Een fasediagram gebruiken voor dampdrukcurven

Een fasediagram gebruiken voor dampdrukcurven

Karim Mahraz, productmanager bij Swagelok, analytische instrumenten

Hoewel fasediagrammen voornamelijk worden gebruikt door chemici in laboratoriumomgevingen, kunnen deze tools verbazingwekkend nuttig zijn voor werktuigbouwkundigen en fabrieksmanagers die belast zijn met monsteranalyse. In sommige analytische systemen moet een vloeibaar monster door verdamping in gas worden omgezet voordat het kan worden geanalyseerd. Verdamping is in wezen een evenwichtsoefening tussen temperatuur-, druk- en stroomvariabelen - en de dampdrukcurves van een fasediagram stellen ingenieurs in staat om faseveranderingen voor verschillende materialen en chemische verbindingen te identificeren.

Zoals u verder leest, wordt een hypothetisch gasmengsel van 20% hexaan in pentaan toegepast als een volledig fasediagram (zie onderstaand schema). Wanneer het monster zich boven het bubbelpunt (blauwe lijn) bevindt, bevindt het zich volledig in de vloeibare fase. Een monster moet in vloeibare toestand blijven als het de verdamper binnenkomt. Wanneer een monster zich onder het dauwpunt (gouden lijn) bevindt, is het allemaal damp. Het monster moet helemaal damp zijn wanneer het de verdamper verlaat.

Tussen de bubbelpunt- en dauwpuntlijnen bevindt zich de "no-go-zone". Deze zone vertegenwoordigt het kooktraject van het monster. Hier is het mengsel in twee fasen:deels vloeibaar en deels damp. Zodra een monster in de no-go-zone valt, wordt het gefractioneerd en niet langer geschikt voor analyse. Het doel van verdamping is om de temperatuur, stroom en druk zo in te stellen dat het monster direct van de vloeistofzijde van de no-go-zone naar de dampzijde springt. Met pure en bijna pure monsters is er weinig tot geen kookbereik of no-go-zone. De bubbelpunt- en dauwpuntlijnen liggen gewoon op elkaar of bijna.

Zuivere en bijna zuivere monsters worden omgezet in damp van dezelfde samenstelling, hetzij door verdamping of verdamping. Sommige industriële monsters benaderen dit niveau van zuiverheid en kunnen vrij gemakkelijk worden omgezet. Aan de andere kant hebben sommige monsters zo'n breed kookbereik of no-go-zone dat ze niet met succes kunnen worden verdampt. Dergelijke monsters kunnen op geen enkele manier overslaan van de vloeistofzijde van de no-go-zone naar de dampzijde. In dit geval kunnen variabelen niet worden gemanipuleerd om fractionering te voorkomen.

In het bovenstaande diagram is de band tussen het bubbelpunt en het dauwpunt smal genoeg om met de juiste instellingen het monster effectief van de vloeistofzijde van de no-go-zone naar de dampzijde te kunnen springen. Tegelijkertijd is de band in het diagram breed genoeg om onvoorzichtig te zijn.

Temperatuur, druk en stroom instellen

Door te blijven werken met het monster in het diagram (20 procent hexaan in pentaan), moeten de ingangen vakkundig worden ingesteld om een ​​succesvolle verdamping te garanderen. Over het algemeen zijn hoge druk en lage temperatuur nodig bij de inlaat. Omgekeerd is bij de uitlaat hoge temperatuur en lage druk noodzakelijk. Er zijn grenzen aan hoe hoog en laag deze parameters kunnen zijn, en niet elke beperking kan worden gecontroleerd.

1. Bepaal de inlaatdruk bij uw verdamper

De inlaatdruk, die vast staat, is de procesdruk, op voorwaarde dat de verdamper zich in de buurt van de monsterkraan bevindt. In het voorbeelddiagram is die druk 4 bar. Hogere druk is beter omdat de verdamper de temperatuur hoger kan houden zonder de binnenkomende vloeistof te koken.

2. Stel de inlaattemperatuur in

Bij het instellen van de inlaattemperatuur zijn er twee doelen. Ten eerste moet de temperatuur laag genoeg zijn dat wanneer het monster de verdamper binnenkomt, het volledig vloeibaar is. In het voorbeelddiagram is het borrelpunt bij 4 bar 88°C. Om fractionering te voorkomen, is het het beste om een ​​rond getal te kiezen dat ver genoeg verwijderd is van 88°C om de no-go-zone te vermijden. Een veilige voorbeeldtemperatuur zou 80°C kunnen zijn.

Het tweede doel is om de temperatuur hoog genoeg te houden om bij te dragen aan het volledig flitsen van het monster, zodat alleen damp de verdamper verlaat. Bij het verdampen van een monster daalt de temperatuur in overeenstemming met de wetten van energiebesparing. De monstertemperatuur moet in het begin hoog genoeg zijn, zodat het monster na de drukval niet in de no-go-zone valt. In het voorbeelddiagram is de damptemperatuur na de drukval 60°C - net aan de dampzijde van de dauwpuntlijn.

3. Stel de uitlaatdruk in

Bij het instellen van de uitlaatdruk is het doel om de druk onder de dauwpuntlijn te laten dalen. In het voorbeelddiagram is de uitlaatdruk ingesteld op 1,5 bar. Als de uitlaatdruk hoger zou zijn, zou het monster niet volledig verdampen en zou het fractioneren.

4. Stel de stroom in

De stroom wordt stroomafwaarts ingesteld bij een klep en rotameter, niet bij de verdamper. In een bemonsteringssysteem is een hoge dampstroom wenselijk omdat het monster hierdoor sneller naar de analysator wordt geleid. Een hoge stroom kan echter problematisch zijn omdat er meer warmte nodig is om het monster te verdampen. Met andere woorden, een hoge stroom resulteert in een grotere temperatuurdaling op het moment van verdamping. In het voorbeelddiagram illustreert de paarse lijn de temperatuurdaling. Naarmate de stroom toeneemt, daalt de temperatuur sterk.

Een andere variabele die de temperatuurdaling beïnvloedt, is het warmteoverdrachtsvermogen van de verdamper. Sommige verdampers zijn zo geconstrueerd dat de warmte efficiënter naar het monster wordt overgebracht. Wanneer het vloeibare monster wordt omgezet in een damp en de temperatuur daalt, onttrekt het warmte aan het omringende roestvrij staal. De cruciale vraag is hoe efficiënt de verdamper de warmte kan vervangen en naar het monster kan laten stromen. Hoe meer warmte het monster kan trekken, hoe minder de temperatuur daalt tijdens de verdamping. In sommige gevallen is het mogelijk dat de verdamper aan de buitenkant heet aanvoelt, maar van binnen koud is. Dat komt omdat het verdampte monster veel warmte trekt en de verdamper niet genoeg energie kan overbrengen om bij te blijven. De beste oplossing is om de stroom te verminderen.

Kortom, de in het diagram gevisualiseerde gematigde daling is een product van de stroomsnelheid en het warmteoverdrachtsvermogen van de verdamper. Met een goede verdamper en een laag debiet zal de lijn in het diagram meer verticaal worden. Helaas is er geen gemakkelijke manier om de exacte locatie van de temperatuurdaling binnen een fasediagram te berekenen, en het kan niet worden gegenereerd door een bekend softwareprogramma. Dientengevolge omvat verdamping enige benadering. Houd als vuistregel het debiet zo laag mogelijk zonder een onaanvaardbare vertraging in de reistijd van het monster naar de analysator te veroorzaken. Het is beter om te beginnen met een laag debiet en te experimenteren door dit te verhogen dan om te beginnen met een aanvankelijk hoger debiet.

Neem contact op met uw plaatselijke Swagelok-verkoop- en servicecentrum voor extra hulp bij de beste werkwijzen voor analytische instrumenten en bemonsteringssysteem met gebruikmaking van dampdrukcurven in fasediagrammen.