RO117650B1

RO117650B1 - Metodă şi instalaţie pentru determinarea coeficienţilor efectivi de difuziune a gazelor în medii poroase

Info

Publication number: RO117650B1
Application number: RO95-00894A
Authority: RO
Inventors: Radu Tudose; Viorica Nicu
Original assignee: Universitatea Tehnică "Gheorghe Asachi" Din Iaşi
Priority date: 1995-05-12
Filing date: 1995-05-12
Publication date: 2002-05-30

Abstract

Invenţia se referă la o metodă şi o instalaţie pentru determinarea coeficienţilor de difuzie a gazelor în medii poroase, pe baza legii lui Fick. Un reactant solid B, depus pe pereţii unui tub capilar (11) sau pe suprafaţa unor granule inerte, se aduce în contact cu o fază gazoasă care conţine un reactant gazos A. Reactantul gazos difuzează spre interior, reacţionând cu reactantul solid. În final, se determină fizic deplasarea suprafeţei de reacţie în interiorul stratului poros.

Description

RO 117650 Β

Invenția se referă la o metodă și o instalație pentru determinarea coeficienților efectivi de difuzie a gazelor în medii poroase, destinate studiului evoluției proceselor de transfer solid-fluid, cu sau fără reacție chimică.

Este cunoscută metoda difuziunii staționare, utilizată pentru studiul difuziunii prin 5 solide poroase. Metoda constă în trecerea a doi curenți gazoși, de concentrații diferite, în gazul al cărui coeficient trebuie determinat, prin două compartimente, separate între ele de un mediu poros, care urmează a fi studiat.

Dezavantajul acestei metode constă atât în dificultatea realizării experimentale, cât și în faptul că nu se poate urmări dependența coeficienților de difuzie de adâncimea· de 10 difuzie.

Metoda conform invenției înlătură acest dezavantaj, prin aceea că, un reactant solid B, dizolvat în prealabil într-un solvent uzual și depus pe pereții aferenți ai unui tub capilar sau pe suprafața unor granule inerte, pentru formarea unui strat poros, după îndepărtarea solventului utilizat, se aduce în contact cu o fază gazoasă, care conține un reactant gazos 15 A și care difuzează spre interior, reacționând cu reactantul solid B, după care, în final se determină fizic deplasarea suprafeței de reacție în interiorul stratului poros.

Reactantul solid B este sulfat de cupru pentahidrat, iar reactantul gazos A este amoniac.

Instalația pentru aplicarea metodei, conform invenției, este constituită dintr-o 20 conductă constând dintr-un tub de sticlă cu un diametru de 40 mm, prevăzută cu o elice confecționată din oțel inox și acționată de un motor electric trifazic, de 0,55 kW, elice care asigură amestecarea fazei gazoase, o clapetă prin care se reglează debitul de gaz în sistem, o fiolă în care se află reactantul gazos, sub forma unei soluții, din care trece în stare de vapori, prin evaporare sau prin desorbție, în curentul de gaz care circulă prin conducta care 25 comunică, prin intermediul unor deschideri, cu niște tuburi capilare, în care este depus un reactant solid B, care urmează a fi adus în contact cu un reactant gazos A, al cărui coeficient efectiv de difuzie se determină, debitul de gaz fiind măsurat cu ajutorul unui tub Venturi și al unui manometru diferențial.

Prin aplicarea invenției, se obțin următoarele avantaje:

- metoda de determinare a coeficienților efectivi de difuzie nu este complicată și per- mite urmărirea variației acestor coeficienți în profunzimea stratului poros;

- abaterile valorilor experimentale ale coeficienților de difuzie, obținute, sunt mai mici în raport cu alte valori ale coeficienților de difuzie, care apar în cazul utilizării metodelor de determinare uzuale;

- instalația este ușor de realizat și permite obținerea parametrilor necesari pentru determinarea coeficienților de difuzie.

Se prezintă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu fig. 1...5, care reprezintă:

- fig.1, instalație pentru determinarea coeficienților efectivi de difuzie a gazelor în 40 medii poroase;

- fig.2, tub capilar;

- fig.3, diagramă în care este redată evoluția frontului de reacție δ_Γ în funcție de timp;

- fig.4, diagramă în care se prezintă valorile coeficientului de difuzie D_A;

- fig. 5, diagramă de prezentare a variației deplasării suprafeței de reacție.

Instalația realizată, conform invenției, trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

- să realizeze un circuit închis, continuu, al fazei gazoase, care să conțină gazul al cărui coeficient efectiv de difuzie urmează a fi determinat;

- debitul fazei gazoase să poată fi variat și măsurat;

- temperatura sistemului să poată fi menținută constantă și să se poată realiza diferite 50 valori ale acesteia;

RO 117650Β

- sistemul să realizeze o concentrație constantă a gazului reactant;

- concentrația gazului să poată fi măsurată;

- instalația trebuie să permită introducerea într-o formă oarecare, a unui component solid, în circuitul închis al fazei gazoase;

- concentrația componentului solid să poată fi determinată. 55 în fig.1, este prezentată instalația conform invenției, care îndeplinește condițiile impuse. Gazul parcurge un traseu printr-un tub de sticlă 1, al cărui diametru este de 40 mm. îmbinările la coturi ale tubului 1 sunt realizate cu garnituri de cauciuc. Tubul de sticlă 1 este prevăzut cu o elice 2, confecționată din UA și acționată de un motor electric trifazic (0,55kW și 2850 rot/min). Instalația este prevăzută cu o clapetă 3, de asemenea din V₂A, prin a cărei 60 manipulare se poate regla debitul gazului în sistem. Elicea 2 este atașată traseului de gaz prin îmbinări elastice. Debitul se poate măsura prin intermediul unui tub Venturi 4 și al unui manometru diferențial 5.

Temperatura se menține la nivelul dorit, folosindu-se apa de la un ultratermostat, recirculată printr-o manta de încălzire 6, restul circuitului fiind izolat termic. Valoarea tempe- 65 raturii este măsurată cu ajutorul unui termometru 7. într-o fiolă 8, se introduce reactantul A sub formă de soluție, care trece apoi în stare gazoasă, prin evaporare sau prin absorbție, în curentul de gaz recirculat. Printr-o deschidere 9, se iau probe de fază gazoasă, pentru determinarea concentrației acesteia în gazul reactant. Aducerea în contact a reactantului solid B cu reactantul gazos A se face prin niște deschideri 10, prin intermediul cărora se pot 70 introduce concomitent mai multe probe.

La baza metodei propuse pentru determinarea coeficienților efectivi de difuzie ai gazelor, se află o reacție chimică, ce se desfășoară cu viteză foarte mare, între gazul de analizat și un reactant solid. Procesului chimic are loc conform formulei generale 1.

a A(g) + B(s) - produs (1) 75 în care:

A - reactantul gazos;

B - reactantul solid.

Reactantul solid B este dizolvat într-un solvent și depus sub forma unui strat pe pereții interiori ai unui tub capilar, pe suprafața unor granule inerte prin îmbibare în cazul 80 granulelor poroase. Se îndepărtează complet solventul utilizat. Dacă desfășurarea reacției chimice o impune, proba solidă astfel obținută se umectează în prealabil într-un spațiu saturat cu vapori de apă. Mediul poros astfel pregătit se aduce în contact cu gazul reactant A, al cărui coeficient de difuzie urmează a fi determinat.

Determinarea coeficientului de difuzie se bazează pe urmărirea deplasării suprafeței 85 de reacție în interiorul stratului poros δ_Γ, în timp t, care este prezentată în diagrama din fig.5.

Pentru fiecare experiment, sunt cunoscuți următorii parametri de lucru: concentrația gazului reactant A, în faza gazoasă, concentrația reactantului solid B, dimensiunile și proprietățile mediului poros, temperatura și evoluția frontului de reacție în timp.

Fluxul de difuziune al gazului reactant A (N_A) este determinat conform legii lui Fick 90 din ecuația 2:

Ν_Α = -ϋ_ΑΔΟ_Α/ΔΙ (2) în care: $5

- D_A este coeficientul de difuzie;

- C_A este concentrația gazului reactant;

- 1 este distanța pe care are loc reacția.

RO 117650 Β în cazul unei suprafețe aflată la distanța Dl_r (Dl_r = d_r) de suprafața de acces a gazului 100 în solid, fluxul de difuzie se determină conform ecuațiilor 2' sau 3.

Ν_Α = -ϋ_ΑΔΟ_Α/ΔΙ_Γ (2¹)

N_a = n_A/A Δί (3) 105

Din ultimele două ecuații rezultă:

D_a = n_A ΔΙ/ A Δί Ac_a (4) £ 110 Relația 4 este folosită pentru calculul coeficientului efectiv de difuzie a reactantului i: gazos A unde:

- n_A, cantitatea de gaz reactant A, ce difuzează prin suprafață în intervalul de timp id Δί, se determină prin împărțirea volumului total de reactant solid B, aflat în tubul capilar de ® difuzie în “n părți egale, fiecare de dimensiunea ΔΙ. Cunoscând cantitatea totală de reactant

J 115 solid, depus în strat uniform pe materialul poros, prin împărțirea acesteia la “n”, se află cantitatea de reactant solid n_B, depusă pe porțiunea ΔΙ. Componentul gazos, ce difuzează pe lungimea ΔΙ în intervalul de timp Δί, reacționează cu solidul depus aici, conform reacției 1, astfel încât n_A = a n_B.

- Ac_a gradientul de concentrație, pe distanța ΔΙ_Γ, este Δο_Α = c_Ao - 0 = c_Ao.

120 Suprafața prin care are loc difuzia (respectiv poziția pentru care se calculează coeficientul de difuzie) este considerată la jumătatea distanței ΔΙ (fig.5). Aria acestei suprafețe A se calculează în funcție de forma geometrică a corpului poros prin care are loc difuzia, ținând cont și de grosimea stratului solid, depus uniform.

Intervalul de timp Δί este cel corespunzător valorii ΔΙ (fig.5), iar ΔΙ_Γ este poziția în care 125 se calculează coeficientul de difuzie.

Determinând coeficientul efectiv de difuzie D_A, la diverse distanțe față de curentul gazos δ_Γ, se poate trasa curba D_A = f(0_r), fig.4.

Determinarea coeficientului de difuzie, conform invenției, impune:

- găsirea unui reactant solid care să reacționeze cu gazul al cărui coeficient de difuzie 130 se determină, cu o viteză foarte mare, practic instantaneu;

- realizarea mediului poros de difuzie;

- depunerea reactanțului solid B, în strat uniform, în mediu poros;

- realizarea unui sistem gazos în care concentrația gazului reactant A să poată fi menținută constantă;

135 - urmărirea evoluției frontului de reacție în timp (de exemplu reacție care se desfășoară cu schimbare de culoare sau conductometrie, înghețarea reacției prin turnare de parafină topită, urmată de o analiză chimică pe porțiuni ale materialului solid).

Pentru determinarea coeficientului de difuzie a amoniacului, se alege, drept reactant solid, sulfatul de cupru pentahidrat, când are loc reacția:

140

CuSO₄ 5H₂O(s) + 4NH₃(g) ^Cu(NH₃)₄SO₄ H₂O(s) + 4H₂O (5)

Sulfatul tetraminocupric, care rezultă, este de culoare albastru închis, în timp ce sulfatul de cupru pentahidrat este albastru deschis, putându-se urmări astfel înaintarea 145 frontului de reacție.

Claims

RO 117650 Β Sulfatul de cupru pentahidrat, din soluția apoasă, se depune uniform pe suprafața interioară a unui tub capilar de dimensiuni cunoscute, prin uscare cu viteză redusă la etuvă. Uniformitatea depunerii s-a verificat cu ajutorul unei lupe, îndepărtând probele necorespunzătoare. După uscare, tuburile se introduc în atmosferă saturată de vapori de apă, timp de 24 h, pentru ca sulfatul de cupru anhidru să absoarbă apa necesară desfășurării reacției 5. 150 Tuburile astfel obținute se cântăresc din nou, după care se etanșează, prin intermediul unui dop perforat la racordurile 10, a!e instalației prezentate în ftg. 1. La capătul opus, tuburile sunt închise. în paralel, se lucrează și cu straturi de material inert, cu diverse granulații, pe suprafața căruia se depune reactant solid. Straturile se introduc în tuburi de sticlă care se ata- 155 șează la racordurile 10. Pentru determinarea coeficientului de difuzie a amoniacului, se utilizează un tub cu fe' un diametru de 1,5 mm și o lungime de 50 mm. Concentrația amoniacului, în curentul gazos, este cA = 4,411x10’6 mol/ml, iar concentrația reactantului solid B, este cB = 3,02x10’4mol/ml H (ml = volum tub). Evoluția în timp a reacției este redată în fig.3. 160 Cantitatea de sulfat de cupru pentahidrat, depusă pe întreg tubul, este de 0,0065 g. | Se împarte tubul în mici segmente egale (ΔΙ = 10 mm), astfel încât pe fiecare segment ΔΙ, să fie depusă a cincea parte din cantitatea totală (nB). ! Cantitatea de amoniac, care difuzează pe lungimea ΔΙ, este nA = 4nB = 2,132x105 mol. 165 Aria suprafeței de difuzie este de 1,708x10’6 m2. Gradientul de concentrație Aca = cA = 4,411 mol/m3. Datele de mai sus, înlocuite în relația (4), conduc la valorile coeficientului de difuzie prezentate în fig. 4. 170 Revendicări

1. Metodă pentru determinarea coeficienților efectivi de difuzie a gazelor în medii poroase, pe baza legii lui Fick, prin utilizarea ecuației de calcul D_A = n_A aI/A At ac_a, în care D_a reprezintă coeficientul de difuzie, n_A numărul de moli care difuzează în interiorul stratului 175 poros, A suprafața de difuzie, At intervalul de timp, aI deplasarea suprafeței de reacție în interiorul stratului poros, iar ac_a diferența de concentrație, caracterizată prin aceea că, un reactant solid B, dizolvat în prealabil într-un solvent uzual și depus pe pereții aferenți ai unui tub capilar sau pe suprafața unor granule inerte, pentru formarea unui strat poros, după îndepărtarea solventului utilizat, se aduce în contact cu o fază gazoasă care conține un 180 reactant gazos A și care difuzează spre interior, reacționând cu reactantul solid, după care, în final se determină fizic deplasarea suprafeței de reacție în interiorul stratului poros.

2. Metodă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, reactantul solid B este sulfat de cupru pentahidrat, iar reactantul gazos A este amoniac.

3. Instalație pentru aplicarea metodei de la revendicarea 1, caracterizată prin aceea 185 că este constituită dintr-o conductă (1), constând dintr-un tub de sticlă cu un diametru de 40 mm, prevăzută cu o elice (2) confecționată din oțel inox și acționată de un motor electric trifazic, de 0,55 kW, care asigură amestecarea fazei gazoase, o clapetă (3) prin care se reglează debitul de gaz în sistem, o fiolă (8) în care se află reactantul gazos sub forma unei soluții, din care trece, în stare de vapori, prin evaporare sau prin desorbție, în curentul de 190 gaz care circulă prin conducta (1), care comunică, prin intermediul unor racorduri (10), cu niște tuburi capilare (11), în care este depus un reactant solid B, care urmează a fi adus în contact cu reactantul gazos A, al cărui coeficient efectiv de difuzie se determină, debitul de gaz fiind măsurat cu ajutorul unui tub Venturi (4) și al unui manometru diferențial (5).

Prețedintele comisiei de invenție: ing. Florea Stela

Examinator: ing. Andrei Ana