Устройство получения постоянных концентраций веществ в газе
Владельцы патента RU 2312335:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный университет" (RU)
Устройство содержит емкость, заполненную раствором летучих веществ в малолетучем растворителе, и соединенный с ее выходом смеситель. Смеситель соединен с сепаратором для отделения парогазовой фазы от капель жидкости. Вход сепаратора выполнен в виде конусного калиброванного капилляра, а его выход соединен с емкостью. Вентиль тонкой регулировки обеспечивает подачу газа-разбавителя в линию отвода насыщенного летучими веществами газового потока. Устройство отличается простотой конструктивного исполнения и возможностью приготовления газовых смесей с различными концентрациями летучих веществ. 1 ил.
Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для получения газового потока с заданными концентрациями летучих веществ для калибровки газоаналитической аппаратуры, для создания искусственных парогазовых смесей при анализе окружающей среды и в токсикологических исследованиях.
Известно устройство, реализующее способ получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа, состоящее из блока подготовки газа и термостата, снабженного тремя последовательно соединенными барботерами, в котором газовый поток насыщают до заданной равновесной концентрации путем последовательного барботажного контакта газового потока, по крайней мере, с тремя неподвижными порциями раствора летучих соединений в малолетучем растворителе, концентрация которых последовательно убывает от первой порции раствора к последующим или остается постоянной за исключением первой порции раствора, в которой концентрация летучих веществ выше [см. Березкин В.Г., Платонов И.А., Онучак Л.А., Лепский М.В. Способ получения постоянных микроконцентраций летучих соединений в потоке газа. Патент РФ №2213958 от 23.11.2001 // Бюлл. изобр. №28 от 10.10.2003].
Недостатком известного устройства является использование значительного количества емкостей с различными растворами летучих веществ в малолетучей жидкости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для приготовления парогазовых смесей, содержащее емкость со смесью исходного предварительно приготовленного раствора летучего вещества в малолетучем растворителе, смеситель, линию, соединяющую емкость со смесителем, линию для подвода газа в смеситель, линию для отвода полученной парогазовой смеси, линию для отвода обедненного летучим веществом раствора, регулятор уровня емкости, две попеременно работающие емкости, линию для подпитки емкости с исходным раствором после регенерации отработанного раствора в емкостях, оборудованных анализаторами качества и регуляторами уровня, линии для подачи летучего вещества, регуляторы расхода на линии, соединяющей емкость со смесителем, на линии для подвода газа в смеситель и на линии для подпитки емкости исходным раствором и термостатирующее устройство смесителя [см. Березкин В.Г., Буданцева М.Н., Воронова Г.Н. Устройство для приготовления парогазовых смесей. Авт.свид. СССР №759953 // Бюлл. изобр. №32 от 30.08.80].
Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются сложная конструкция устройства и невозможность приготовления газовых смесей с различными концентрациями летучих веществ.
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции устройства и обеспечение возможности приготовления газовых смесей с различными концентрациями летучих веществ.
Эта задача решается за счет того, что в устройстве получения постоянных концентраций веществ в газе, содержащем емкость, заполненную исходным раствором летучих веществ в малолетучем растворителе, смеситель, соединенный с выходом емкости, линию для подачи газа-разбавителя в смеситель и линию для отвода насыщенного летучими веществами газового потока, дополнительно установлены сепаратор для отделения парогазовой фазы от капель жидкости, вход которого выполнен в виде конусного калиброванного капилляра и соединен со смесителем, а выход - с емкостью, и вентиль тонкой регулировки для подачи газа-разбавителя в линию для отвода насыщенного летучими веществами газового потока.
При решении поставленной задачи создается технический результат, характеризуемый новой совокупностью существенных признаков. Так, общее количество емкостей уменьшено с трех в прототипе до одной в предлагаемом устройстве, что упрощает конструкцию устройства. Установка сепаратора, вход которого выполнен в виде конусного калиброванного капилляра и соединен с выходом смесителя, способствует более эффективному отделению парогазовой фазы от капель жидкости, что позволяет увеличить время поддержания постоянной равновесной концентрации летучих веществ в газовом потоке по сравнению с прототипом на величину, равную увеличению или уменьшению их концентрации в газе в диапазоне доверительного интервала измерения Сi±ΔСi, так как сепаратор выполняет роль второй ступени экстракции и парогазовый поток смесителя постоянно подпитывает капли жидкости в сепараторе новыми порциями летучих веществ. Установка вентиля тонкой регулировки для подачи газа-разбавителя в линию для отвода газового потока, насыщенного летучими веществами, обеспечивает возможность получения газовых смесей с различными концентрациями летучих веществ.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже изображена принципиальная схема устройства получения постоянных концентраций веществ в газе.
Устройство содержит емкость 1, заполненную исходным раствором летучих веществ в малолетучем растворителе, смеситель 2, соединенный с выходом емкости 1, линию 3 для подачи газа-разбавителя в смеситель, линию 4 для отвода насыщенного летучими веществами газового потока, сепаратор 5 с конусным калиброванным по диаметру капилляром 6 для отделения парогазовой фазы от капель жидкости, вход сепаратора соединен со смесителем 2, а выход - с емкостью 1, вентили тонкой регулировки 7 и 8 на линии 3 для подвода газа-разбавителя и термостат 9.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Предварительно готовят весовым или объемным методом раствор заданной концентрации Сi+ΔСi, состоящий из смеси летучих веществ в малолетучей жидкости. Приготовленным раствором заполняют емкость 1 и смеситель 2. После этого при термостатировании устройства на вход смесителя 2 подают газ-разбавитель с помощью вентиля тонкой регулировки 7. После насыщения газа-носителя летучими веществами полученная парогазовая смесь с небольшим количеством обедненной летучими веществами жидкой фазы отводится в сепаратор 5, в котором происходит отделение парогазовой фазы от капель жидкой фазы. После попадания обедненной порции жидкой фазы из сепаратора 5 в емкость 1 эквивалентное количество исходной порции раствора подается в смеситель 2.
В конусном калиброванном капилляре 6 происходит накопление капель жидкой фазы и сепаратор выполняет роль второй ступени экстракции, причем малолетучая жидкая фаза постоянно подпитывается летучими веществами за счет парогазового потока, выходящего из первой ступени экстракции - смесителя 2. По мере расхода летучих веществ в емкости 1 их концентрация в газовом потоке 4 постепенно снижается до Сi-ΔСi, что обеспечивает увеличение времени поддержания постоянной концентрации в диапазоне Сi±ΔCi. В прототипе это условие выполнить не представляется возможным, так как имеется только одна ступень экстракции с равновесной концентрацией летучих веществ в газовом потоке, равной Сi, и отсутствует возможность подпитки малолетучей жидкости дополнительными порциями летучих веществ.
Переход на новое значение концентрации летучих веществ в парогазовой смеси осуществляется путем изменения расхода газа-разбавителя с помощью вентиля тонкой регулировки 8.
Уравнение материального баланса для системы, содержащей смеситель, заполненный раствором летучих веществ в малолетучей жидкости, и сепаратор, через которые пропускают поток инертного газа-разбавителя, имеет вид [см. Forina М. // Annali di Chimica, 1975. V.65. Р.49]
где 
- количество летучего вещества, поступившего из смесителя в сепаратор с объемом газа-разбавителя dVg;
- количество летучего вещества, извлекаемого из сепаратора объемом газа-разбавителя dVg; dnL(сп)-dnG(сп) - изменение количества летучего вещества в жидкой и газовой фазах в сепараторе, при этом 
- константа распределения летучего вещества между жидкой и газовой фазами (константа фазового распределения жидкость-пар при T=const); dVg=F·dτ - объем газа-разбавителя; F - объемная скорость газа-разбавителя; dτ - время пропускания объема газа-разбавителя dVg.
Уравнение (1) можно представить как
где 
- константа сепаратора.
Причем для смесителя 
поскольку в него поступает чистый инертный газ-разбавитель.
Изменение концентрации летучих веществ в газовых смесях, приготавливаемых предлагаемым устройством, может осуществляться двумя методами:
1. За счет изменения концентрации летучего вещества на выходе сепаратора СG(сп) путем изменения объемной скорости газа-разбавителя F или путем изменения величины константы распределения КC при изменении температуры термостата 9.
2. За счет дополнительного разбавления полученного газового потока с концентрацией летучего вещества в сепараторе СG(сп) чистым газом-разбавителем в заданном соотношении с помощью дросселя тонкой регулировки 8.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет упростить конструкцию устройства, расширить диапазон приготавливаемых концентраций летучих веществ, а также повысить точность поддержания заданных концентраций на выходе устройства за счет того, что сепаратор играет роль второй ступени экстракции.
Использование предлагаемого устройства для получения постоянных концентраций летучих веществ в газе позволит организовать метрологическое обеспечение газоаналитических и хроматографических измерений при проведении точных аналитических и физико-химических исследований.
Устройство получения постоянных концентраций веществ в газе, содержащее емкость, заполненную раствором летучих веществ в малолетучем растворителе, смеситель, соединенный с выходом емкости, линию для подачи газа-разбавителя в смеситель и линию для отвода насыщенного летучими веществами газового потока, отличающееся тем, что устройство содержит сепаратор для отделения парогазовой фазы от капель жидкости, вход которого выполнен в виде конусного калиброванного капилляра и соединен со смесителем, а выход с емкостью, а также вентиль тонкой регулировки для подачи газа-разбавителя в линию отвода насыщенного летучими веществами газового потока.
