Способ определения состава раствора из двухкомпонентной жидкости и сжатого газа и устройство для осуществления способа

Группа изобретений относится к анализу состава раствора и может быть использована для определения взаимных растворимости жидкости и сжатых газов. Для проведения анализа осуществляют подачу раствора из пьезометра по трубопроводу в колбу и процесс дросселирования приспособлением до атмосферного давления, при котором сжатый газ теряет свою растворяющую способность и выделяется из раствора, а другие компоненты остаются в жидкой или твердой фазе. Дросселирующее приспособление установлено перед входом в колбу для раствора. Колба изготовлена из эластичного и проницаемого для паров материала. Определение объема выделившегося газа осуществляется измерением в мерной колбе объема термостатирующей жидкости, вытесненной из термостата с устройством перелива при подаче раствора в колбу. Измерение массы компонентов раствора, оставшихся в колбе в жидкой или твердой фазе, осуществляется во времени τ при переходе их в паровую фазу за счет прохождения через стенки колбы в окружающую среду. Содержание компонент раствора определяют построением графика и выделением на нем прямолинейного участка, описываемого уравнением

где m₂₊₃ - начальная масса смеси компонентов раствора, оставшихся в жидкой или твердой фазе; m - масса смеси компонент раствора оставшихся в жидкой или твердой фазе в момент времени τ; α - относительная скорость перехода в паровую фазу, определяемая как тангенс угла наклона ϕ прямолинейного участка к оси τ;

- массовая доля более летучей компоненты раствора, где m₃ - масса более летучей компоненты, которая определяется как величина отрезка прямой, отсекаемой от оси , при экстраполировании до нее прямолинейного участка графика на основании зависимости m₃=β·m₂₊₃; массу менее летучей компоненты m₂ определяют из зависимости m₂=m₂₊₃-m₃. Достигается повышение точности и информативности определения. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к методам анализа состава раствора и может быть использовано для определения взаимных растворимости жидкости и сжатых газов. Изобретение может быть использовано для определения состава 2- и 3-х компонентных растворов и для контроля за процессом регенерации катализаторов и адсорбентов в промышленных установках.

Известен способ и устройство для его осуществления.

Наиболее близким к предлагаемому объекту по технической сущности и достигаемому результату является способ и устройство для определения состава раствора жидкости и сжатого газа [Д.Ф.Циклис. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях - изд. 4-е перераб. дополненное, М.: Химия, 1976 г., стр.323].

Устройство для определения состава раствора жидкости и сжатого газа [Д.Ф.Циклис. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях - изд. 4-е перераб. дополненное, М.: Химия, 1976 г., стр.286] состоит из последовательно соединенных дроссельного устройства, трубопровода, аналитической части, состоящей из весов и последовательно соединенных приемника, съемных ампул, контрольной ловушки, ртутного насоса, колбы постоянного объема и манометра.

Способ заключается в откачивании воздуха из установки перед анализом пробы, выпуске раствора из пьезометра и прохождении его через дросселирующее устройство, где растворяющая способность газа резко падает и раствор разделяется на газовую и жидкую фазы. Жидкая фаза накапливается в съемных ампулах, где ее замораживают при температуре жидкого азота. Газ, выделившийся из жидкости при снижении давления, перекачивают насосом в колбу постоянного объема. Объем газа определяют по увеличению давления, измеряемого ртутным манометром, и по калиброванной емкости колбы постоянного объема. Количество жидкости определяют взвешиванием ампул.

Основным недостатком этого способа и устройства являются невозможность определения состава раствора двухкомпонентной жидкости и сжатого газа, значительная погрешность измерения, связанная с неточностью определения количества жидкой фазы, часть которой остается в трубопроводе между дроссельным устройством и аналитической частью.

Задачей изобретения является повышение точности измерений и повышение информативности за счет возможности определения состава жидкой фазы раствора.

Техническая задача решается способом анализа состава раствора, включающим подачу раствора по трубопроводу в колбу аналитической части установки, дросселирование до атмосферного давления, при котором сжатый газ (далее компонента N₁) теряет свою растворяющую способность и выходит из раствора, а две другие компоненты (далее N₂ - менее летучая компонента и N₃ - более летучая компонента) остаются в жидкой или твердой фазе, измерение объема компоненты N₁ и определение массы смеси компонент раствора N₂ и N₃, в котором дросселирование осуществляется непосредственно перед подачей раствора в колбу, которую термостатируют при погружении в термостатирующую жидкость до температуры, при которой одна из компонент раствора находится в газовой фазе, а остальные - в жидкой или твердой фазе, определение объема выделившегося газа осуществляют через измерение объема термостатирующей жидкости, вытесненной при подаче раствора в колбу, а измерение массы компонентов раствора N₂ и N₃ осуществляют во времени τ при переходе их в паровую фазу за счет прохождения через стенки колбы в окружающую среду, а содержание компонент раствора определяют построением графика и выделением на нем прямолинейного участка, описываемого уравнением

где m₂₊₃ - начальная масса смеси компонентов раствора, оставшихся в жидкой или твердой фазе; m - масса смеси компонент раствора оставшихся в жидкой или твердой фаз, в момент времени τ; α-относительная скорость перехода в паровую фазу, определяемая как тангенс угла наклона ϕ прямолинейного участка к оси τ; - массовая доля более летучей компоненты раствора, где m₃ - масса более летучей компоненты, которая определяется как величина отрезка прямой, отсекаемой от оси , при экстраполировании до нее прямолинейного участка графика на основании зависимости m₃=β·m₂₊₃; массу менее летучей компоненты m2 определяют из зависимости m₂=m₂₊₃m₃.

Техническая задача решается также устройством для определения состава раствора из двухкомпонентной жидкости и сжатого газа, включающее последовательно соединенные трубопроводом пьезометр, дросселирующее приспособление и входящую в состав аналитической части колбу для раствора, а также приспособление для определения объема газа и весы, в котором дросселирующее приспособление установлено перед входом в колбу для раствора, колба изготовлена из эластичного проницаемого для паров материала и погружена в термостатирующую ванну с жидкостью, которая снабжена устройством перелива, устройство для определения состава раствора включает в себя мерную колбу для слива термостатирующей жидкости.

Решение технической задачи позволяет определить наряду с составом раствора из однокомпонентной жидкости и сжатого газа, состав раствора из двухкомпонентной жидкости и сжатого газа.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для определения объема газа, выделившегося из раствора при дросселировании, где 1 - пьезометр, 2 - трубопровод, 3 - колба, 4 - дросселирующее приспособление, 5 - мерная колба, 6 - термостат, заполненный термостатирующей жидкостью, 7 - устройство перелива, 8 - термометр, 9 - электронный блок термостата с тэном, 10 - электрическая мешалка.

Из пьезометра выпускается часть раствора двухкомпонентной жидкости и сжатого газа. Выпущенный раствор по трубопроводу поступает в колбу. Перед входом в колбу на конце трубопровода установлено дроссельное устройство, проходя через которое раствор разделяется на газовую и жидкую фазы. Это происходит из-за того, что при дросселировании давление раствора падает до атмосферного, в результате чего газ теряет свою растворяющую способность. Колба погружена в термостатирующую жидкость термостата. Температура термостатирующей жидкости поддерживается такой, чтобы одна из компонент раствора находилась в колбе в газовой фазе, а две другие - в жидкой или твердой фазе. Уровень термостатирующей жидкости доводится до края переливного устройства. При попадании раствора в колбу объем последней увеличивается. До отбора пробы из пьезометра внутренний объем колбы равнялся нулевому значению. Из термостата через переливное устройство в мерную колбу сливается объем термостатирующей жидкости, вытесненной колбой при ее расширении. Объем вытесненной термостатирующей жидкости равен объему газовой фазы плюс объем жидкой фазы раствора.

Объем вытесненной термостатирующей жидкости с известной (2-4%) погрешностью можно принять за объем газовой фазы. Для точного определения объема газовой фазы необходимо из измеренного объема вычесть объемы компонент раствора N₂ и N₃. Объем которых вычисляется как произведение их масс, определенных по предлагаемому способу, на удельные объемы этих компонентов, взятые из справочной литературы при параметрах отбора пробы.

Колбу извлекают из термостата, отсоединяют от трубопровода и выпускают из нее газовую фазу раствора. Горловину колбы закрывают. С внешней поверхности колбы удаляют капли термостатирующей жидкости.

Затем колбу устанавливают на чашу аналитических весов и определяют начальную массу жидкой фазы раствора m₂₊₃, которая равна массе колбы m_k вместе с массой жидкой фазы минус масса пустой колбы.

m₂₊₃=(m_k+m₂₊₃)-m_k.

Масса пустой колбы предварительно определяется. После определения начальной массы жидкой фазы раствора начинается отсчет времени. И с определенным шагом по времени измеряется масса на аналитических весах масса колбы с жидкой фазой. В результате испарения или кипения компоненты жидкой фазы внутри колбы переходят в паровую фазу. Первая фаза проходит через стенки колбы в окружающую среду. Для этого колба изготавливается из эластичного материала, проницаемого для паров (например, из латекса толщиной 10-20 мкм).

По полученным данным строится график зависимости

m - масса жидкой фазы в колбе в момент времени τ.

На фиг.2 в качестве примера приведен график для определения состава из двухкомпонентной жидкости, состоящей из окиси этилена (ОЭ) и воды, растворенной в сжатом углекислом газе при давлении 20 МПа и температуре 308 К, где приведены линии, характеризующие изменение массы соответствующих растворов или чистых веществ во времени. На фиг.2: 1 - для чистой воды, 2 - для раствора окиси этилена с водой известной концентрации (Н₂О (93,2%) + ОЭ (6,5%)), 3 - для раствора окиси этилена с водой, 4 - для воды с растворенным углекислым газом.

Раствор (линия 3) получен в результате насыщения до равновесной концентрации водного раствора окиси этилена (90% Н₂O + 10% ОЭ) углекислым газом в пьезометре при Р=20 МПа и Т=308 К. При этом соотношение по массе водного раствора окиси этилена к углекислому газу было 1 к 11. В результате насыщения образовались две фазы: газовая и жидкая. Часть жидкой фазы была отобрана для анализа в предлагаемом устройстве.

Раствор (линия 4) получен в результате насыщения до равновесной концентрации воды углекислым газом при Р=20 МПа и Т=308 К. Часть жидкой фазы была отобрана для анализа в предлагаемом устройстве.

Все растворы и чистые вещества при определении изменения массы во времени при испарении или кипении находились при одинаковых условиях. Под одинаковыми условиями следует понимать одинаковые температуры, давления и влажность окружающей среды, а также одинаковые колбы, в которых находились исследуемые вещества.

Необходимо отметить, что линия 3 характеризует испарение трехкомпонентного раствора: Н₂О+ОЭ+CO₂. Так как не весь углекислый газ при дросселировании выходит из раствора, а небольшая его часть остается. Оставшаяся часть соответствует растворимости CO₂ в растворе ОЭ+Н₂O при параметрах отбора пробы.

Как видно на фиг.2, все линии, кроме линии 1, имеют два участка. Начальный криволинейный участок характеризуется испарение или кипение двухкомпонентной жидкости соответственно у линии: 2 - окись этилена с водой, 3 - окись этилена с водой и остатками углекислого газа, 4 - воды с углекислым газом. Линия 1, характеризующая скорость испарения чистой воды с самого начала измерений, носит прямолинейный характер. Около каждой линии приведены уравнения прямолинейных участков. Коэффициент α, стоящий перед x в уравнениях, соответствует тангенсу угла наклона этих прямых к оси X, в нашем случае к оси τ. Как видно, коэффициент α у всех прямых, в том числе у прямой 1, одинаков и равен 0,0034. Это свидетельствует о том, что прямолинейные участки характеризуют исключительно испарение воды. Переход от криволинейного участка к прямолинейному свидетельствует о том, что все легколетучие компоненты (ОЭ и СО₂) испарились и осталась только вода. Из этого вывода следует, что свободный член β в уравнениях, который является координатой пересечения этих прямых с осью Y равен процентному содержанию в растворе легколетучей компоненты (для линии 2 - это окись этилена, для линии 3 - это ОЭ+СО₂, для линии 4 - это CO₂).

Так, из графика фиг.2 следует то, что в растворе ОЭ+Н₂О с известной концентрацией (93, 5% H₂O + 6,5% ОЭ) линия 2 содержится окиси этилена 7,1%, что в пределах погрешности 10% соответствует значению 6,5%.

Из графика фиг.2, также следует то, что в растворе ОЭ+Н₂О с остатками углекислого газа (линия 3) β=1,3; если из этой величины вычесть β=0,86 (для линии 4), то получим 1,3-0,86=0,44%. Т.е. в растворе содержится 0,44% окиси этилена. Величина β=0,86 позволяет учесть процентное содержание углекислого газа растворенного в смеси ОЭ + Н₂О.

В таблице приведены значения состава жидкой фазы

Давление, Р, МПа	Массовое отношение окиси этилена к углекислому газу	Массовое содержание ОЭ в водном растворе, %
По предлагаемому способу	По результатам хромотографического анализа	Расхождение результатов
20,0	1/30	0,012	0,009	25,0
20,0	1/11	0,440	0,400	9,0
10,0	1/10	0,650	0,560	13,8
8,0	1/15	0,070	0,063	10,0

1. Способ определения состава раствора из двухкомпонентной жидкости и сжатого газа, включающий подачу раствора по трубопроводу в колбу аналитической части установки, дросселирование до атмосферного давления, измерение объема выделившегося газа и определение массы смеси компонент раствора, оставшихся в колбе в жидкой или твердой фазе, отличающийся тем, что дросселирование осуществляют непосредственно перед подачей раствора в колбу, которую термостатируют при погружении в термостатирующую жидкость до температуры, при которой одна из компонент раствора находится в газовой фазе, а остальные - в жидкой или твердой фазе, определение объема выделившегося газа осуществляют через измерение объема термостатирующей жидкости, вытесненной при подаче раствора в колбу, а измерение массы компонентов раствора, оставшихся в колбе в жидкой или твердой фазе, осуществляют во времени τ при переходе их в паровую фазу за счет прохождения через стенки колбы в окружающую среду, а содержание компонент раствора определяют построением графика и выделением на нем прямолинейного участка, описываемого уравнением

где m₂₊₃ - начальная масса смеси компонент раствора, оставшихся в жидкой или твердой фазе; m - масса смеси компонент раствора, оставшихся в жидкой или твердой фазе в момент времени τ; α - относительная скорость перехода в паровую фазу, определяемая как тангенс угла наклона прямолинейного участка к оси τ,

- массовая доля более летучей компоненты раствора, где m₃ - масса более летучей компоненты раствора, которая определяется как величина отрезка прямой, отсекаемого от оси ординат при экстраполировании до нее прямолинейного участка графика на основании зависимости m₃=β·m₂₊₃; массу менее летучей компоненты m₂ определяют из зависимости m₂=m₂₊₃-m₃.

2. Устройство для определения состава раствора из двухкомпонентной жидкости и сжатого газа, включающее последовательно соединенные трубопроводом пьезометр, дросселирующее приспособление и входящую в состав аналитической части колбу для раствора, а также приспособление для определения объема газа и весы, отличающееся тем, что дросселирующее приспособление установлено перед входом в колбу для раствора, колба изготовлена из эластичного проницаемого для паров материала и погружена в термостатирующую ванну с жидкостью, которая снабжена устройством перелива, устройство для определения состава раствора включает в себя мерную колбу для слива термостатирующей жидкости.