Способ измерения коэффициентов диффузии паров жидкости через посторонний газ (или воздух), а также испаряемости жидкостей и содержания их паров во внешней среде

 

СССР

Класс 421, 4;2

N. 78566.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

6. В. Дерягин, П. С. Прохоров и A. Д. Малнина

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИФФУЗИИ ПАРОВ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ

ПОСТОРОННИЙ ГАЗ (ИЛИ ВОЗДУХ), А ТАКЖЕ ИСПАРЯЕМОСТИ ЖИДКОСТЕЙ

И СОДЕРЖАНИЯ ИХ ПАРОВ ВО ВНЕШНЕЙ СРЕДЕ

Заявлено 14 апреля 1948 г. за 3% 376739 и Гоот=хнину СССР

Опуоянковано m «Бюллетене изобретений ": 3 аа 1951 г.

Способ измерения коэффициентов диффузии паров жидкости через посторонний газ (или воздух), а также испаряемости жидкостей и содержания их паров во внешней среде известен.

Сущность описываемого изобретения заключается в том, что по предлагаемому способу о скорости диффузии, или испарения, или соответственно о разности между содержанием паров при насыщении и в данной среде судят по перепаду гидростатического давления с обеих сторон пористой перегородки, измеряемому чувствительным дифференциальным манометром.

На чертеже представлена схема прибора для осуществления этого способа.

Основная часть прибора состоит из резервуарà I, разделенного пористой перегородкой 2 (с порами порядка

1 — 3, ) толщиной 10 — 20 мм на камеру 3, в которой вследствие наличия исследуемой жидкости поддерживается насыщающая упругость ее паров, и на камеру 4, в которой упругость паров вследствие протекания воздушного (или газового) потока равна нулю или другой определенной величине

Исследуемая жидкость наливается (или отсасывается после опыта) через трубку 5, снабженную воронкой

6 и трехходовым краном 7. Верхняя камера 4 с вплавленной пористой перегородкой 2 может быть выполнена отдельно от камеры 3 и вставляться в камеру 8 на шлифе для того, чтобы можно было одну камеру с пористой перегородкой одной толщины (или диаметра) заменить другой камерой с пористой перегородкой другой толщины (или диаметра) или же с перегородкой другой пористости.

Поток воздуха (или газа) вводится через отверстие 8 и выводится через отверстие 9.

В стационарном состоянии между камерами 3 и 4 с обеих сторон пористой перегородки устанавливается перепад давления P, пропорциональный разности парциальных упругостей пара р с обеих сторон пористой перегородки.

Для измерения перепада давления

L P служит обычный дифференциальный манометр 10, левое колено которого присоединяется посредством

N 78566 шлифа к трубке 11, а правое посредством каучуковой трубки — к трубке

I2, В качестве манометрической жидкости удооно применить подкрашенный дибутилфталат.

В случае, когда упругость пара

Ар, а следовательно, и перепад давления Е Р мал, необходимо увеличение чувствительности отсчета по манометру, для чего удобнее всего пользоваться манометром с воздушным пузырьком.

Увеличение чувствительности такого манометра по сравнению с чувствительностью обычного равно отношению площадей сечения трубок в местах 13 и 14 нахождения свободных менисков и в месте lб нахождения воздушного пузырька.

Трехходовой кран 16, позволяя соединять «накоротко» оба колена манометра, контролирует его нулевую точку.

Стационарное состояние характеризуется установившимся процессом испарения и диффузии паров жидкости через воздух, заполняющий поры перегородки, и направленным в противоположную сторону потоком диффузии воздуха (или газа). Так как воздух в противоположность парам жидкости нигде в камере 3 не возникает и не уничтожается, то диффузионный поток его должен компенсироваться процессом течения (аналогичным так называемому Стефановскому потоку) воздушно-паровой смеси через поры перегородки за счет появляющейся разности гидростатических давлений ЬР.

Обозначим через с и с соответственно средние молярные концентрации пара и газа (воздуха) в порах фильтра на расстоянии h от его верхней поверхности; соответствующее среднее гидростатическое давление обозначим через Р. Приравнивая нулю общий поток газа вверх поперек ф ильтр а, пол уч им:

D а+ — с — = О (1)

dh r, dh где: D — коэффициент диффузии газа через пар, равный коэффициенту дуффузии D пара через газ; а — численный. коэффициент, зависящий от пористости перегородки; P — коэффициент фильтрации в законе Дарси; 1 — вязкость парогазовой смеси.

Деля почленно (1) на с и интегрируя, получим:

/ со З р

0 1a:= = — — ° — (2) с

1 а где: c q — концентрация газа над

/ пористой перегородкой, а с — концентрация газа под пористой перегородкой. Заменяя концентрацию парциальными давлениями, получим:

Po ) йР или

Р1

1:1,(- 1-- 8 -Р (3)

1Р1 — Р 1 где: ро и pi — упругости пара соответственно над и под перегородкой, Ро — давление над перегородкой, P> — давление под ней.

Po — Ро

Так как отношение, всегР1 — р, да очень мало, то вместо (3) можно написать: (Po Ро 1 Р К - Р (3/)

P — р/,/ и 7, Наконец, если р1 <<Ро, то формула еще более упрощается, принимая вид:

ЬР Ро

О (р1 po)— — (3")

Формулой (3 ) или (3") можно пользоваться для вычисления D, если известны pl и ро и константа прибора

К, ро легко можно сделать равным нулю. pi можно принять равным упругости насыщенных паров жидкости, налитой в камеру, если диффузионное сопротивление фильтра, onpe.h деляемое произведением —, велико по сравнению с диффузионным сопро тивлением слоя воздуха толщиной H между жидкостью и пористой перегородкой. В большинстве случаев для ч можно взять значение, соответствующее чистому газу (или воздуху),если содержание паров невелико — «1

Для определения константы прибора К можно воспользоваться жидкостью, для паров которой известны D и рь B качестве проверки метода ниже даны результаты определения К с помощью различных жидкостей.

X 7856G

Название вещества

Коэффициент диффузии

1,8.10

1,8.10

16,6 0,96.И

Бен зол

0,0885

10 10а

1,3.10 10, I

41,32 ; 0,89,10

Ыетиаовый спирт

0,1525

103,3 0,90.10

Этиаэфир

0,0892

Di Лс, h J. с ц (4)

В тех случаях (например, при недостаточно малом содержании паров), когда желательно освободиться от неточности, связанной с зависимостью т1 от состава смеси и, следовательно, изменчивостью q внут ри пористой перегородки в зависимости от значения h, можно при наличии весьма чувствительного дифференциального манометра, могущего заменить микрореометр, или пользуясь схемой, изображенной на чертеже, измерять величину D следующим ооразом, не зависящим от значения т1.

Сначала наливают жидкость, диффузия паров которой исследуется, в камеру 3 и, соединив поворотом трехходового крана 16 эту камеру «накоротко» с камерой 4, выжидают установления стационарного процесса диффузии через поры перегородки.

После этого поворотом крана 16 разобщают камеры 8 и 4 и включают в действие соединительную горизонтальную трубку, в которой находится короткий столбик подкрашенного дибутилфталата, служащую микрорео метром, и измеряют скорость перемещения этого столбика.

Тяк как в этом случае измерение происходит при отсутствии перепада давления, то скорость перемещения столбика позволяет рассчитать поток дис1 фузии Воздуха (или Гязя) в кямеру 3 через пористую герегородку по формуле: где: $ — площадь пористой перегородки; s — площадь сечения трубки микрореометра в месте нахождения столбика жидкости. Заменяя концентрацию газа через парциальнь|е упругости пара, p Р Ь P Постоянная ! в дин см I в дик!сма дин! сма прибора К

ЬЬг 1Р Ра) (Р— Р)тс а5

1 (р — ра)= К(P< — р1) сс (о) где К вЂ” константа прибора, зависящая от пор истости и размеров фильтра и сечения трубки реометS ра. Делая отношение — малым, можно достигнуть очень большой чувствительности и точности при измерении.

Прибор может служить гигрометром, более универсальным по применению, чем любой другой, В частности, наливая в камеру 8 низкозамерзающий водный раствор (или помещая кусочки льда), можно обеспечить измерение влажностей воздуха при низких температурах, что разрешает задачу гигрометрии в арктических условиях. При этом не исключена возможность, что в этом случае ро>р6 так что вместо испарения при измерениях будет происходить конденсация паров.

Аналогично можно изучать и содержание в атмосфере любых других паров.

При ра- — О показания прибора пропорциональны произведению

Dp, от которого, согласно закону

Стефана. линейно зависит скорость испарения жидкости (например в форме капель) в покоящемся воздухе. Таким образом, прибор может оыть применен для измерений «испаряемости» жидкостей и жидких топлив (бензинов) . Прибор позволяет также следить за изменением испаряемости в процессе испарения сложной смеси (например бензина) .

Если р =0 и исследуются растворы нелетучих компонентов в летучем растворителе, то показания прибора будут пропорциональны упругостям паров растворов р . Отсюда ясно, что прибор можно применять для определения молекулярных весов растворенных веществ.

Создавая перепад температуры с обеих сторон перегородки. можно применить прибор к измерению коэффициентов термодиффузии любых паро-газовых смесей.

Теория, лежащая в основе всех перечисленных применений прибора, предполагает, что поры перегородки имеют просветы значительно больше длины свободного пробега молекул газа и пара, вследствие чего процесс диффузии в этих порах не отличается по своему характеру и численному значению константы диффузии от свободной диффузии. Поэтому нельзя, с целью увеличения эффекта, уменьшать просветы пор или давление газа Ра ниже известного предела.

Положение меняется, если дсстигнем при уменьшении просвета пор и

Р другого предельного случая, при котором длина свободного пробега значительно превышает наибольшие просветы пор, когда, следовательно, мол ек . л ы Г а ро-газовой смсси соударяются друг с другом крайне редко по сравнению с ударами о стенки пор.

В этом случае, как известно из кинетической теории газов, каждый газ. или пар внутри пористой перегородки ведет себя так, как если бы другого газа (или пара) не было. Поэтому парциальные давления газа с обеих сторон пористой перегородки будут равны н показания манометра ЬР будут равны разности р1 — р . Таким образом, в этом случае прибор может служить или для измерения pi (если, например. pa=0), или, если известно р, для измерения р (гигрометрия).

Предмет изобретения

Способ измерения коэффициентов диффузии паров жидкости через посторонний газ (или воздух), а также испаряемости жидкостей и содержания их паров во внешней среде, о тл и ч а ю шийся тем, что о скорости диффузии, или испарения, или соответственно о разности между содержанием паров при насыщении и в данной среде, судят по перепаду гидростатического давления с обеих сторон пористой перегородки, измеряемому чувствительным дифференци альным манометром.