Кривые упругости пара: Фазовые диаграммы процесса испарения

Фазовые диаграммы для кривых упругости пара

Как правило, фазовые диаграммы используются химиками в лабораторной среде, но они также весьма полезны для инженеров-механиков и руководителей предприятий, ответственных за анализ проб. Некоторые аналитические системы перед анализом жидкой пробы требуют ее перевода в газообразное состояние путем испарения. Процесс испарения является результатом взаимодействия температуры, давления и расхода, –при этом кривые упругости пара на фазовых диаграммах помогают инженерам выявить условия фазовых переходов различных веществ. Понимание взаимосвязи фазовой диаграммы и давления упругого пара играет ключевую роль.

Специалисты наших региональных центров продаж и сервисного обслуживания готовы оказать необходимую поддержку.

Контактная информация

Интерпретация и анализ кривой упругого пара

В качестве примера рассмотрим полную фазовую диаграмму гипотетической газовой смеси из 20-процентного раствора гексана в пентане (см. график упругости паров). Если условия выше точки начала кипения (синяя линия), проба будет полностью находиться в жидкой фазе. Проба должна оставаться в жидком состоянии во время попадания в испаритель. Если условия ниже точки росы (желтая линия), проба является полностью газообразной. Проба должна быть полностью газообразной в момент выхода из испарителя.

Между линиями начала кипения и точки росы располагается «запретная зона». Она обозначает диапазон кипения пробы. При этом смесь находится одновременно в двух фазовых состояниях: жидком и газообразном. При попадании пробы в запретную зону она фракционирует и становится непригодной для анализа. Задача – при испарении задать такие температуру, расход и давление, чтобы проба мгновенно перешла из жидкого состояния в парообразное, минуя запретную зону. У проб высокой степени чистоты диапазон кипения (запретная зона) практически или полностью отсутствует, линии начала кипения и точки росы просто расположены одна над другой или очень близко.

Пробы высокой степени чистоты преобразуются в пар с тем же химическим составом даже в результате кипения. Однородность некоторых проб в промышленности достаточно высока, и преобразование проходит относительно легко. Однако есть пробы с настолько широким диапазоном кипения, что их нельзя успешно испарить, так чтобы вещество сразу перешло из жидкого состояния в парообразное, минуя запретную зону. В случае с подобными пробами невозможно изменить переменные таким образом, чтобы избежать фракционирования.

На приведенном выше графике полоса между точками начала кипения и росы достаточно узка, чтобы путем создания нужных условий можно было достичь мгновенного перехода пробы из жидкого состояния в газообразное. С другой стороны, такая полоса является достаточно широкой для необходимости во внимательном отношении к процессу.

Установка параметров температуры, давления и расхода для процессов испарения

В процессе работы с образцом (20% гексана в пентане) необходимо корректно задать параметры управления температурой, давлением и расходом, с учетом кривой упругого пара, для обеспечения стабильного процесса испарения. Как правило, на входе требуется высокое давление и низкая температура. На выходе, наоборот, требуется сочетание высокой температуры и низкого давления. Существуют установленные пределы изменения данных параметров, при этом часть ограничений не подлежит контролю.

1. Расчет входного давления для испарителя

   Давление на входе является фиксированным, и оно равно технологическому, если испаритель расположен недалеко от точки отбора проб. На приведенной диаграмме оно составляет 4 бара. Повышенное давление обеспечивает возможность поддержания более высокой температуры в испарителе без кипения входящей жидкости.

2. Установка температуры на входе для полного испарения

   Данная операция преследует две цели. Во-первых, температура должна быть достаточно низкой, чтобы проба, поступающая в испаритель, была полностью жидкой. На приведенной диаграмме точка начала кипения при давлении 4 бара составляет 88˚C. Во избежание попадания в запретную зону и фракционирования следует задать в качестве температуры круглое число, достаточно далекое от 88. Пример безопасной температуры: 80˚C.

   Во-вторых, температура должна быть достаточно высокой, чтобы участвовать во мгновенном и полном испарении пробы, обеспечив на выходе испарителя только газ. В процессе испарения пробы температура падает согласно закону сохранения энергии. В начальный момент времени после испарения проба должна быть достаточно горячей, чтобы после падения давления она не попала в запретную зону. На приведенной диаграмме температура пара после падения давления составляет 60˚C. Это значение приближается к линии точки росы со стороны зоны газообразного состояния.

3. Регулирование давления на выходе для корректного испарения пробы

   Цель установки давления на выходе – снизить давление ниже линии росы. На приведенной диаграмме давление на выходе составляет 1,5 бара. Если давление на выходе будет выше, проба не испарится полностью, а фракционирует.

4. Регулирование расхода с использованием клапанов и ротаметров

   Данную операцию выполняют с помощью клапана и ротаметра после испарителя (не на самом устройстве). В пробоотборных системах высокий расход газа предпочтителен, так как позволяет быстрее доставить пробу  в анализатор. Однако высокий расход может вызывать затруднения, поскольку для испарения пробы необходимо больше тепла. Другими словами, высокий расход дает большее падение температуры в момент испарения. На следующей диаграмме фиолетовая линия обозначает снижение температуры. При повышении расхода температура резко падает.

Другой переменной, влияющей на падение температуры является способность испарителя к теплопередаче. Конструкция некоторых устройств обеспечивает более эффективную передачу тепла пробе. Во время перехода жидкой пробы в газ и снижения ее температуры, она забирает тепло у окружающей нержавеющей стали. Задача испарителя состоит в эффективном восполнении тепла и способности постоянно передавать его пробе. Чем больше тепла забирает проба, тем меньше снижается ее температура при испарении. Иногда бывает, что испаритель снаружи горячий, а внутри холодный. Данное явление связано с тем, что испаряющаяся проба забирает много тепла, при этом испаритель не успевает передавать ей достаточное количество энергии. Наилучшим решением в таком случае будет снижение расхода.

Таким образом, снижение температуры, показанное на диаграмме, определяется расходом и теплопередающей способностью испарителя. Чем выше качество испарителя и ниже расход, тем ближе к вертикали будет линия на диаграмме. К сожалению, не существует простого способа точно определить место снижения температуры на фазовой диаграмме. Указанная зависимость фазовой диаграммы от давления упругого пара не может быть получена известными программными средствами. В результате, процесс испарения носит приближенный характер. Как правило, расход должен быть как можно ниже, при этом не приводить к неприемлемой задержке движения пробы к анализатору. Лучше начать с низкого расхода и постепенно повышать его, чем начинать с высокого уровня расхода.

Для получения дополнительных рекомендаций по работе с аналитическими контрольно-измерительными и пробоотборными системами с использованием кривых упругости пара и фазовых диаграмм обратитесь в центр продаж и сервисного обслуживания Swagelok.

Контактная информация