УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННОГО ПАРА ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ

Изобретение относится к технике измерения давления пара и может быть использовано для определения давлений насыщенного пара летучих веществ.
В настоящее время наиболее надежные результаты измерения давления насыщенного пара летучих веществ в широком интервале температур дают устройства, включающие чувствительные весы, сосуд из кварцевого стекла заданного объема и нагревательную камеру. В этих устройствах с помощью весов определяют массу пара вещества, находящегося в изолированном объеме сосуда при заданной температуре. По величине массы пара рассчитывают давление насыщенного пара вещества. Однако экспериментально определяемая величина массы пара не соответствует действительной величине изменения момента сил на плечах коромысла весов, вследствие термического расширения деталей, находящихся в нагревательной камере, и испарения веществ, адсорбированных на их поверхности. Поэтому величина давления насыщенного пара исследуемого вещества, определяемая с помощью известных устройств, несет в себе погрешности, вносимые термическим расширением деталей, находящихся в нагревательной камере, и посторонними веществами, адсорбированными на их поверхности. Для удаления адсорбированных примесей сосуды перед заполнением исследуемыми веществами подвергают тщательной химической обработке, а после заполнения удаляют газы нагреванием при вакуумировании. Однако для летучих веществ эти методы очистки сосуда неприменимы.
Известно устройство для определения давления насыщенного пара, [Новиков Г.И., Щукарев С.А. Весовой метод измерения упругости насыщенного пара. Уч. Записки ЛГУ. Сер. Хим. Наук. 1953. Т.12. С.37-40].
Устройство содержит весы, нагревательную камеру с размещенной в ней призмой, и сосуд из кварцевого стекла. Сосуд с помощью держателя расположен на призме в нагревательной камере таким образом, что плечи и объемы сосуда в оба конца от точки опоры равны. Рычаг весов с помощью нити из кварцевого стекла соединен с держателем сосуда.
Устройство позволяет исключить погрешности, вносимые массой пара адсорбированных на стенках сосуда веществ и тепловым расширением сосуда. Недостатком данного устройства является несоответствие определяемой величины массы пара вследствие изменения момента сил на коромысле весов, вызванного термическим расширением нити из кварцевого стекла, держателя, призмы и нагревательной камеры, а также адсорбированием на нити посторонних веществ. Недостатком также является невозможность использования призмы и нити из кварцевого стекла при температурах выше 800°С, что существенно уменьшает температурный интервал измерения.
Наиболее близким техническим решением? Выбранным за прототип, является устройство для определения давления насыщенного пара [Демидов А.И., Ананичев В.А., Дунаев А.А., Морачевский А.Г. Установка для определения давления насыщенного пара. Журнал прикладной химии. Т.67. В.7. 1994. С.1215-1217]. Устройство содержит весы, нагревательную камеру, сосуд из кварцевого стекла с отростком. Сосуд закреплен на коромысле весов с помощью держателя над одним плечом коромысла. Стрелка весов снабжена противовесом. Сосуд помещен в нагревательную камеру.
Устройство лишено такого недостатка, как низкий температурный предел измерений. Вынесение призмы за пределы нагревательной камеры в данном устройстве существенно расширяет температурный интервал измерений. Недостатком данного устройства являются погрешности, вносимые массой пара адсорбированных на стенке сосуда веществ, и тепловым расширением сосуда. Вносимая погрешность приводит к
искажению получаемого при конкретной температуре значения массы, а, следовательно, давления насыщенного пара.
Задачей является повышение точности измерения за счет исключения погрешностей, вносимых массой пара адсорбированных на внутренней поверхности сосуда веществ и тепловым расширением сосуда и расширение температурного интервала измерений.
Предложено устройство, содержащее весы, нагревательную камеру, сосуд из кварцевого стекла с отростком, держатель и термопару. Сосуд разделен жесткой перегородкой на две равные емкости, и закреплен на коромысле весов, причем плечи емкостей в обе стороны от точки опоры коромысла равны.
При нагреве сосуда адсорбированные на его стенках вещества начинают испаряться. Разделение сосуда жесткой перегородкой на две равные емкости, в каждой из которых присутствуют адсорбированные на стенках сосуда вещества, приводит к тому, что масса пара адсорбированных веществ в обеих емкостях одинакова. При нагреве сосуда жесткая перегородка обеспечивает сохранение объемов емкостей.
Закрепление сосуда на коромысле весов таким образом, что плечи емкостей в обе стороны от точки опоры коромысла равны, приводит к тому, что момент сил при тепловом расширении сосуда остается постоянным.
Жесткая перегородка и способ закрепления сосуда на коромысле весов приводят к тому, что момент сил при испарении адсорбированных веществ в обеих емкостях остается постоянным.
Таким образом, устройство позволяет измерять непосредственно массу пара исследуемого вещества при конкретной температуре.
Устройство содержит весы 1, кварцевый сосуд 2 с отростком 3, разделенный жесткой перегородкой 4 на две равные емкости, держатель сосуда 5, нагревательную камеру 6 с металлическим блоком для равномерного распределения температуры по длине сосуда, термопару для измерения температуры 7. Для настройки весов на необходимую
чувствительность на стрелке весов 8 установлен подвижный противовес 9 (фиг.1).
Устройство работает следующим образом:
Исследуемое вещество размещают в одной части отростка в одну из емкостей сосуда. Обе емкости вакуумируют и герметизируют, обеспечивая равенство их объемов. Сосуд с исследуемым веществом закрепляют на коромысле весов с помощью держателя так, чтобы исследуемое вещество располагалось над точкой опоры коромысла, а плечи емкостей в обе стороны от точки опоры коромысла были равны. Затем сосуд нагревают, вещество испаряется в замкнутом объеме, и с помощью весов определяют массу пара при конкретных температурах. Давление насыщенного пара рассчитывают по уравнению Клапейрона-Менделеева:
здесь m - измеряемая масса пара, г,
М - молярная масса вещества в паре, г/моль,
3
R=0.082 атм•дм/К,
3
V - объем емкости, дм,
Т - температура измерений, К.
изв.
изм.
изв.
изм.
γ - постоянная сосуда, равная Р/Р (Р - значение давление насыщенного пара вещества, выбранное в качестве эталона; Р - давление насыщенного пара вещества, определенное на предложенной установке).
Примеры:
Для определения давления насыщенного пара селена в одной части отростка в одну из емкостей сосуда размещали произвольную навеску селена, сосуд вакуумировали, герметизировали и закрепляли на коромысле весов с помощью держателя. Сосуд нагревали, селен испарялся в замкнутом объеме. С помощью весов определяли массу пара селена при конкретных температурах. По полученным данным далее рассчитывали давление насыщенного пара селена по уравнению Клапейрона-Менделеева (табл.1).
Таблица 1
m пара, г
Т, К
Р, мм рт ст
0,000346
700
9,6
0,002304
800
73
0,01049
900
374
0,030697
1000
1216
0,083465
1100
3637
На фиг.2 приведены температурные зависимости давления насыщенного пара селена, определенные с помощью предлагаемого устройства (10) и прототипа (11).
Использование предлагаемого устройства обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:
Повышает точность измерения за счет исключения:
- погрешности в определении массы пара, вносимой массой пара адсорбированных на внутренней поверхности сосуда веществ.
- погрешности в определении массы пара, вносимой тепловым расширением сосуда.
Позволяет расширить температурный интервал измерений от комнатной температуры до температуры стеклования кварцевого стекла при определении массы пара за счет исключения вышеуказанных погрешностей.
Позволяет определить давление насыщенного пара над расплавами летучих веществ.