CS242560B1 - Zařízení na určení sorpčních vlastností adsorbentů za nízkých teplot a vysokých tlaků - Google Patents

Abstract

Řešení se týká zařízení na určení sorpčních vlastností adsorbentů za nízkých teplot a vysokých tlaků, například pro teploty ,do -118 °C a tlaky do 5,0 MPa sestává ze zásobníku /18/ kapalného dusíku a nádoby /1/ kryostatu, uvnitř které je umístěn výměník /3/ tepla, ventilátor /4/ oběhového vzduchu, měrná cela /5/a přívodem /12/ a odvodem /13/ a odporový platinový teploměr /6/. V její dolní části je uložena topná^spirála /7/,^odporový teploměr /8/ regulátor přitápění a odporový teploměr /9/ regulátoru chlazení. Výměník /3/ tepla se solenoidovým ventilem /10/ topná spirála /7/, odporový teploměr /8/ regulátoru přitápění a odporový teploměr /9/ regulátoru chlazení jsou připojeny na měřící a regulační blok, tvořený prvním převodníkem /20/, druhým převodníkem /21/, regulátorem /23/ chlazení a regulátorem /24/ přitápění. Odporový platinový teploměr /6/ je připojen ke třetímu převodníku /22/, spojenému s bodovým zapisovačem /25/ a číslicovým milivoltmetrem /26/. Odporový platinový teploměr /6/je dále spojen se vzorkovací nádobou /14/ opatřenou odběrovým místem /15/ vzorku a spojenou s přívodem /16/ dusíku a přípojem /17/ na vývěvu, a nádoba /1/ kryostatu je opatřena víkem /2/ a přípojem /11/ na čerpací soupravu a zásobník /18/ kapalného dusíku je připojen přípojem /19/ na tlakovou láhev.

Description

Vynález ee týká zařízení na určení sorpčních vlastností adsorbentů za nízkých teplot a vysokých tlaků.

Dosud nejsou známa zařízení, které by byla laboratorně nebo průmyslově užívána k určení množství látek, které je schopen libovolný adsorbent zachytit v oblasti nízkých teplot.

proces zkapalňování vzduchu je nežádoucím směrem ovlivňován řadou látek v něm obsažených, například oxid uhličitý, oxid siřičitý, uhlovodíky Οχ až Cg a voda. Tyto látky mohou během zkapalňování vypadávat v zařízení v podobě pevné fáze nebo se mohou v něm hromadit, což může v krajním případě u uhlovodíků vést až k explozi. Proto je nezbytné nežádoucí látky ze zkapalňovaného vzduchu předem odstraňovat. Vlastní odstranění nečistot lze provádět jak na počátku procesu, tak během něho. Dnes je čištění převážně prováděno sorbcí na povrchu adsorbentů. S výhodou je k tomatu účelu využíván například silikagel.

Protože není známa sorpční kapacita adsorbentů používaných k čištění vzduchu, respektive doba a teplota nezbytná pro jejich regeneraci, je proces zkapalňování vzduchu nežádoucím směrem ovlivňován. Tím vznikají ztráty v samotné výrobě i v ekonomické oblasti. Neznalost schopnosti adsorbentů adsorbovat na svém povrchu nežádoucí látky přítomné ve vzduchu za vysokých tlaků a nízkých teplot do -170 °C, což odpovídá podmínkám provozu zařízení na zkapalňování vzduchu neumožňuje jejich vhodný výběr vhodnou reprodukovatelnost a tím i odpovídající ekonomiku procesu.

Uvedené nedostatky odstraňuje zařízení na určení sorpčních vlastností adsorbentů za nízkých teplot a vysokých tlaků, napřík'

242 560

- 2 lad pro teploty do -118 °C a tlaky do 5,0 MPa, podle vynálezu. Jeho podstata spočívá v tom, že sestává ze zásobníku kapalného dusíku a nádoby kryostatu, uvnitř které je umístěn výměník tepla, ventilátor oběhového vzduchu, měrné cela s přívodem a odvodem, odporový platinový teploměr a v jejíž dolní části je uložena topná spirála, odporový teploměr regulátoru přitápění a odporový teploměr regulátoru chlazení, přičemž výměník tepla se solenoidovým ventilem, topná spirála, odporový teploměr regulátoru přitápění a odporový teploměr regulátoru chlazení jsou připojeny na měřící blok, tvořený prvním převodníkem, druhým převodníkem, regulátorem chlazení a regulátorem přitápění a odporový platinový , teploměr je připojen ke třetímu převodníku, spojenému s bodovým zapisovačem a číslicovým milivoltmetrem a odporový platinový teploměr je spojen se vzorkovací nádobou, opatřenou odběrovým místem vzorku a spojenou s přívodem dusíku a připojen na vývěvu, a nádoba kryostatu je opatřena víkem a přípojem na čerpací soustavu a zásobník kapalného dusíku je připojen přípojem na tlakovou láhev.

Zařízením podle vynálezu je možné určovat množství látek, které je schopen libovolný adsorbent zachytit v oblasti nízkých teplot. U procesu zkapalňovéní vzduchu umožňuje tím, že známe schopnosti adsorbentů adsorbovat na sván povrchu nežádoucí látky přítimně ve vzduchu za vysokých tlaků a nízkých teplot, vhodný výběr adsorbentů, jejich vhodnou reprodukovatelnost a odpovídající ekonomiku procesu.

Vynález a jeho účinky jsou blíže vysvětleny v popisu příkladu· konkrétního provedení zařízení podle vynálezu podle přiloženého výkresu, který znázorňuje zařízení na určení sorpčních vlastností adsorbentů za nízkých teplot a vysokých tlaků podle vynálezu, a na základě praktických výsledků měření kapacity silikagelu, získaných použitím zařízení na určení sorpčních vlastností adsorbentů za nízkých teplot a vysokých tlaků podle vynálezu, popsaných v přiloženém příkladě.

Zařízení podle vynálezu sestává ze zásobníku 18 kapalného dusíku a nádoby 1 kryostatu, uvnitř které je umístěn výměník 2

- 3 242 560 tepla, ventilátor £ oběhového vzduchu, měrná cela 2 ⁸ přívodem 12 a odvodes^a odporový platinový teploměr 6. V její dolní Části je uložena topná spirála 2» odporový teploměr 8 regulátoru přitápění a odporový teploměr % regulátoru chlazení. Výměník tepla 2 ⁸⁶ solenoidovým ventilem 10, topná spirála 2» odporový teploměr 8 regulátoru přitápění a odporový teploměr 8 regulátoru chlazení jsou připojeny na měřící a regulační blok, tvořený prvním převodníkem 20, druhým převodníkem 21, regulátorem 23 chlazení a regulátorem 24 přitápění. Odporový platinový teploměr 6 je připojen ke třetímu převodníku 22, spojenému s bodovým zapisovačem 25 a číslicovým milivoltmetrem 26. Odporový platinový teploměr 6 je také spojen se vzorkovací nádobou 14, opatřenou odběrovým místem 15 vzorku a spojenou s přívodem 16 dusíku a přípojem 17 na vývěvu. Nádoba 1 kryostátu je opatřena víkem 2 a přípojem 11 na čerpací soupravu a zásobník 18 kapalného dusíku je připojen přípojem 19 na tlakovou láhev.

Základní částí aparatury je vzdušný kryostat, který je tvořen dvoupláštevou skleněnou nádobou 1 kryostatu, například tvaru válce β půlkulatým dnem o vnitřním průměru 250 mm a výšce válcovité části 350 mm. Postříbřená nádoba 1 kryostatu je umístěna například v duralovém plášti o rozměrech 500 x 500 x 800 mm. Mezi nádobou a pláštěm je vrstva polystyrénových desek, které fixují svislou polohu nádobu a zároveň plní funkci izolantu. Minimální tloušíka polystyrénové izolace je například 85 mm. V izolačních deskách i v duralovém plášti jsou zpředu a z boku vyříznuty dva kruhové otvory, které slouží pro pozorování měrné cely 2 ⁸ pro osvětlení vnitřního prostoru kryostatu. Mezipláštový prostor skleněné nádoby 1 kryostatu je připojen přípojem 11 s čerpací soupravou, která je schopna odčerpat prostor až na podtlak 10~<Pa. Nádoba kryostatu 1 je opatřena víkem 2. Bno víka 2 je tvořeno měděnou deskou, na kterou je uchycen pláěí ventilátoru £ oběhového vzduchu. Do dna víka 2 jsou vyvrtány otvory pro čtyři nosné tyče, které v prodloužení do vnitřního prostoru nádoby 1 kryostatu vytvářejí konstrukci pro montáž všech prvků aparatury, umístěných uvnitř kryostatu. Do dna vikáře dále vyříznut otvor pr^^noyo^durovou trubku, ve které je unií stěn výměník tepla 3 ya konečně kruhový otvor pro ventilátor £ oběhového vzduchu

- 4 242 560

Prostor kolem pláště ventilátoru £ oběhového vzduchu je tepelně izolován napěněným polyuretanem. Plášt ventilátoru £ oběhového vzduchu je shora kryt izolační vrstvou, tvořenou rovněž napěněným polyuretanem. Víko 2 kryostatu je připevněno na nosnou kruhovou duralovou desku, na níž se zavěšuje do kryostatu. Nosná deska je na spodní straně kryta slabou vrstvou molitanu, která brání poškození horního okraje nádoby 1 kryostatu. Víkem 2 kryostatu i nosnou deskou jsou vyvrtány otvory pro hřídel ventilátoru £ oběhového vzduchu, přívody a odvody výměníku 2 tepla a přívod 12 a odvod 13 měrné cely 2 a otvor pro vyvedení elektrických vodičů regulačního přitápění a odporového teploměru 8 regulátoru přitápění a odporového teploměru 2 regulátoru chlazení.

Na nosné desce víka 2 je v kovovém plášti upevněno ložisko hříde le ventilátoru £ oběhového vzduchu. Nosná deska je svrchu tepelně izolována vrstvou napěněného polyuretanu. Po vsazení do víka 2 nádoby 1 kryostatu je noaná deska zakryta polystyrénovou deskou a štěrbiny utěsněny skelnou vatou.

Další součástí kryostatu je chladící výměníkový systém, ve kterém je jako chladivá použito kapalného dusíku. Základním ₊ prvkem chladícího okruhu je měděný výměník 2 tepla ve tvaru trubky, na jejímž povrchu je napájena řada měděných drátků, které zvětšují výměnnou plochu. Výměník 2 tepla je zasazen do novodurové trubky, umístěné mezi dnem víka 2 kryostatu a měděnou děrovanou deskou, připevněnou na nosných tyčích dna kryostatu.

Do měrné cely 2 ^se naváží předem známým způsobem aktivovaný sorbent. Měrné cela 2 ^se propláchne suchým heliem nebo argonem pro odstranění vzdušné vlhkosti. Otevře se ventil přípoje 11 na čerpací soupravu a rotační vývěveu se evakuuje plášt kryos tátu. Nastaví se regulátor 23 chlazení a regulátor 24 přitápění na hodnotu požadované teploty měření. Uvede se do chodu ventilátor £ oběhového vzduchu. Tlakem dusíku z vnějšího zdroje se po otevření ventilu přípoje 19 na tlakovou láhev začne přivádět do výměníku 2 tepla mokrá pára chladného dusíku. Teplota v kryostatu klesá až do hodnoty nastavení na regulátoru 23 chlazení a regulátor 24 přitápění. Po dosažení měrné teploty je tato udržována automaticky. Po stabilizaci teploty měření odporovým platino- 5 242 560 vým teploměrem 2 připevněným na měrné cele 2 se zavede do cely proud plynu obsahující adsorbát o známé koncentraci. Plyn po adsorbci vystupuje z měrné cely 2 vývodem 13. V tomto plynu se zjišťuje obsah adsorbátu vhodnou metodou například infraanalyzátorem či plynovým chromatografem. Zároveň se pomocí vhodného objemového měřidla měří. Z vyhodnocených dat získaných měřením podle způsobu vynálezu se získají různé adsorpční charakteristiky, například doba do okamžiku průniku adsorbentu, charakter průnikové křivky, doba do nasyceni adsorbentu adsorbátem a tak dále.

Pro snížení tepelných ztrát do dcolí je meziplášťový prostor nádoby 1 kryostatu postříbřen a to tak, aby bylo možno okénkem ve stěně pozorovat obsah měrné cely 2» umístěné v nádobě 1 kryostatu a současně, aby bylo zajištěno dostatečné osvětlení vnitřního prostoru nádoby 1 kryostatu vnějším světelným zdrojem, umístěným z boku nádoby.

Důležitou součástí kryostatu je víko 2 jehož primární funkcí je dokonale tepelně izolovat vnitřní prostor kryostatu a jeho sekudnárním úkolem je nést různé konstrukční a funkční prvky, sloužící k ochlazení, měření a regulaci. Pomocí ventilátoru £ oběhového vzduchu je zajiétěna neustálé cirkulace chladícího vzduchu novodurovou trubkou s vloženým výměníkem do termostatového prostoru. Ventilátor £ oběhového vzduchu je poháněn elektro motorem. Vzhledem k tornu, že hřídel ventilátoru 4 oběhového vzduchu přenáší chlad z prostoru kryostatu na ložisko, které v důsledku toho zamrzá, je plášť ložiska ventilátoru 4 oběhového vzduchu opatřen elektrickým vyhříváním. Vyhřívání je realizováno keramickou objímkou, nasazenou na plášť ložiska, na kterou je navinut kantalový odporový drát. Intenzita vyhřívání je regulová ť' · v' na podle potřeby pomocí autotransformátoru. Kapalný dusík je do chladícího systému dodáván ze zásobníku 18 kapalného dusíku, ve kterém se vlastním odparem při stabilizovaném provozu vyvíjí dostatečně vysoký tlak k ternu, aby byl kapalný dusík protlačen do výměníku 2 tepla. Konstantní tlak je v zásobníku 18 kapalného dusíku udržován pomocí vodního manostatu. Odběr kapalného dusíku ze zásobníku 18 kapalného dusíku se řídí požadovanou teplotou v kryostatu a je regulován solenoidovým ventilem 10 na výstupu z výměníku 2 tepla.

242 560

Pro regulaci teploty v kryostatu je použito dvoustupňové regulace, která ovládá odděleně chlazení a přitápění. Regulace chlazení se provádí připouštěním kapalného dusíku do výměníku 2 tepla přes solenoidový ventil 10, ovládaný regulátorem podle teploty, která je snímána odporovým platinovým teploměrem 6, umístěným v proudu cirkulujícího chladícího vzduchu. Regulace přitápění, které je realizováno pomocí odporové topné spirály 2 se provádí obdobně s tím, že odporový teploměr 8 regulátoru přitápění je umístěn za topnou spirálou 2 ^ve směru proudění cirkulující atmosféry, pracovní teplota v kryostatu je snímána odporovým platinovým teploměrem 6, umístěným v blízkosti měrné cely 2· Na nosných tyčích vnitřní konstrukce kryostatu jsou dále upevněny v různé výšce tři další odporové teploměry, které umožňují sledovat teplotní gradienty uvnitř kryostatu. Pro snadnější měření a registraci teplot byly do měřících obvodů odporových teploměrů zařazeny elektrické převodníky, například první převodník 20. druhý převodník 21 a třetí převodník 22, které převádějí odporové signály na signály napěťové. Výstupní napětí z těchto převodníků, úměrná příslušným teplotám, jsou registrována číslicovým milívoltmetrem 26 a jejich časový průběh je zaznamenáván bodovým zapisovačem 25.

V daném uspořádání umožňuje kryostat dosáhnout nejnižší regulovatelné teploty 85 K, jejíž kolísání nepřesahuje 0,1 K. Maximální rychlost chlazení je 2,8 °C/min, vychlazení kryostatu z laboratorní teploty na teplotu -170 °C trvá 85 až 90 minut, ustálení teploty při změně nastavení z -170 na -180 °C proběhne během deseti minut.

Měrná cela 2> kde je umísťován adsorbent je opatřena přívodem 12 a odvodem 12 zkoumané směsi. Na dno měrné cely 2 je zavedena kapilára, která slouží k odsátí vzorku, nebo kapalné fázé vznikající při měření. Všechny tří přívody měrné cely 2 jsou opatřeny uzavíracími kohouty. Odsávání je napojeno na vzorkovací větev, která se skládá ze vzorkovací nádoby 14 a z odběrového místa 15, odkud je pomocí injekční stříkačky odebírán vzorek analyzovaného media. Vzorkovací nádoba 14 slouží po evakuaci pomocí vývěvy jako zásobník vakua, potřebného k odsátí vzorku z měrné cely 5·

- 7 242 560

Analýza vzorků lze provádět řadou způsobů s výhodou za použití plynového chromátografu. Vzhledem k tomu, že vzorky mohou obsahovat velmi nízké koncentrace oxidu uhličitého, které není možno stanovit s dostatečnou přesností na běžném typu tepelně vodivoatního detektoru plynového chromatografu, je výhodně používána specielní metodika analýzy, která umožňuje stanovit i desetitisíciny procenta oxidu uhličitého ve vzorku, princip této metody spočívá v tom, že zkoumaný vzorek je po rozdělení na vhodné chromatografické koloně veden přes specielní hydrogenační katalyzátor, na kterém dochází působením vodíku použitého jako nosný plyn, k hydrogenaci ve vzorku přítomného oxidu uhličitého na metan, který je pak stanoven s velkou citlivostí plamenoionizačnim detektorem plynového chromatografu.

V praxi byla změřena adsorpční kapacita silikagelu vůči oxidu uhličitému při teplotě -120 °C. Podmínky měření byly následující: množství silikagelu 20 ml /14,6 g/ Koncentrace oxidu uhličitého v dusíku 0,12 % obj. teplota měření -120 °C, tlak 0,1 MPa, objemový průtok 550 ml/min. Doba do průniku C©2 9,4 hod. Z naměřených údajů plyne, že kapacita silikagelu za daných podmínek do okamžiku průniku je 15,8 ml/g.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   242 560

   Zařízení na určení sorpčnich vlastností adsorbentů za nízkých teplot a vysokých tlaků, například pro teploty do -118 °C a tlaky do 5,0 MPa vyznačující se tím, že sestává ze zásobníku /18/ kapalného dusíku a nádoby /1/ kryostatu, uvnitř které je umístěn výměník /5/ tepla, ventilátor /4/ oběhového vzduchu, měrná cela /5/ a přívodem /12/ a odvodem /15/, odporový platinový teploměr /6/ a v jejíž dolní části je uložena topná spirála /7/, odporový teploměr /8/ regulátoru přitápění a odporový teploměr /9/ regulátoru chlazení , přičemž výměník /5/ tepla se solenoidovým ventilem /1Ω/ topná spirála /7/, odporový teploměr /8/ regulátoru přitápění a odporový teploměr /9/ regulátoru chla zení jsou připojeny na měřící a regulační blok, tvořený prvním převodníkem /20/, druhým převodníkem /21/, regulátorem /25/ chlazení a regulátorem /24/ přitápění, a odporový platinový teploměr /6/ je připojen ke třetímu převodníku /22/, spojenému s bodovým zapisovačem /25/ a číslicovým milivoltmetrem /26/ a odporový platinový teploměr /6/ je spojen se vzorkovací nádobou /14/, opatřenou odběrovým místem /15/ vzorku spojenou s přívodem /16/ dusíku a přípojem /17/ na vývěvu, a nádoba /1/ kryostatu je opatřena víkem /2/ a přípojem /11/ na Čerpací soupravu a zásobník /18/ kapalného dusíku je připojen přípojem /19/ na tlakovou láhev.