ являются отсутствие катализатора, облегчающего достижение полноты сгорания исследуемого вещества; недостаточность равномерной подачи окислителя - газа кислорода по всему объему камеры сгорания снизу вверх; отсутствие приемника образовавшейся воды из влаги внутри калориметрической системы; хрупкость, недостаточная прочность стеклянной конструкции калориметра, что требует осторожного обращения с ним.

Технический результат изобретения состоит в улучшении: условий достижения полноты сгорания исследуемого вещества, теплообмена змеевика с калориметрической жидкостью калориметрической системы, улавливания основной массы образовавшейся воды из влаги внутри калориметрической системы, прочности конструкции калориметра.

Для достижения указанного технического результата кислородный пламенный калориметр для сжигания жидких веществ, содержащий стеклянную камеру сгорания, отходящие от нее стеклянные кислородоподводящую трубку и теплообменный змеевик с газоотводящей трубкой, герметично присоединенную на резьбе к ее металлической горловине металлическую уплотнительную крышку с токоподводами; размещенные в уплотнительной крышке электронагреватель и вставленную внутрь него горелку, дополнительно снабжен укрепленным вокруг верхнего конца кварцевой оболочки электронагревателя и окружающим сопло кварцевой капиллярной горелки со стекловатным фитилем катализаторным конусом из платиновой сетки; расположенным внутри нижней части камеры сгорания и отходящим от кислородоподводящей трубки стеклянным кольцеобразным кислородоподводящим душем; герметично присоединенным одним концом к расположенному вверху вокруг камеры сгорания стеклянному теплообменному змеевику, а другим концом к расположенному внизу вокруг камеры сгорания металлическому теплообменному змеевику стеклянным барбартером с водным раствором того или иного вещества; герметично присоединенной к другому нижнему концу металлического теплообменного змеевика шарикообразной газоотводящей трубкой, заполненной тампонами из стекловаты, с отходящим от нее вниз стеклянным приемником; металлической стойкой с опорными ножками, на которой расположен, закреплен и защищен от внешних воздействий калориметр.

На чертеже схематично изображен предлагаемый кислородный пламенный калориметр для сжигания жидких веществ.

Кислородный пламенный калориметр для сжигания жидких веществ содержит металлическую (нержавеющая сталь) стойку 21, 22, 26, 29, 30, 31, состоящую из решетчатой подставки 21, опорных ножек 22, крепежных прутьев 26 с резьбой по концам, ухватных колец 29, накидных гаек 30, решетчатой крышки 31; стеклянную (пирекс) камеру сгорания 33; отходящую от камеры сгорания 33 и закрепленную в резиновом кольце 32 металлической решетчатой крышки 31 кислородоподводящую трубку 1; отходящий вниз от кислородоподводящей трубки 1 и расположенный внутри нижней части камеры сгорания 33 стеклянный кольцеобразный кислородоподводящий душ 14; расположенные вокруг камеры сгорания 33 и отходящие последовательно от ее стеклянной газовыводящей трубки 34 стеклянный (пирекс) и металлический (нержавеющая сталь) теплообменные змеевики 3,5; герметично присоединенную на резьбе к металлической (нержавеющая сталь) горловине камеры сгорания 33, которая закреплена к металлической решетчатой подставке 21 металлическими (нержавеющая сталь) болтами 8, металлическую (нержавеющая сталь) уплотнительную крышку 7 с медными токоподводами 15 в тефлоновой оболочке, нихромовой спиралью 12 накаливания, медными токоподводящими проводами 19 в полимерной оболочке и металлической (нержавеющая сталь) ручкой 20 для вращения; герметично присоединенный одним концом к верхнему концу стеклянного теплообменого змеевика 3, а другим концом к верхнему концу металлического теплообменного змеевика 5 стеклянный барбартер 25 с водным раствором 24 того или иного вещества, который закреплен круглым дном в тефлоновой и металлической решетчатой подставках 23, 21 с помощью металлического болта 8 и верхней соединительной трубкой 27 со стеклянной монолитной пробкой 28 в резиновом кольце 32 металлической решетчатой крышки 31; герметично присоединенная к нижнему концу металлического теплообменного змеевика 5 стеклянная шарикообразная газоотводящая трубка 2, заполненная тампонами 4 из стекловаты, с отходящим от нее вниз стеклянным приемником 6, которая закреплена в резиновых кольцах 32 металлических решетчатых подставке 21 и крышке 31; размещенные в уплотнительной крышке 7 электронагреватель 16 из нихромовой спирали в кварцевой оболочке с укрепленным вокруг его верхнего конца катализаторным конусом 11 из платиновой сетки и вставленную внутрь него кварцевую капиллярную горелку 18 со стекловатным фитилем 9, с полиэтиленовой крышкой 13 и хлопчатобумажной нитью - запалом 10.

Эксперимент по сжиганию жидких веществ в кислородном пламенном калориметре проводится при стандартных условиях (298 К горелку 18, в которую вставляется стекловатный фитиль 9, обмотанный тонкой платиновой и давление газа 1 атмосфера) следующим образом.

Образец жидкого вещества 17 с известным химическим составом вводят при помощи шприца в кварцевую капиллярную проволокой. Для предотвращения испарения образца жидкого вещества 17 сопло горелки 18 закрывается тонкой полиэтиленовой крышкой 13 и затягивается платиновым колечком с привязанной хлопчатобумажной нитью 10 - запалом.

Предварительно полиэтиленовая крышка 13 и хлопчатобумажная нить 10 взвешиваются на аналитических весах с точностью до 0,00001 г.

Собранная горелка 18 с веществом 17 вставляется сквозь верхнее отверстие катализаторного платинового конуса 11, электронагреватель 16 в уплотнительную крышку 7. От полиэтиленовой крышки 13 в нихромовую спираль 12 токоподводов 15 вставляется хлопчатобумажная нить 10. Уплотнительная крышка 7 с собранной горелкой 18 герметично ввинчивается снизу в металлическую трубчатую горловину камеры сгорания 33.

Через соединительную стеклянную трубку 27 со шлифом в стеклянный барбартер 25 вводится определенная масса (например, 25 г) водного раствора 24 того или иного вещества (например, гидразиндигидрохлорид). Трубка 27 герметично закрывается смазанной вакуумной смазкой монолитной стеклянной пробкой 28 со шлифом. Для надежной герметичности на "рожки" трубки 27 и пробки 28 надеваются стягивающие резиновые кольца.

Стеклянная шарикообразная газоотводящая трубка 2 заполняется тампонами (шариками) 4 из чистой белой стекловаты.

В два ухватные металлические кольца 29 вставляется металлическое коромысло и при помощи него пламенный калориметр помещается в металлический калориметрический сосуд так, чтобы наружу его выходили кислородоподводящая и газоотводящая трубы 1, 2, токоподводящие провода 19. В калориметрический сосуд наливается определенная масса (например, 3125 г) калориметрической жидкости (дистиллированная вода) с учетом того, чтобы пламенный калориметр оказался погруженным в ней полностью с высотой слоя над ним в 2-3 см. Калориметрический сосуд помещается в металлическое гнездо изотермического водяного термостата (например, термостат бомбового калориметра В-08 МА).

В специальные отверстия калориметрического сосуда вставляются два платиновых термометра сопротивления, присоединенные к цифровому блоку показателя температуры с точностью до 0,0001 К.

Очищенный газ кислород подается в избытке при 298 К в камеру сгорания 33 по трубке 1 и отходящему от нее кольцеобразному душу 14 снизу вверх. Поджиг образца исследуемого жидкого вещества 17 производится путем электрического разряда с конденсаторного устройства по токоподводящим проводам 19, токоподводам 15 на нихромовую спираль 12 накаливания. При этом загораются последовательно друг от друга хлопчатобумажная нить 10, полиэтиленовая крышка 13 и образец исследуемого жидкого вещества 17. На энергию накала спирали 12 вводится соответствующая поправка в калориметрические расчеты (2,5-5,0 кДж).

Образующееся при горении вещества 17 пламя стабилизируется внутри катализаторного платинового конуса 11, который значительно облегчает достичь условия полноты сгорания.

Через каждые 30 сек следят за показаниями температуры цифрового блока. Предварительно зная скорость горения исследуемого жидкого вещества 17 за 1-1,5 мин его сжигания включается через измерительный блок, энергии электронагреватель 16, который служит для полного испарения остатков вещества 17 из горелки 18, фитиля 9 и, следовательно, сжигания. Причем мощность и время (несколько минут) электронагрева горелки 18 подбирается индивидуально для каждого исследуемого жидкого вещества 17 с учетом его температуры кипения. В калориметрические расчеты вводится поправка на выделенную энергию электронагревателем 16.

Смесь газообразных продуктов сгорания с избытком газа кислорода, выходящих из камеры сгорания 33 через стеклянные трубку 34 и трубчатый змеевик 3, поступает в стеклянный барбартер 25 с водным раствором 24 того или иного вещества, где происходит улавливание образующихся оксидов азота и других газообразных продуктов (например, газ хлор). Далее газ, состоящий теперь из углекислого газа, газа кислорода и влаги, проходит через металлический змеевик 5 и выходит из пламенного калориметра наружу по газоотводящей трубке 2. При этом в газоотводящей трубке 2 тампонами 4 поглощается основная масса влаги, а в приемнике 6 улавливается образующаяся вода из влаги, что значительно уменьшает погрешность при вводе поправки на испарение воды в формулу расчета энтальпии сгорания исследуемого вещества.

Из газоотводящей трубки 2 газ поступает сразу в адсорбционный аппарат для высокоточного гравиметрического анализа углекислого газа, по массе которого рассчитывается масса сгоревшего образца жидкого вещества с учетом калориметрических поправок на образование углекислого газа при сгорании вспомогательных материалов - хлопчатобумажной нити 10 и полиэтиленовой пленки 13.

После окончания эксперимента водный раствор 24 барбартера 25 анализируется на содержание азотной кислоты и других продуктов, теплоты образования которых вводятся в виде поправок в калориметрические расчеты.

Погрешность эксперимента составляет ±0,2-0,5%, что является удовлетворительным в калориметрии сжигания.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известным позволяет улучшить условия достижения полноты сгорания исследуемого жидкого вещества, улавливание образующейся влаги внутри калориметрической системы и прочно укрепить конструкцию пламенного калориметра от внешних воздействий

Фиг.1. Кислородный пламенный калориметр для сжигания жидких веществ.

Обозначения:

1 - стеклянная кислородоподводящая трубка (пирекс);

2 - стеклянная газоотводящая стеклянная трубка (пирекс);

3 - стеклянный теплообменный змеевик (пирекс);

4 - тампоны из стекловаты;

5 - металлический теплообменный змеевик (нержавеющая сталь);

6 - стеклянный приемник (колбочка из стекла пирекс);

7 - металлическая крышка с резьбой (нержавеющая сталь);

8 - металлические крепежные болты (нержавеющая сталь);

9 - стекловатый фитиль с обмоткой из платиновой проволоки;

10 - хлопчатобумажная нить (запал);

11 - катализаторный конус из платиновой сетки;

12 - нихромовая спираль накаливания;

13 - полиэтиленовая крышка с платиновым зажимным кольцом;

14 - стеклянный кольцеобразный кислородоподводящий душ(пирекс);

15 - медные токоподводы в тефлоновой оболочке;

16 - электронагреватель из нихромовой спирали в кварцевой оболочке;

17 - образец сжигаемого жидкого вещества;

18 - кварцевая капиллярная горелка;

19 - медные токоподводящие провода в полимерной оболочке;

20 - металлическая ручка (нержавеющая сталь);

21 - металлическая решетчатая подставка (нержавеющая сталь);

22 - металлические опорные ножки (нержавеющая сталь);

23 - тефлоновая подставка;

24 - водный раствор того или иного вещества (например гидразиндигидрохлорид);

25 - стеклянный барбартер (пирекс);

26 - металлические крепежные прутья с резьбой по концам (нержавеющая сталь);

27 - стеклянная соединительная трубка со шлифом (пирекс);

28 - стеклянная монолитная пробка со шлифом (пирекс);

29 - металлическое ухватное кольцо (4 штуки из нержавеющей стали);

30 - металлическая накидная гайка (нержавеющая сталь);

31 - металлическая решетчатая крышка (нержавеющая сталь);

32 - резиновое крепежное кольцо;

33 - стеклянная камера сгорания (пирекс);

34 - стеклянная газовыводящая трубка (пирекс).

Литература

1. Pilcher G. In. Experimental chemical thermodynamics. Vol.1. Combustion Calorimetry. Editors Sanner S. Mansson M. Pergamon Press. Oxford, 1979, Chapter 14, p.307-331/

Формула изобретения

Кислородный пламенный калориметр для сжигания жидких веществ, содержащий стеклянную камеру сгорания, отходящие от нее стеклянные кислородоподводящую трубку и теплообменный змеевик с газоотводящей трубкой, герметично присоединенную на резьбе к ее металлической горловине металлическую уплотненную крышку с токоподводами; размещенные в уплотнительной крышке электронагреватель и вставленную внутрь него горелку, отличающийся тем, что он снабжен укрепленным вокруг верхнего конца кварцевой оболочки электронагревателя и окружающим сопло кварцевой капиллярной горелки со стекловатным фитилем катализаторным конусом из платиновой сетки; расположенным внутри нижней части камеры сгорания и отходящим от кислородоподводящей трубки стеклянным кольцеобразным кислородоподводящим душем; герметично присоединенным одним концом к расположенному вверху вокруг камеры сгорания стеклянному теплообменному змеевику, а другим концом к расположенному внизу вокруг камеры сгорания металлическому теплообменному змеевику стеклянным барбатером с водным раствором того или иного вещества; герметично присоединенной к другому нижнему концу металлического теплообменного змеевика шарикообразной газоотводящей трубкой, заполненной тампонами из стекловаты, с отходящим от нее вниз стеклянным приемником; металлической стойкой с опорными ножками, на которой расположен, закреплен и защищен от внешних воздействий калориметр.

РИСУНКИРисунок 1