CS225095B1

CS225095B1 - Způsob stanovení difuse plynů v porésních látkách a zařízeni k provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CS225095B1
Application number: CS348181A
Authority: CS
Inventors: Petr Ing Drsc Schneider; Josef Ing Valus
Original assignee: Petr Ing Drsc Schneider; Josef Ing Valus
Priority date: 1981-05-12
Filing date: 1981-05-12
Publication date: 1984-02-13

Description

Vynález se týká stanovení difuse plynů v porésních látkách a zařízení k provádění tohoto způsobu.

V mnoha technicky významných procesech dochází k interakci tekutin s tuhými porésními látkami. Rychlost transportu tekutin v porésním prostředí pak ovlivňuje celkovou rychlost procesu a v mezním případě může tuto rychlost přímo určovat. Jako příklady lze uvést reakce katalysované tuhými porésními katalysátory, adsorpci na porésních adsorbentech, reakce tekutin s tuhými póre sními látkami aj.

Nejvýznamnějším mechanismem transportu tekutin v porésních látkách je diíuse, jejíž hnací silou je rozdíl složeni. Je proto žádoucí mít k disposici způsoby, kterými lze tento difusní transport měřit za jednoduchých podmínek a tak získávat údaje potřebné pro sestavení modelu porésní struktury, který pak může sloužit k předpovědi transportního chování za jiných podmínek.

Existující způsoby, které obvykle vycházejí z měření difuse v binárních směsích plynů, lze rozdělit podle toho, jaké informace poskytují. Metody prvé skupiny, např. neustálená chromatografická metoda, dovolují určit tzv. efektivní difusní koeficienty (např. AICHE J. 14, 762 (1968)). Metody druhé skupiny poskytují údaje o hustotách difusních toků. Do této skupiny patří velmi rozšířená Wickeho a Kallenbachova technika měřeni ustálené protiproudé difuse dvou plynů (např. Kolloid. Z. 97, 135 (1941)). Její výhodou je, že vedle údajů o hustotách difusních toků obou plynů porésní tabletou či tabletami, poskytuje i údaje o složení plynných proudů u čel tablet. Nevýhodou je, že je Zapotřebí regulovat průtoky obou plynných proudů omývajících čela tablet a současně udržovat stejný tlak v prostorecn, oddělenych tabletami, neboň velmi malý rozdíl tlaku může způsobit

225 095 vznik dodatečného, nedifušního toku, případně velikostí srovnatelného β difusním. Při určováni hustot difusních toků se vychází z bilance difusní cely a je proto nutno znát průtoky obou plynných proudů, současně s jejich složením, které se obvykle stanoví pomocí kontinuálních analyzátorů, např. tepelně-vodivostních detektorů, umístěných na výstupu z obou částí cely.

Předložený vynález spočívá v nově pseudostacionární difUsni metodě, která umožňuje měření za atmosférického tlaku a nevyžaduje přesnou regulaci a měřeni průtoků, ani analýzu plynných proudů, a ve které tlak po obou stranách tablety je stejný. Metoda využívá platnosti Grahamova zákona, podle kterého je poměr hustot difusních toků (N^, Ng) dvou plynů neadsorbujícich se v porésní látce (A, B) a difundujících proti sobě, roven

(1) kde a Mg jsou molekulové hmotnosti plynů A a B, znaménko minus v rovnici (1) je důsledkem toho, že při protiproudé difusi je jeden difusní tok brán jako kladný a druhý jako záporný·

Tento zákon byl objeven Grahamem v roce 1832 (Phil· Mag· 2, 175, 269, 357 (1833)), znovu objeven Hoogschagenem téměř před 20 lety (J. Chem. Phys. 21, 2096 (1955)» Ind. Eng. Chem· 47, 906 (1955)) a od té doby mnohokrát experimentálně potvrzen. Rovněž všechny modernější vztahy, popisující difusi plynů v kapilárách a porésních látkách tento vztah implicitně zahrnují.

Z rovnice (1) vyplývá, že celková hustota difusního toku (N = N_a + N_b)

- ¹ - <V^MB^)1/2 (2) je nenulová, pokud molekulové hmotnosti složek A a B nejsou stejné· Registruje-li se při isobarické protiproudé difusi změna objemu plynu po jedné straně tablety, lze s pomocí rovnic (1) a (2) uvedených výše určit hustoty difusních toků obou složek a Ng·

Podstatou vynálezu je tedy způsob stanovení difuse plynů v porésních látkách v difusní cele rozdělené na dvě komory propojené alespoň zčásti porésní látkou, při němž se první komora po celou dobu měření a ustalováni proplachuje jedním plynem a druhá komora se proplachuje druhým plynem až do okamžiku započe- 5 225 095 tí měření po uzavření přívodu a odvodu druhého plynu, načež se sleduje změna objemu plynu v druhé komoře vyvolaná nestejnou rycnlostí protiproudé difuse obou plynů porésní látkou. Popsaný způsob stanovení difuse plynu v porésních látkách se provádí v zařízení, tvořeném difusní celou opatřenou vstupy a výstupy plynu a příp. mechanickými míchadly, kde difusní cela je rozdělena nepropustnou přepážkou, v níž jsou v otvorecn upevněny tablety porésní látny, na dvě části komory I, II, z nichž k jedné komoře je připojena trubice, např. skleněná kalibrovaná trubice, s filmem kapaliny zasahujícím přes celý její průřez a ke spodnímu konci trubice je připojeno jakékoli známé zařízení pro vytvoření filmu kapaliny, např· pryžový balónek s filmotvornou kapalinou a vývod.

V difusní cele musí být zaručeno odstranění významných koncentračních rozdílů v laminárních vrstvách u čel tablet. Ze srov nání výsledků, získaných v celách opatřených účinnými míchadly a v celách bez míchadel vyplývá, že při použití plynu s vyšší molekulovou hmotností v horní části cely I se tyto koncentrační rozdíly nevytvářejí} hustotní rozdíly a vstupní proudy plynů postačují k dobrému promíchávání obsahů obou částí cely a odsfrra něr..í laminárních filmů.

Při proplach ování je výhodné volit tak vysoké průtokové rychlosti plynů A a B (F_A, F_fi), aby bylo možno s dostatečnou přesností považovat plyn v části I za čistý plyn B a plyn v části II za čistý plyn A. Minimální potřebné objemové průtoky lze odhadnout ze vztahů

Amin - (100/q) v_o (1 ^(PB>min = ClOO/q)V₀/^_A ·

které platí pro povolenou q procentní chybu, V_Q je rychlost změny objemu plynu A, extrapolovaná k počátku měření, význam qQ _aplyne z rovnice (2). . .

Tlakový rozdíl potřebný pro pohyb mýdlového filmu v byretě činí okolo 2 Pa.

Vzhledem k tomu, že difusní cela umožňuje měření pouze při atmosférickém tlaku, je výhodné použít k charakterisaci difusního transportu v porésní látce více plynných párů A-B. Je výhodné pracovat s páry í^-^, í^-Ar, He-N^, He-Ar, kde není nebezpečí povrchové difuse adsorbovaných plynů.

225 095

Zařízení umožňující stanovení celkové hustoty difusních toků porésními tabletami při atmosferickém tlaku (difusní cela) je scnematicky znázorněno na obrázku. Difusní cela se skládá ze dvou částí I, II (případně opatřených míchadly 10, 10a). oddělených nepropustnou přepážkou 1 s otvory 2, ve kterých jsou upevněny tablety porésní látky 2 tak, aby komunikovaly s plyny v částech I a II pouze čely. K části II je připojena průhledná kalibrovaná byreta 4 s mýdlovým filmem 2 překrývajícím celý průřez byrety. Částí I cely protéká po celou dobu ustalování i mě.ření plyn B o atmosférickém tlaku takovou rychlostí, aby jeho obsah v části I byl prakticky 100 %. Před započetím měření se část II proplachuje plynem B o atmosférickém tlaku takovou rychlostí, aby jeho obsah v této části byl prakticky 100 Po dostatečném propláchnutí se započne s měřením tak, že se současně uzavře přívod 6 a vývod 2 plynu B z části II a podle rychlosti pohybu mýdlové bubliny se sleduje rychlost změny objemu plynu v této části. Je-li M , nastává zmenšení objemu plynu v části II a bublina se pohybuje směrem vzhůru; při ·<. je směr pohybu bubliny opačný. Z rychlosti změny objemu plynu v části II, extrapolované k okamžiku započetí měření, se určí celková hustota difušního toku N, přepočtením podle stavové rovnice ideálního plynu.

Umístění mýdlového filmu 2 do byrety 4 se docílí před započetím měření krátkým zavedením plynu A vstupem 8 při současném zvýšení hladiny mýdlového, tj. separativního roztoku 2 nad úroveň vstupu 8.

Volbou počtu a délek tablet a průměru byrety lze najít podmínky, kdy pohyb mýdlové bubliny v byretě lze pohodlně visuálně sledovat. Přitom možnost užití většího počtu tablet při měření je výhodná, neboř získané výsledky se blíží průměrným hodnotám a vliv tablet s odlehlými vlastnostmi se potlačuje. Válcové tablety lze upevňovat v otvorech přepážky např. lepením epoxidovou pryskyřicí. Jinou možností je vtlačit tabletu do elastické nepropustné hadičky, například ze silikonového- kaučuku a tabletu spolu s hadičkou do otvoru přepážky. Těsnost upevnění tablet lze kontrolovat použitím nepropustných například kovových tablet.

Při měření s válcovými extrudáty malých průměrů je výhodné použít nepropustnou elastickou přepážku s otvory, do kterých se extrudáty vtlačí; přečnívající části se odříznou.

- 5 Příklad provedení 225 095

V aparatuře schematicky znázorněné na obrázku s objemem části II okolo 250 cm^ a části £ okolo 20 cm^ byla použita skle něná kalibrovaná byreta o objemu 10 cm^. v kovové kruhové přepážce o průměru 8 cm, tloušťce 0,75 cm, byly ve dvanácti válcových otvorech o průměru 1 cm umístěny válcové tablety kobaltmolybdenového katalysátoru, průměr x délka: 0,75 cm x 0,75 cm.

K upevnění tablet byly použity hadičky ze silikonového kaučuku.

«

Při použití dusíku v části I a vodíku v části II se pracovalo s následujícími objemovými průtoky: vodík 5 cm^/s, dusík I3 cm^ /s. Závislost zmenšení objemu plynu v části II na čase po započetí měření byla nejméně do dvou minut lineární a z její směrnice byla pro rychlost zmenšení objemu plynu v části II získána hodnota 0,070 cm^/s. Z opakovaných měření byla odhadnuta relativní směrodatná chyba měření jako 1 %· Pro čtyři páry plynů A-E byly určeny následující hodnoty celkových hustou difusních toků (N) a hustot difusních toků plynu A (N^)·

Plynný pár^a A-B	N (^mol/cm^g) ^b	ⁿa
h₂-n₂	0,527	0,720
h₂-at	0,597	0,819
Η_β-Η₂	0,333	0,718
He-Ar	0,387	0,748

^aPlyn A v části plyn B v částil_ ^Hustoty difusních toků jsou vztaženy na jednotku průřezu tablety kolmého k její válcové ose

Claims

1. Způgob stanovení difuse plynu v porésních látkách v difusnx cele rozdělené na dvě komory propojené alespoň zčásti porésní látkou, vyznačený tím, že první komora se po celou dobu měření a ustalování proplačhuje jedním plynem a druhá komora se proplachuje druhým plynem až do okamžiku započetí měření po uzavření přívodu a odvodu druhého plynu, načež se sleduje změna objemu plynu v druhé komoře vyvolaná rozdílnou rychlostí protiproudé difuse obou plynů porésní látzou.

2. Zařízení pro provádění způsobu podle bodu 1, tvořené difusní celou opatřenou vstupy a výstupy plynu a příp. mechanickými míchadly, vyznačené tím, že difusní cela je rozdělena nepropustnou přepážkou (1), v níž jsou v otvorech (2) upevněny tablety porésní látky (3), na dvě části (I, II) komory, z nichž k jedné části (II) komory je připojena trubice (4), například skleněná kalibrovaná trubice, s filmem kapaliny (5) zasahujícím přes celý její průřez a ke spodnímu konci trubice (4) je připojeno zařízení pro vytvoření filmu kapaliny, například pryžový balónek (9) s filmotvornou kapalinou a vývod (8).