8.1. Регулирование расхода жидкости. Часть 1

При синтезе веществ часто возникает необходимость в строгом дозировании жидкой фазы. Способов ее дозировки описано очень много. В этом разделе рассмотрены только наиболее простые, для которых не нужна сложная электронная аппаратура.

Рис. 151. Сосуды Мариотта постоянного уровня (а) и постоянной скорости истечения (б, в)

Сосуды Мариотта. Сосуды с таким названием применяют для поддержания постоянного уровня жидкости в той или иной емкости и постоянной скорости ее истечения. Например, уровень выпариваемого в чашке 5 (рис. 151, а) раствора поддерживается постоянным при помощи трубки 1, через которую в сосуд 2 поступает воздух извне. Как только уровень жидкости в чашке понизится ниже конца трубки 1, в склянку 2, содержащую упариваемый раствор, начнет через эту трубку поступать воздух, и сифон 3 переведет из нее часть раствора в чашку до первоначального уровня. После выравнивания уровней раствора в чашке и сосуде 2 (по нижнему срезу трубки 1) перемещение жидкости прекратится, перестанет поступать и воздух в сосуд 2.

Сосуд Мариотта позволяет также поддерживать постоянную скорость истечения жидкости под заданным гидростатическим давлением h.

Скорость истечения регулируют при помощи капилляра 3, припаянного к воронке с пористой пластинкой 4 (рис. 151, б). Температура окружающей среды должна быть при этом постоянной, так как ее изменение оказывает влияние на вязкость жидкости , как и атмосферное давление над ее поверхностью в сосуде 2. Подобное устройство может быть использовано для автоматического титрования. Для этого бюретку (см. рис. 81) превращают в сосуд Мариотта, трубку 1 снабжают запорным клапаном, срабатывающим по сигналу датчика, контролирующего изменение цвета или рН титруемого раствора, фи дозировке до 1 мл/мин и точности термостатирования 0.1 отклонения от среднего значения не будут превышать

Капиллярный регулятор расхода жидкости (см. рис. 151,6) неудобен тем, что он требует набора сменных капилляров 3, когда необходимо изменять значение расхода жидкости. Этот недостаток иногда устраняют введением в капилляр платиновой проволочки. Сопротивление капилляра потоку жидкости изменяют путем углубления проволочки в капилляр или частичным ее извлечением. К сожалению, такой способ не всегда дает воспроизводимые результаты при одинаковом погружении проволочки. Оказалось, что сопротивление капилляра потоку жидкости различно в зависимости от того, располагается проволочка по оси капилляра или эксцентрично.

Полное количество использованной жидкости в рассмотренных приборах ограничено емкостью сосудов 2. Заполнение же их новой порцией жидкости нарушает скорость истечения. Поэтому заранее определяют необходимое количество жидкости для выполняемой операции.

Простое регулирование истечения жидкости производят также при помощи сосуда 2 с маностатом 4 (рис. 151, в). Кран 3 имеет калиброванное отверстие, а жидкость вытекает из сосуда 2 под постоянным гидростатическим давлением h. Сосуд 2 может периодически заполняться через трубку 1 без существенного изменения скорости истечения. Точность регулирования истечения в таком устройстве колеблется от 1 до 10%.

Мариотт Эдм (1620 - 1684) - французский физик, один из основателей Парижской академии наук. В 1684 г. сконструировал сосуд, названный его именем.

Устройства постоянного слива жидкости. Для поддержания уровня жидкости на постоянной высоте в той или иной емкости применяют довольно простые конструкции (рис. 152). Устройства типов а - в соединяют как сообщающиеся сосуды через трубку 3 с емкостью 4 (рис. 152, а), в которой необходимо поддерживать постоянный уровень. Трубка 1 служит для подачи непрерывного потока жидкости, основная часть которой стекает через сливную трубку 2, а меньшая часть пополняет убывающую по тем или иным причинам жидкость в емкости 4, являющейся, например, водяной баней с непрерывно испаряющейся водой (см. рис. 110).

Сливное устройство типа б позволяет регулировать уровень жидкости путем подъема и опускания сливной трубки 2, крепящейся к нижнему тубусу сливного сосуда отрезком резиновой трубки 5.

Если давление в сливном сосуде несколько выше атмосферного и в сосуде находится газ, который не должен попасть в приемник сбрасываемой жидкости через трубку 2, то на пути слива ставят сифонный затвор 6 (рис. 152, в).

Рис. 152. Устройства постоянного слива жидкости: стационарные (а - в) и поплавковый (г)

Высота сифона или гидростатического давления вытекающей жидкости должна быть больше избыточного давления над сливной трубкой 2. Сифон снабжают воздушником 7, иначе слив не будет функционировать и вся жидкость из сливного сосуда и частично из емкости 4 вытечет через сифон. Сифоны применяют только до значения h = 40 - 50 см.

Поплавковые регуляторы уровня можно изготовить в любой химической лаборатории, располагающей стеклодувной мастерской. Наиболее простой уровнемер (рис. 152, г) имеет полый стеклянный шар-поплавок 9 диаметром 5-7 см и плечо 10 длиной 2-4 см.

Поплавок соединен своим плечом (стеклянный стержень) с трубкой / при помощи отрезка вакуумного резинового шланга 5, имеющего прорезь 8, доходящую до внутренней полости шланга. При понижении уровня жидкости в сливной камере 11 поплавок опускается, его плечо изгибает резиновую трубку и открывает прорезь, через которую жидкость снова наполняет камеру 11.

Клапанные поплавковые уровнемеры. Известно несколько простых устройств, регулирующих уровень жидкости с помощью поплавков, являющихся одновременно и клапанами. Поплавковый уровнемер с верхним клапаном (рис. 153, а) имеет эллипсоидный пустотелый поплавок 4 с нижней трубкой 5, в которую налита ртуть 6. Вверху поплавок снабжен коротким стеклянным

стрежнем, заканчивающимся отшлифованным шариком 3.

г

Рис. 153. Клапанные поплавковые уровнемеры с верхним (а) и нижним (б) клапаном и регулятор Гюппнера (в): б: 1 - трубка; 2, 5 - сосуды; 3 - электронагреватель; 4 - крышка; 6 - поплавок; 7 - трубка с ртутью; 8- шарик; 9 - седло

Шарик при подъеме уровня жидкости в сосуде 7 запирает трубку 1, подающую жидкость и имеющую пришлифованное седло для шарика.

Ртуть наливают в трубку 5 в таком количестве, чтобы поплавок погрузился в жидкость до глубины нескольких миллиметров от его середины. Поплавок должен всегда удерживаться строго вертикально, даже при полном его погружении в жидкость. Если поплавок отклоняется от вертикального положения, то либо удлиняют трубку 5, либо укорачивают верхний стержень с шариком. Обычные размеры стеклянного поплавка: экваториальный диаметр 2-4 см, высота - 2/3 от значения диаметра, длина трубки 5 около 4 см, а длина верхнего стержня 0,5 - 1,0 см.

Когда жидкость в сосуде с постоянным уровнем необходимо перемешивать или кипятить, поплавок 6 помещают в отдельную камеру 5 (рис. 153, б), сообщающуюся с сосудом 2. Пришлифованная крышка 4 позволяет заменять поплавок и очищать камеру 5, особенно ее запирающее устройство.

Поплавковый уровнемер Гюппнера (рис. 153, в) очень прост. Когда уровень жидкости постоянен и она непрерывно стекает через трубку 2, то стеклянный поплавок 1 покоится на 2 стеклянных шипах 3. Стоит только уровню жидкости резко подняться, как поплавок всплывет и закроет выход из верхне трубки.

Расходомеры. Расход жидкости измеряют при помощи капиллярных реометров.

Рис 154. Капиллярные реометры: кольцевой (а) и "бочка данаид" (6):

а: 1,4- трубки; 2- капилляр; 3 - резиновая трубка; 5- шкала; 6- ртуть; 7- контролируемая жидкость; 8 - кран

В кольцевом реометре (рис. 154, а) манометрической жидкостью 6 может быть либо ртуть, либо сама жидкость, расход которой контролируется. В последнем случае высоту воздушного столба над уровнем жидкости регулируют краном 8.

Если расход жидкости внезапно возрастает, часть воздуха выдавливается через отводную трубку 4. Высота воздушного столба не оказывает влияния на полученные значения расхода жидкости, так как последний определяется разностью уровней жидкости в коленах. Вместо капилляра 2 в реометр можно вставить фильтрующую пластинку из пористого стекла .

В емкостном расходомере (рис. 154, б) значение расхода определяют по положению мениска 4 на шкале 3 самой жидкости, которую периодически заливают через трубку 1 в сосуд 2. Такой расходомер иронически называют "бочкой данаид", т. е. бездонной бочкой. (В греческой мифологии дочери царя Даная убили своих мужей в брачную ночь и в наказание должны были наполнять водой бездонную бочку.) Вытекает жидкость через капилляр 5 в воронку 6.

Капиллярные реометры градуируют, пропуская через них строго отмеренные объемы жидкости в единицу времени и отвечая одновременно высоту ее подъема в манометрической трубке.

Когда потеря давления при измерении расхода жидкости ожидается небольшой, применяют ротаметры (от лат. rotare - вращать) и объемные счетчики (рис. 155).

Рис. 155. Ротаметры (а, б) и объемные счетчики (в, г) расхода жидкости

Поплавок ротаметра 1 (рис. 155, а) может иметь цилиндрическую, коническую, тарельчатую и дисковую форму. Его делают из полипропилена или полиэтилена, легкого и химически устойчивого материала. В верхней части поплавка прорезают косые канавки, вызывающие его вращение, которое удерживает поплавок в центре потока жидкости и не дает ему касаться стенок конусной трубки.

Коническая трубка ротаметра 2 - это стеклянный тщательно отшлифованный и отполированный изнутри конус с углом 1 -2 град. Такие трубки могут изготовить только опытные стеклодувы. При пропускании жидкости через ротаметр поплавок увлекается вверх ее потоком, пока не установится равновесие между массой поплавка и динамическим действием потока на площадь самого широкого сечения поплавка. Отсчет производят по положению верхней поверхности поплавка.

 

Другие части:

8.1. Регулирование расхода жидкости. Часть 1

8.1. Регулирование расхода жидкости. Часть 2

 

 

К оглавлению