蒸気圧曲線にフェーズ ダイアグラムを使用する

蒸気圧曲線にフェーズ ダイアグラムを使用する

Karim Mahraz、Swagelok プロダクト マネージャー、分析機器

相図は主に実験室環境の化学者によって使用されますが、これらのツールは、サンプル分析を担当する機械エンジニアや工場管理者にとって驚くほど便利です。一部の分析システムでは、液体サンプルを分析する前に気化によって気体に変換する必要があります。気化は基本的に、温度、圧力、および流量変数間のバランスをとる行為です。相図の蒸気圧曲線により、エンジニアは、異なる材料および化学化合物の相変化を特定できます。

読み進めていくと、ペンタン中の 20% ヘキサンの仮想ガス混合物が完全な状態図として適用されます (下の図を参照)。サンプルがバブル ポイント (青い線) を超えると、サンプルは完全に液相になります。サンプルは、気化器に入るときに液体状態を維持する必要があります。サンプルが露点 (ゴールド ライン) を下回ると、すべてが蒸気になります。サンプルが気化器を出るとき、サンプルはすべて蒸気でなければなりません。

泡立ち点と露点線の間には「立ち入り禁止ゾーン」があります。このゾーンは、サンプルの沸点範囲を表します。ここでは、混合物は 2 つの相にあります:部分は液体で、部分は蒸気です。サンプルが立ち入り禁止ゾーンに入ると、分画されて分析に適さなくなります。気化の目的は、サンプルが立ち入り禁止ゾーンの液体側から蒸気側に瞬時にスキップするように、温度、流量、および圧力を設定することです。純粋またはほぼ純粋なサンプルでは、​​沸点範囲または立ち入り禁止ゾーンはほとんどまたはまったくありません。泡立ち点と露点の線は、単に重なり合っているか、ほぼ重なり合っています。

純粋なサンプルとほぼ純粋なサンプルは、蒸発または気化によって同じ組成の蒸気に変換されます。一部の工業用サンプルは、このレベルの純度に近づき、かなり簡単に変換されます。一方で、一部のサンプルは沸点範囲が非常に広いため、うまく気化することができません。このようなサンプルが立ち入り禁止ゾーンの液体側から蒸気側にスキップする方法はありません。この場合、分割を避けるために変数を操作することはできません。

上の図では、泡立ち点と露点の間の帯域が十分に狭いため、適切な設定があれば、サンプルは立ち入り禁止ゾーンの液体側から蒸気側に効果的にスキップできます。同時に、図の帯域は十分に広く、油断はできません。

温度、圧力、流量の設定

図のサンプル (ペンタン中の 20% ヘキサン) の作業を続けると、気化を確実に成功させるために入力を巧みに設定する必要があります。一般に、入口には高圧と低温が必要です。逆に、出口では高温低圧が必要です。これらのパラメータの高低には制限があり、すべての制約を制御できるわけではありません。

1.気化器の入口圧力を決定する

気化器がサンプル タップの近くにある場合は、固定された入口圧力がプロセス圧力になります。例の図では、その圧力は 4 bar です。入ってくる液体を沸騰させずに気化器が温度を高く保つことができるため、圧力が高いほど優れています。

2.入口温度の設定

入口温度を設定する場合、2 つの目的があります。まず、サンプルが気化器に入ったときに完全に液体になるように、温度を十分に低くする必要があります。例の図では、4 bar でのバブル ポイントは 88°C です。分別を防ぐには、88°C から十分に離れたラウンド番号を選択して、立ち入り禁止ゾーンを避けるのが最善です。安全な温度の例は 80°C です。

2 番目の目的は、サンプルが完全にフラッシュするのに十分な温度を維持することです。気化器から蒸気だけが出るようにします。サンプルを気化させると、エネルギー保存の法則に従って温度が下がります。サンプル温度は、圧力降下後にサンプルが立ち入り禁止ゾーンに落ちないように、最初は十分に高くする必要があります。例の図では、圧力降下後の蒸気温度は 60°C で、露点線のちょうど蒸気側にあります。

3.出口圧力の設定

出口圧力を設定するときの目的は、圧力を露点線より下に下げることです。例の図では、出口圧力は 1.5 bar に設定されています。出口圧力がこれより高い場合、サンプルは完全に気化せず、分別されます。

4.フローを設定する

流量は、気化器ではなく、バルブと回転計で下流に設定されます。サンプリング システムでは、サンプルを分析器に高速で移動させるため、高蒸気流が望ましいです。ただし、サンプルを蒸発させるにはより多くの熱が必要なため、高流量は問題になる可能性があります。つまり、流量が多いほど気化時の温度降下が大きくなります。例の図では、紫色の線が温度低下を示しています。流量が増えると、温度が急激に低下します。

温度低下に影響を与えるもう 1 つの変数は、気化器の熱伝達能力です。一部の気化器は、熱がより効率的にサンプルに伝達されるように構成されています。液体サンプルが蒸気に変化して温度が下がると、周囲のステンレス鋼から熱が奪われます。重要な問題は、気化器がいかに効率的に熱を交換し、サンプルに流し続けるかです。サンプルが引き出せる熱量が多いほど、気化中の温度低下が少なくなります。場合によっては、気化器の外側は触れると熱くなるが、内側の中心部は冷たくなる可能性があります。これは、気化したサンプルが大量の熱を消費しており、気化器が追いつくのに十分なエネルギーを伝達できないためです。最善の解決策は、流量を減らすことです。

要するに、図で視覚化された温度降下は、流量と気化器の熱伝達能力の積です。高品質の気化器と低流量の場合、図の線はより垂直になります。残念ながら、状態図内の温度低下の正確な位置を計算する簡単な方法はなく、既知のソフトウェア プログラムでも生成できません。その結果、気化にはある程度の近似が含まれます。経験則として、分析装置へのサンプルの移動時間に許容できない遅延が発生しないように、流量をできるだけ低く保ちます。最初に高い流量で開始するよりも、低い流量で開始し、それを増やして実験する方が適切です。

相図の蒸気圧曲線を使用した分析機器およびサンプリング システムのベスト プラクティスについてさらに支援が必要な場合は、お近くのスウェージロック セールスおよびサービス センターにお問い合わせください。