Способ исследования процессов растворения газов в прозрачной жидкости

Изобретение относится к оптическим исследованиям процессов массообмена между жидкостью и газом в аппаратах химической, микробиологической, нефтяной промышленности и т.д. Способ включает размещение в жидкости пасты, предварительно насыщенной газом, которая представляет собой прозрачную инертную среду. Показатель преломления пасты, насыщенной газом, равен показателю преломления жидкости, а в пасту добавляют прозрачные частицы с показателем преломления, равным показателю преломления жидкости, материалом которых является стекло, что расширяет возможности измерений концентраций газов при исследовании нестационарных процессов. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к оптическим исследованиям процессов массообмена между жидкостью и газом в аппаратах химической, микробиологической, нефтяной промышленности, инженерной экологии и в природных процессах, в которых происходит растворение газов в объеме прозрачной жидкости. При проведении исследований нестационарного растворения газов в жидкости исследуют динамику изменения концентрации газа во времени и по объему среды.

Известен способ определения растворимости газов в жидкости, основанный на определении изменения показателя преломления смеси жидкости и газа [Константинов В.Б., Малый А.Ф., Бабенко В.А. Использование голографической интерферометрии для определения растворимости газа в жидкости. // Письма в Журнал технической физики. 2003. Т.29. вып. 13. С.83-88]. В этой работе исследование процесса растворения газа в жидкости проводилось предварительным насыщением исследуемой жидкости газом из газовой фазы, последующим сжатием жидкости в емкости механическим воздействием или подключением емкости к баллону с газом и измерением показателя преломления жидкости с растворенным в ней газом в зависимости от давления.

Недостатком этого способа является невозможность одновременных измерений в газовой фазе и в жидкости при нестационарном растворении газа.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ исследования процессов растворения газов в объеме жидкости, заключенной в емкости, в котором расширяют возможности использования путем размещения пасты, предварительно насыщенной газом [Заявка РФ №93010871/04, кл. G01N 21/78, опублик. 20.06.1996].

Недостатком этого способа является невозможность одновременных измерений растворенного газа в объеме пасты и в объеме жидкости, при нестационарном растворении газа.

Задачей изобретения является способ исследования процессов растворения газов в прозрачной жидкости, расширяющий возможности измерений концентраций растворенного газа при нестационарных процессах.

Поставленная задача решается тем, что исследования процессов растворения газов в объеме прозрачной жидкости, заключенной в емкости, проводят путем размещения в емкости пасты, предварительно насыщенной газом.

При этом паста, размещенная в исследуемой жидкости, представляет собой прозрачную инертную среду, а показатель преломления пасты, насыщенной газом, равен показателю преломления жидкости.

Кроме того, в пасту добавляют прозрачные частицы с показателем преломления, равным показателю преломления жидкости и в качестве материала частиц используют стекло.

Способ исследования процесса растворения газов в прозрачной жидкости осуществляется следующим образом. Измеряют показатель преломления исследуемой жидкости и пасты - высоковязкой среды, содержащей твердые частицы с помощью, например, рефрактометра. Пасту, представляющую собой прозрачную инертную среду с показателем преломления, меньшим показателя преломления исследуемой жидкости, насыщают исследуемым газом, измеряя показатель преломления пасты, например, рефрактометром, до совпадения значения показателя преломления пасты, насыщенной газом, и исследуемой жидкости. Размещают пасту, насыщенную газом, и исследуемую жидкость в емкости таким образом, чтобы паста находилась в жидкости.

Если парциальное давление исследуемого газа в пасте при ее насыщении выше, чем в жидкости, то в жидкость поступает из пасты растворяемый газ. При этом увеличивается концентрация растворенного газа в жидкости и уменьшается концентрация растворенного газа в пасте, что в обоих случаях приводит к изменению плотности сред. Связь между плотностью среды ρ и ее показателем преломления n дается эмпирической формулой Гладстона-Дейла для удельной рефракции r [Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. Л.: Химия. 1983, 352 с.]:

Удельная рефракция r не зависит от внешних условий и агрегатного состояния, а удельная рефракция смесей практически аддитивна и является функцией массовых долей р компонентов, что для смеси жидкости и растворенного газа равно

где n_∑ - показатель преломления смеси жидкость - растворенный газ,

m_ж и m_г - массы жидкости и растворенного газа соответственно.

Подставляя (4) в (2), получаем для смеси жидкость - растворенный газ

Для смеси паста - растворенный газ формула (5) имеет вид

В правой части уравнений (5 и 6) все величины кроме m_г или известны из таблиц или предварительно определяются известными методами. Поэтому в процессе насыщения пасты газом или массообмена газом между пастой и жидкостью измерение текущих значений n_∑ж и n_∑п дает возможность определить текущее значение m_г и в пасте, и в жидкости. Значения показателя преломления рефрактометром измеряют непосредственно, а с помощью интерферометра регистрируют относительное изменение коэффициента преломления Δn_∑ по относительному сдвигу интерференционных полос Δk, которые связаны соотношением

где λ - длина волны излучения; L - длина хода луча через исследуемый объект.

Если паста является прозрачной средой, инертной к растворяемому в ней газу и исследуемой жидкости, а после насыщении ее газом показатель преломления пасты равен показателю преломления жидкости, то при размещении пасты в жидкости они являются иммерсионной системой. Поэтому при масообмене газом между пастой и жидкостью изменения показателя преломления при нестационарном растворении газа одновременно измеряют, например, интерферометрическим методом в объеме пасты и в объеме жидкости от одного и того же значения, что расширяет возможности исследования нестационарного процесса растворения.

Добавлением в пасту прозрачных частиц с показателем преломления, равным показателю преломления жидкости, контролируют процесс насыщения пасты газом и фиксируют момент совпадения показателя преломления частиц и пасты, насыщенной газом, например, по наблюдению полоски Беке или с помощью интерферометра [Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. Л.: Химия, 1983, 352 с.]. После размещения пасты в жидкости и начала растворения газа определяют изменения показателя преломления в объеме пасты относительно прозрачных частиц, а использование в качестве материала прозрачных частиц стекла обусловлено стабильностью его показателя преломления, что расширяет возможности исследования нестационарных процессов растворения газов в жидкости.

Пример 1. Для оценки возможности одновременного измерения показателя преломления при массообмене газом по обе стороны поверхности раздела брали жидкость, которая представляла собой смесь альфабромнафталина n²⁰ Д=1,658 и декана n²⁰ Д=1,412 и готовилась добавлением декана в альфабромнафталин и перемешиванием до получения показателя преломления смеси равным n²⁰ Д=1,518. Показатель преломления жидкости измеряли на рефрактометре Аббе. Жидкая основа пасты представляла собой водный раствор смеси раданистого аммония и йодистого аммония, массовые доли компонентов составляли NH₄CNS:NH₄J:H₂O=6:6:3. Добавлением воды получали показатель преломления водного раствора равным n²⁰ Д=1,517. Показатель преломления измеряли на рефрактометре Аббе. Полученный водный раствор размещали в кювете размером 0,02×0,02×0,04 м и насыщали диоксидом углерода подачей пузырьков газа через слой до получения показателя преломления смеси равным показателю преломления n²⁰ Д=1,518. Измерения показателя преломления проводили отбором проб с помощью шприца и измерением на рефрактометре Аббе. В кювету сверху добавляли смесь альфабромнафталина n²⁰ Д=1,658 и декана n²⁰ Д=1,412, которая не растворима в водном растворе солей и обладала меньшей, чем водный раствор солей плотностью. Поэтому указанная смесь располагалась слоем над раствором солей и наблюдалась четкая граница раздела между ними. Изменение показателей преломления жидкости и раствора (Δn_ж и Δn_p) из-за переноса газа через поверхность раздела определялось по обе стороны поверхности раздела с помощью голографического интерферометра по относительному сдвигу интерференционных полос Δk одновременно и на одинаковом расстоянии от поверхности раздела по формуле (7) при λ=0,63 мкм и L=0,02 м.

Относительные изменение показателя преломления в жидкости и водном растворе
№ п/п	Δkж	Δkp	Δnж	Δnp
1	0,3	0,4	0,94·10-4	1,3·10-4
2	0,7	0,8	2,2·10-4	2,5·10-4

Приведенные данные показывают возможность одновременного измерения изменения показателя преломления по обе стороны поверхности раздела двух жидкостей при переносе газа через поверхность раздела, а значит расширение возможностей предлагаемого способа исследования нестационарных процессов растворения газов в жидкости.

Пример 2. Для оценки расширения возможностей исследования при добавлении прозрачных частиц использовались прозрачные шарики из стекла K8 диаметром 2 мм показателем преломления n²⁰ Д=1,518, которые помещали в водный раствор солей NH₄CNS:NH₄J:Н₂O с показателем преломления n²⁰ Д=1,517. Полученную смесь насыщали диоксидом углерода до совпадения показателей преломления стеклянных шариков и водного раствора, которое контролировалось с помощью наблюдения в микроскоп полоски Беке у поверхности раздела шариков и водного раствора или интерферометром по разрыву интерференционных полос на поверхности раздела шариков и водного раствора. Наблюдение за шариками в разных точках объема давало возможность исследовать изменение показателя преломления при нестационарном процессе растворения газа.

Использование в качестве источника растворяющегося газа прозрачной пасты, содержащей прозрачные стеклянные частицы, обеспечивало одновременное изменение концентрации газа в пасте и в жидкости, что расширяло возможности исследования растворения газов в жидкости при нестационарных процессах.

Кроме указанных возможностей предлагаемый способ позволяет исследовать растворение смесей газов и встречные потоки растворяющихся газов.

1. Способ исследования процессов растворения газов в объеме прозрачной жидкости, заключенной в емкости, путем размещения в жидкости пасты, предварительно насыщенной газом, отличающийся тем, что паста представляет собой прозрачную инертную среду, показатель преломления пасты, насыщенной газом, равен показателю преломления жидкости, а для определения текущих масс жидкости и растворенного газа измеряют изменения показателя преломления в объеме пасты и в объеме жидкости от одного и того же значения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в пасту добавляют прозрачные частицы с показателем преломления, равным показателю преломления жидкости.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материала прозрачных частиц используют стекло.