Устройство для дисперсионного анализа эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой

 

Применение: в технике определения дисперсного состава эмульсий. Основной частью устройства является измерительный канал, в который вводят исследуемую эмульсию и через который прокачивают нагретую рабочую жидкость. Канал соединен с пьезоэлементом, электрические импульсы с которого через формирователь электрических импульсов подаются на счетчик импульсов. Устройство дополнено дозатором рабочей жидкости и трубкой-рубашкой причем трубка, предназначеннная для ввода исследуемой эмульсии в измерительный канал, помещена в трубку-рубашку, а трубка-рубашка одним концом соединена с дозатором, а другим - с измерительным каналом. 2 з.п.эф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике определения дисперсионного состава эмульсий, у которых температура кипения дисперсной фазы ниже температуры кипения дисперсионной среды, может быть использовано в химической, нефтехимической и парфюмерной промышленности, в энергетике и лабораторной технике.

Известно устройство, позволяющее в автоматическом режиме определять дисперсионный состав сред [1].

Однако оно малопригодно для анализа высоковязких, непрозрачных, загрязненных механическими примесями и малоустойчивых эмульсий.

Наиболее близким к изобретению является устройство, принцип действия которого основан на явлении перегрева и взрывного вскипания капелек дисперсной фазы эмульсии [2]. Основным элементом устройства является канал, соединенный с датчиком давления и с двумя гидравлическими системами: одной для прокачивания теплоносителя через канал, а другой для ввода исследуемой эмульсии в канал. Датчик давления соединен с блоком регистрации импульсов давления. При помощи одной из гидравлических систем нагревают теплоноситель выше температуры кипения дисперсной фазы эмульсии и прокачивают через канал. При помощи другой гидравлической системы исследуемую эмульсию вводят в канал с заданным расходом. Капельки дисперсной фазы эмульсии нагреваются в канале и вскипают, возникают импульсы давления, которые воспринимаются датчиком давления, преобразуются в электрические импульсы, а затем регистрируются блоком регистрации. По температуре теплоносителя, числу и амплитуде импульсов определяют дисперсионный состав эмульсии.

Основным недостатком устройства является ограниченная область его применения - только для исследования малоконцентрированных эмульсий. Наличие концентрационной границы связано с быстрым ростом погрешности измерений, обусловленной совпадением импульсов давления при одновременном вскипании нескольких капелек. С ростом концентрации эмульсии эта погрешность растет и наступает момент, когда погрешность становится недопустимо большой. Величина допустимой погрешности и определяет область допустимых концентраций. Для уменьшения погрешности совпадений в прототипе уменьшают расход вводимой в канал исследуемой эмульсии. В этом случае средняя частота следования электрических импульсов (частота вскипаний капелек) уменьшается, погрешность измерений снижается. Но уменьшать расход исследуемой эмульсии можно только до некоторого предела, за которым эмульсия начинает нагреваться и вскипать в подводящей трубке. В этом случае часть капелек, вскипевших в подводящей трубке, либо вообще не регистрируется, либо неправильно определяется их диаметр, что снижает точность анализа.

Целью изобретения является расширение границ измерений на область более высоких концентраций эмульсий и повышение точности измерений.

Цель достигают тем, что в устройстве, состоящем из измерительного канала с датчиком импульсного давления, гидравлических систем для прокачивания горячего теплоносителя через канал и ввода эмульсии в канал и блока регистрации импульсов давления, сделана такая конструкция ввода исследуемой эмульсии в канал, которая исключает вскипание капелек эмульсии в подводящих трубках даже при самых малых ее расходах. Для этого устройство снабжено дополнительной гидравлической системой для ввода холодного теплоносителя в канал и специальным узлом для ввода исследуемой эмульсии. Специальный узел для ввода исследуемой эмульсии в канал представляет собой рубашку, выполненную в виде трубки, один конец которой соединен с дополнительной гидравлической системой, а другой - с соответствующим (дополнительным) отверстием в канале, выходной конец подводящей эмульсию трубки помещен внутри рубашки. Устройство оказывается наиболее простым в изготовлении, когда отверстие в канале выполнено по размерам, равным внешним размерам рубашки, а рубашка выходным концом плотно вставлена в это отверстие.

Точность измерений повышается, если выходной конец подводящей эмульсию трубки установлен внутри рубашки на расстоянии l от внутренней поверхности канала, определяемом из соотношения l ≅ , где G - расход теплоносителя из дополнительной гидравлической системы через рубашку, м³с^-1; η- вязкость теплоносителя, кг˙м^-1с^-1; g - ускорение свободного падения, м˙с^-2; D - диаметр подводящей эмульсию трубки, м; d - предлагаемый максимальный диаметр капелек дисперсной фазы эмульсии, м; Δρ- разность плотностей дисперсной фазы эмульсии и теплоносителя, кг˙м^-3.

На фиг.1 схематично изображено предлагаемое устройство; на фиг.2 - узел ввода исследуемой эмульсии в канал.

Устройство содержит измерительный канал 1, выполненный из трубки диаметром 18 мм, длиной 320 мм и установленный в вертикальном положении. Верхний конец канала закрыт пробкой, а нижний перекрыт специальной заглушкой с пьезоэлементом 2. В канале имеется три отверстия - для ввода 3 и вывода 4 горячего теплоносителя и дополнительное отверстие 5 для ввода исследуемой эмульсии. Расстояние между крайними отверстиями равно 215 мм. Устройство содержит термостат 6, в котором теплоноситель нагревают до температуры предельного перегрева капелек дисперсной фазы эмульсии. Горячий теплоноситель при помощи насоса 7 прокачивается через канал 1. Величина расхода теплоносителя регулируется при помощи вентиля 8. Термостат 6, насос 7, вентиль 8 и соединительные трубки 9 и 10 в совокупности образуют гидравлическую систему для прокачивания горячего теплоносителя через канал 1 под заданным давлением. Для простоты рассмотрим случай определения дисперсионного состава эмульсии н-пентан/глицерин при атмосферном давлении. В этом случае в качестве горячего теплоносителя удобно взять чистый глицерин, нагреть его до 150^оС и прокачивать через канал с расходом G = 20 мл/с. Устройство содержит гидравлическую систему 11 для ввода исследуемой эмульсии в канал и дополнительную гидравлическую систему 12 для ввода в канал холодного теплоносителя, в качестве которого также взят глицерин. Гидравлическая система 11 состоит из воронки, соединительной трубки и трубки 13 для ввода исследуемой эмульсии в канал. Длина и диаметр соединительной трубки подбираются такими, чтобы обеспечить требуемый расход эмульсии, например, равный 0,001 мл/с (в прототипе этот расход не мог при прочих равных условиях превышать 0,005 мл/с). Дополнительная гидравлическая система 12, также состоящая из воронки и соединительной трубки, соединена с полостью рубашки 14 при помощи штуцера 16. Рубашка 14 представляет собой трубку, закрытую с одного конца пробкой 15, а другой конец трубки 14 соединен с каналом 1. Через пробку 15 коаксиально рубашке 14 вставлена трубка 13. Размеры отверстия 5 в канале 1 сделаны равными внешним размерам рубашки 14, а рубашка выходным концом плотно вставлена в это отверстие на глубину до внутренней поверхности канала. Трубка 13 (фиг.2) не доходит до внутренней поверхности канала на расстояние l = 2,5 мм. Внутренний диаметр трубки 13 равен D = 1,2 мм, толщина ее стенок 0,1 мм, внутренний диаметр рубашки 2,5 мм, толщина стенок 0,1 мм.

Обкладки пьезоэлемента 2 соединены с формирователем 17 электрических импульсов, который в данном случае состоит из усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и полупроводникового диода с RC-цепочкой. Формирователь электрических импульсов соединен с их счетчиком 18. Формирователь 17 и пьезоэлемент 2 вместе образуют датчик импульсного давления.

Работает устройство следующим образом.

Исследуемую эмульсию заливают в воронку 11, откуда она под действием силы тяжести по трубке 13 поступает в канал 1. В воронку 12 заливают холодный (имеющий комнатную температуру) теплоноситель (глицерин). Теплоноситель под действием силы тяжести через штуцер 16 и рубашку 14 поступает в канал 1, при этом он охлаждает стенки трубки 13 и экранирует горячие стенки канала 1 от соприкосновения с эмульсией, что предотвращает контакт эмульсии с горячими стенками. Горячий теплоноситель - глицерин - прокачивают насосом 7 через канал 1, скорость прокачивания регулируется вентилем 8. В канале 1 горячий теплоноситель смешивается с эмульсией и нагревает ее до температуры взрывного вскипания капелек дисперсной фазы. При вскипании каждой капельки в канале 1 возникают затухающие механические (акустические) колебания, причем чем больше диаметр вскипающей капельки, тем больше амплитуда колебаний.

Механические колебания при помощи пьезоэлемента 2 преобразуются в электрические колебания и поступают на формирователь 17 электрических импульсов. Здесь каждая серия электрических колебаний усиливается в известное число раз и преобразуется в один импульс. Полученные импульсы регистрируются счетчиком 18. Амплитуда получаемого импульса однозначно связана с диаметром вскипающей капельки. Изменяя коэффициент усиления формирователя 17 и зная уровень срабатывания счетчика 18, легко определить дисперсионный состав исследуемой эмульсии. Для этого необходимо только предварительно откалибровать устройство по эмульсии с известным дисперсионным составом.

Предлагаемое устройство позволяет исследовать эмульсии со счетными концентрациями, не менее чем в 10 раз более высокими, чем это было возможно при использовании прототипа. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет повысить точность дисперсионного анализа, так как нет преждевременного вскипания капелек дисперсной фазы, вызванного их соприкосновением с горячими стенками канала 1. Преждевременное вскипание капелек приводит к возникновению импульсов меньшей амплитуды, что ведет к ошибочной регистрации крупных капелек как капелек меньшего размера.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСПЕРСИОННОГО АНАЛИЗА ЭМУЛЬСИЙ С НИЗКОКИПЯЩЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ, содержащее канал с датчиком импульсного давления, соединенный с двумя гидравлическими системами и блоком регистрации и размещенный в рубашке с гидравлической системой, отличающееся тем, что, с целью расширения границ измерений на область более высоких концентраций, устройство дополнительно содержит рубашку и гидравлическую систему для ввода теплоносителя в канал, причем рубашка выполнена в виде трубки, один конец которой соединен с гидравлической системой, а другой - с дополнительным отверстием в канале, а выходной конец трубки, предназначенный для ввода эмульсии в канале, помещен внутри рубашки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что размеры дополнительного отверстия выполнены равными внешним размерам рубашки, а рубашка выходным концом плотно вставлена в дополнительное отверстие на глубину до внутренней поверхности канала.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, выходной конец трубки, предназначенной для ввода эмульсии в канал, установлен на расстоянии l от внутренней поверхности канала, определяемом из соотношения l ≅ , где G - расход теплоносителя через рубашку, м³ с^-1; η - вязкость теплоносителя, кг · м^-1 с^-1; g - ускорение свободного падения, м · с^-2; D - диаметр трубки для ввода эмульсии в канал, м; d - предполагаемый максимальный диаметр капелек дисперсной фазы эмульсии, м; Δ ρ - разность плотностей дисперсной фазы и теплоносителя, кг · м^-3.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2