Способ отбора пробы

 

Сеееэ Совет сник

Соцнапнстнчвсннк

Респубпии

О П И С А Н И Е ()868433

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свнд-ву— (51jN. Кл. (22)Заявлено 21.01.80 (2!) 2873365/18-25

С 01 N l/22 с присоединением заявки !ш— (23) Приоритет

Фщйарствеввия кввпвт

ВСФР ав аювви язвбфвтввк!! я втврмтя!!

Опубликовано 30.09.81 ° бюллетень М Зб (53) УДК 542.271 (088.8) Дата опубликования опнсания30.09.81 (72) Авторы изобретения

А.А. Тычкин, Д.С. Жук и В.В Белый

{7! ) Заявитель (54) СПОСОБ ОТБОРА ПРОБЫ

Изобретение относится к способам отбора проб из реагирующих сред и может быть использовано для отбора и анализа продуктов из плаэмохнмнческнх и нефтехимических установок специаль1

% ных двигателей, МГД-генераторов, при изучении высокотемпературной кинетики.

При изучении высокотемпературных реагирующих сред одной иэ основных

1О задач является определение истинного химического состава среды, включая определение концентраций промежуточных продуктов реакций, например, сво" бодных радикалов. Основное требова3$ ние к применяемым для этого способам отбора проб заключается в прекращении в отбираемой пробе химических реакций ("закалка" пробы) sa времена, значительно меньшие времени протека- Е нии реакций, способных изменить ее состав (в том числе хидкофазных и гетерогенных при наличии в объеме конденсированной фазы).

В одном из известных способов отбора проб Н3 низкотеипературной плазмы закалку пробы осуществляют за счет ее охлаждения при расширении в сопле Лаваля с последующим разбавлением пробы гелием при давлении

2-8 мм рт.ca". Г1).

Гелий в известном устройстве используют для эффективного гашения колебательной температуры молекуа пробы.

Основным недостатком известного способа, ограничивающим его применение, является сравнительно большое время закалки (время охлаждения пробы от 2500 до 620 К, около !О 4с), что значительно больше времени протекания многих химических реакций в высокотемпературных средах, например, реакций с участием радикалов. Известный способ не позволяет отбирать пробы из реакторов, содержащих конденсированную фазу, так как не обеспечивает закалку мидкофаэных и гете868433 рогенных реакций. Способ сложен в реализации, так как пробу пропускают через миниатюрное сопло Лаваля, очень сложное в изготовлении, а близкие к единице показатели адиабаты низкотемпературной плазмы влекут к весьма низким давлениям смеси пробы с гелием, и, следовательно, к использованию сложных систем откачки.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ отбора пробы из высокотемператур. ной среды, заключающийся в замораживании химических реакций в пробе путем быстрого разбавления пробы инертным газом L2$.

Этот способ также обладает недос-. татками. Для достаточного охлаждения пробы требуется разводить ее значительным количеством инертного газа, и при его подводе неизбежно торможение потока пробы. с образованием скачков уплотнения, переводящих поток в дозвуковой с соответствующим увеличением температуры. Реально достижимы, как и в известном способе времени, закалки пробы порядка 10Г с. Низкие показатели адиабаты высокотемпературных сред неизбежно повлекут использование высокого вакуума в пробосборнике, неизбежны трудности с изготовлением миниатюрных конических сверхзвуковых сопел для закалки пробы и с охлаждением устройства„ реализующего способ.

Цель изобретения — повышение соответствия состава пробы. составу среды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе отбора пробы из высокотемпературной среды, заключающемся в замораживании химических реакций в пробе путем быстрого разбавления пробы инертным газом, пробу вводят и смешивают с охлажденным и инертным к закаливаемым реакциям газом, режим течения которого поддерживают сверхзвуковым.

Кроме того, перед введением пробы в сверхзвуковой поток, статическое давление в нем доводят до получения сверхкритического перепада относи-. тельно давления в высокотемпературной среде.

Пробу вводят с критической скоростью перпендикулярно направлению потока инертного газа.

В качестве инертного газа используют гелий.

55 гелием. Время перемешивания струйки пробы с диаметром менее 0,5 мм, температурой торможения ЗООООК и критической скоростью 1500 м/с с потоДля обеспечения смешения в сверхзвуковом режиме подвод массы и энтальпии с пробой к сверхзвуковому потоку необходимо компенсировать, например, увеличением поперечного сечения канала, отводом части раэбавителя или воздействием внешних сил. Необходимое воздействие на сверхзвуковой поток находится из решения задачи на устойчивость сверхзвукового течения при подводе массы и энтальпии и переменной геометрии канала. Результаты продувок модельных сверхзвуковых смесителей хорошо согласовывались с результатами расчетов.

Температуру в поток инертного газа легко задать достаточно низкой по отношению к закаливаемым реакциям, выбирая необходимые геометрические характеристики сопла Лаваля, например, легко I могут быть достигнуты температуры !00 К и ниже. Наиболее подходящим инертным газом для зад калки проб иэ ниэкотемпературной; плазмы является гелий, так как он обладает рядом важных преимуществ.

Это высокая теплоемкость, малое гаэокинетическое сечение и молекулярный вес (что обеспечивает быструю релаксацию возбужденных колебательных уровней молекул пробы), высокая скорость сверхзвукового потока (легко достижимы скорости в несколько километров в секунду, что обеспечи35 вает смешение миллиметровых струек пробы с гелием за доли .микросекунды).

Химическая инертность гелия, высокие потенциалы ионизации и воэбужде40 ния позволяют использовать его для закалки радикальных и ионных реакций. Высокая теплопроводность гелия обеспечивает быстрое охлаждение мелких капель и твердых частичек (например сажи)..до сверхнизких темпера45. тур (ниже 150 К), прекращая жидкоо фаэные и гетерогенные реакции.

В данном способе пробу вводят в поток инертного газа предпочтительно под сверхкритическим перепадом

50 под прямым углом, что обеспечивает втекание пробы с приблизительно критической скоростью (более километра в секунду) и интенсивное турбулентное перемешивание с холодным

868433 о ния, объяснить появление которых можно было лишь реакциями в пробоотборнике. Пробы, отобранные предлагаемым способом, подобных соединений не содержали. Лишь при увеличении времени закалки пробы до 0 -1 с путем некритического ввода пробы, значительного увеличения диаметра струйки пробы и снижения скорости

10 гелия до дозвуковой были получены те же продук m, что и по известному способу.

Изобретение позволит повысить эффективность исследования рабочих процессов в специальных двигателях, установках высокотемпературного пиролиза, печах, ИГД-генераторах и плазмотронах. ком гелия с числом Маха M=2,5 при .давлении 5 ата и 100 К составляют о десятые доли микросекунды. Это более чем на два порядка меньше времени охлаждения пробы в известном способе, причем проба охлаждается до температуры ниже 150 К (при диамето ре канала 3-4 мм) .

После разбавления пробы гелием за сотые доли микросекунды происходит затормаживание всех степеней свободы молекул, в том числе колебательных.. Жидкость, попадающая с пробой в поток инертного газа, дробится на капли с диаметром меньше 0,1,и при указанных параметрах потока, которые охлаждаются за доли микросекунды.

Столь же быстро охлаждаются мелкие

% (микронного размера).твердые частицы (сажа). Благодаря быстрому охлаждению пробы до сверхнизких температур и разведению гелием прекращаются все химические реакции, идущие с заметными энергиями активации, в том числе и бимолекулярные реакции с участием радикалов. Реакции рекомбинации радикалов и ионов, протекающие при тройных соударениях, сильно замедляются благодаря разведению гелием. При изучении подобных реакций обеспечивается быстрый вынос сверхзвуковым или критическим потоком гелия закаленной (времена реакций рекомбинации радикалов и ионов определяются десятыми долями или несколькими секундами) пробы со скоростью более километра в секунду.

Данный способ позволяет отбирать пробу из реакторов с давлением, гораздо ниже атмосферного, без использования системы вакуумирования, так как при торможении сверхзвукового потока после полного смешения пробы с гелием его давление восстанавливается. Так, при указанных вьппе параметрах потока, в пробосборнике легко достигалось давление в несколько раз более высокое, чем в реакторе.

Предлагаемый способ сравнивался с известным экспериментально, при отборе проб из реактора с тем е

3000 К, где реагировали азотная кис0 лота с Н-гексаном. В пробе, отобран ной известным способом, были обнаружены сложные нитро- и нитрозосоедине20

Формула изобретения

1. Способ отбора пробы из высокотемпературной среды, заключающийся в замораживании химических реакций в пробе путем быстрого разбавления пробы инертным газом, о т л и ч а юшийся тем, что с целью повышения соответствия состава пробы составу среды, пробу вводят и смешивают с охлажденным и инертным к закаливаемыч реакциям газом, режим течения которого поддерживают сверхзвуковым.

2. Способ по п.l, о т л и ч а ю" шийся тем, что перед введением

35 пробы в сверхзвуковой поток, статическое давление в нем доводят до получения сверхкритического перепада относительно давления в высокотемпературной среде.

3. Способ по п.l и 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что пробу вводят с критической скоростью перпендикулярно направлению потока инертного газа.

4. Способ по п.1,2,3, о т л и— ч а ю шийся тем, что в качестве инертного газа используют гелий.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Beal 1.Z. Grey 1.1., 1оигп

Amer.Roc.Soc, 23, 1953. IP 2, р.174, 2 ° Авторское свидетельство СССР, Р 424040, кл. 6 01 М 1/22, l972 (прототип).

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

ВНИИПИ Заказ 8306/55 Тираж 910 Подписное