专利名称：利用气体和液体之间的传递确定至少一转换参数的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用气相和液相之间的传递来确定物理和/或化学转变的至少一参数的方法和设备。本发明意义上的转变，是指可在液相和气相之间发生至少一种传递的任何类型的相互作用。但是，这两相之间的这种传递还可伴随有一种附加现象。非限制性地，本发明意义上的转变还可包括化学和/或物理类型的反应，例如任何类型的传统化学反应、以及结晶或沉积。一般来说，在本发明意义上，这种转变可涉及通过电子结合或交换的化学现象、物理相互作用或物理排斥如氢键、静电相互作用、空间吸引或空间排斥、不同的亲水性介质和/或疏水性介质的亲合性、配方(formulation)稳定性、或甚至絮凝作用。 在本发明意义上，一种可利用气相和液相之间的至少一种传递经受这种转变的系统，被称为物理-化学系统。在本发明意义上，希望得到的这种转换的参数特别是热力学性质或动力性质的参数。因此，一旦液相和气相接触，热力学参数就与液相和气相之间的平衡状态相关。在这种情况下，这尤其涉及溶解极限值、亨利系数、液体的饱和蒸汽压力、气体在液体中的扩散系数、或者甚至该液体的汽化潜热。相反地，动力参数涉及过渡相，其在液相和蒸汽相接触之后立即发生，但在上述平衡相之前进行。在该第二种情况下，这些参数例如是传质系数，或者与转变的化学动力学相关。在后一种情况下，这例如涉及这种转变的进度。
背景技术：
已知不同的解决方案，它们旨在确定至少一如上所述的参数。通常，现有技术的方法使用传感器。但是，传感器导致某些缺陷，因为传感器不容易适用于小型尺度。另外，这些方法通常采用破坏性技术。通过Fu B. R.等人的文章 “Bubble growth with chemical reactions inmicrochannels (微通道中随化学反应的气泡生成)” (((International Journal of Heatand Mass Transfer (热和传质国际杂志)》,第52期,第767至779页)，已知观察液相中的气泡生成的方法。更确切的说，该文章关注NaHCO3和H2SO4这两种可混溶液体之间的反应所产生的CO2的气泡的生成和成核。因此，换句话说，提出借助于对反应产物的监控研究均相液体反应物之间的反应，其产生非均相的气相。这远离本发明的领域，本发明关注这样的气-液系统其起初为非均相的，然后通过液相和气相之间的转移、通常是通过溶解发生变化。
发明内容
为此，本发明旨在实施一种方法，该方法能以比较简单和快捷的方式实现，同时允许利用液-气传递可靠地得到至少一转换参数。本发明还旨在实施这样一种方法，该方法在安全性方面以及经济性方面，既对于所用设备又对于所用的液体组分和气体组分的数量，都是令人满意的。为此，本发明旨在一种如权利要求I所限定的利用液相和气相之间的至少一转移确定至少一转换参数的确定方法。该方法的单独地或根据所有技术上可能的组合采用的有利的附加特征在从属权利要求2至23中规定。本发明还旨在一种如权利要求24所限定的用于使用上述方法的设备。
本发明将在下文参照仅作为非限制性示例给出的附图予以说明，附图中一图I是示意图，示出根据本发明的确定设备； 一图2和3是更大比例的纵剖面图，示出属于该设备的气泡形成装置；一图4和5是线图，示出在实施本发明第一实施方式时根据气泡位置的气泡体积；一图6是线图，示出在实施本发明另一实施方式时所绘制的蒸汽压力根据温度的变化；一图7是线图，示出在实施本发明又一实施方式时气泡体积随气泡停留时间的变化；一图8是基于图7线图获得的线图；一图9至11是补充线图，它们是在实施本发明的又另一实施方式时描绘的；—图12是线图，示出扩散系数随温度的变化；以及一图13是实验线图，示出对于环己烷的饱和蒸汽压力随温度的变化。
具体实施例方式尤其在图I上所示的根据本发明的设备首先具有液体供给装置。所述供给装置具有与泵2相连通的未示出的源，所述泵为任何适当的类型，例如借助缸筒工作和可承受例如接近50bar (巴)的高压。该泵2连接于下游管4,其称为供给管。另外，设置有气体供给装置，其具有源10，管道12从所述源10延伸。借助本领域公知类型的质量流量控制器14控制气体流动。该控制器14可确保在可高达至50bar的高压以及以非常小流量的气体流动。管道12在其下游端部通到中间构件16内，管道12在此连接于压力传感器18。继而管道12与供给管20连通。根据本发明的设备还具有气泡产生装置，其尤其示于图2和3上。所述气泡产生装置首先具有连接件22，连接件22差不多呈圆柱形，用适当的材料制成，尤其是用金属材料或甚至塑料材料制成。该连接件具有内部空间V，所述内部空间通过三个不同的通道与外部连通。为此，该连接件首先配有导道24和室26，所述导道和室同轴并且具有的横截面分别小于和大于内部空间V的横截面。另外，连接件22开有所谓上部导道28，其位于图2的上部。上述液体供给管4与该导道28连通。连接件22还接纳供给管20的下游端部20’。此外，室26设有凸肩26’，流动构件30挡靠在所述凸肩上，所希望的转换在所述流动构件中发生。在本实施例中，流动构件30呈管形，即为“分立式”的。但是，作为变型，该流动构件可以由按照任何适当工序刻制在板中的导道形成。现在，将以非限制性示例给出流动构件30和输入管20的当量直径的数值。如果该输入管和该流动构件为圆形截面，则对于相同面积，该输入管和该流动构件的内壁所具有的直径则被称为“当量直径”。在它们呈圆形的情况下，该当量直径显然对应于其内径。有利地，输入管具有介于5微米至50微米之间的当量直径。这个范围是有利的，因为该范围允许使气泡的产生稳定。另外，流动构件的当量直径介于100微米至几厘米之间，例如接近600微米。该流动构件30例如用石英玻璃制成。但是，可考虑用其它材料、例如塑料性质或 甚至金属性质的材料制成所述流动构件。要注意的是，根据所选的检测方式，选用材料的性质应是合适的。因此，在流动构件与光学检测相关联的情况下，则有利地将材料选成是透明材料。流动构件在壳罩32中延伸，壳罩充填有流体例如油，与恒温浴34连通。因此，这允许在可视为等温的条件下工作。相对着所述流动构件，设置有快速型摄像机38，尤其是CXD型摄像机。有利地，这种摄像机可采集大量图像，例如多于2000个图像/秒，特别是多于10000个图像/秒。该摄像机连接于照明源40，所述照明源和摄像机相对地布置在所述流动构件及其壳罩的另一侧上。流动构件30在其下游端部通到容器42中，所述容器与压力控制器44相连。因此，压力控制器可设定压力，将在该压力进行不同流动。最后，设置有计算机类型的控制单元50。该控制装置确保控制上述不同的机械构件，即泵、流量控制器、摄像机、恒温浴、以及压力控制器。该控制单元接收来自于压力传感器以及温度传感器52的信息，所述温度传感器52适于测量所述壳罩内部的温度。现在将在后文说明上面参照图I和2所述的设备的应用。如图3所示，在工作中，定中和引导在导道24中的供给管20深入，直至凸伸超过凸肩18’。换句话说，流动构件30及管20的相对的壁形成标记为R的重叠区域，其紧接在下游、即图3上在凸肩18’的右侧延伸。根据本发明，希望利用可在流动构件30中发生的液相和气相之间的传递测定转换的至少一参数。为此，使分别地液相L和气相G在管4和供给管20中流通。典型的注入流量例如对于液相在100 μ L/h (微升/小时)至100mL/h (毫升/小时)之间，和对于气相在O. InmL/min (正常(或标准)毫升/小时)至50nmL/min之间。在本说明中，用作前缀的字母“η”与对于气相体积通常意义上的“normal (标准)”体积相关。紧接在重叠区域R的下游，两相在标记为C的所谓接触区域中相互接触。鉴于这两相为异相，因而气泡B在构成载相的液体L中形成。通常，液相对于流动构件的壁具有亲合力，该亲合力大于气相的亲合力。在这种情况下，这说明了没有延伸直到所述壁的气泡的形成。但是，可提出使用液相和气相，使得它们形成分段流。所述分段流呈一系列的气泡和液滴的形式，从而形成总体上呈圆柱形的交替的区段。不同的气泡B以及液体载相L在流动构件中流动，其同时是希望研究的转换发生的场所。因此，随着气泡和载相的前进，通过使用液相和气相之间的至少一种传递，这种转换进行。此外，如上所述，所述传递可伴以至少一其它现象，尤其是反应性质的现象。
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另外，对于供给的气相和液相的恒定流量，空间和时间之间存在等效性。换句话说，位于距重叠区域R —给定距离的一点，对应于气泡和载相的恒定的停留时间。明确地，在第一实施方式中，根据本发明，测定气相的组分在液相的组分中的溶解度。随着它们在流动构件中的前进，由于从气相向液相的转移，气泡的尺寸趋于减小。换句话说，气体趋向于溶解在液体中。在称为过渡相的第一相中，气泡的尺寸持续减小。然后，当这种传递达到平衡相时，可考虑两种情况。因此，首先，气泡可能仍存在于液体中。在这种情况下，所述气泡的尺寸不再减�。幢闫莺鸵禾寮绦魅肓鞫辜�。相反，在全部气体都溶解在液体中的情况下，则在平衡状态不再有气泡。根据本发明的第一实施变型，首先，设定一给定的气体流量QG和一给定的液体流量QL(I)，对于给定的气体流量和液体流量，不是所有气体都在平衡状态溶解。换句话说，对于该对初始流量，在平衡状态，液体中仍有气泡。因而要改变流动条件，即液体流量和气体流量之间的比率。因此，对于标记为QL(2)的大液体流量进行补充实验，同时使气体流量保持在一恒定值。用递增的相继的流量QL(3)、QL(4)、……、QL(η)，重复进行这种操作。因而注意到液体流量的阈值QL(s)，对于该阈值，在平衡状态气泡完全消失。换句话说，在该阈值以下，在平衡状态仍留有气泡，而在该阈值和更大的数值，液体中则不再留有气泡。图4示出第一种实验情况。在该图上，可看到摄像机所识别的气泡B的体积V随长度I、即液相和气相沿流动构件30的位置而变化的情况。换句话说，长度1=0对应于气泡形成点，而长度I=L对应于由摄像机观察的流动构件的区域的位于图I上右侧的另一端部。如上所述，长度I与气泡和液体在流动构件中的停留时间主相关联。在该图4上，将对于最前三个液体流量QL(I)、QL(2)和QL(3)所获得的最前三条曲线标示为(^、(2和C3。对于这些曲线中的每条曲线，气泡体积减�。缓笪榷ㄒ员涑珊愣�。因此，对于在对应区域ZE1至ZE3的平衡状态的这些流量数值中的每个数值，气泡依然存在。然后，将与紧接小于阈值流量QL(S)的流量QL(S-I)对应的曲线标示为C(S-I)。在该曲线上，比起在上述最前三条曲线上，气泡体积更明显地减�。谴锏窖细翊笥贠的平衡值，即气泡依然存在于平衡区域ZE(S-I)中。相反，对于阈值流量数值，曲线C(S)具有第一过渡区域ZT (S)，对于第一过渡区域，气泡的体积持续减�。患潭诙騔E (S)，对于第二区域，液相中不再有气泡。换句话说，气泡中起初存在的所有气体都溶解在液相中。如上面所看到的，在图4上，平衡区域ZE⑶位于摄像机的观测范围中。相反，在传递较慢的其它情况中，该平衡区域可能位于所述观测范围之外。因而，换句话说，摄像机仅观测到传递的过渡相。因此，参照图5，对于紧接小于阈值流量的流量QL(S-I)，气泡体积在曲线C(S-I)的右部分上稳定，即可认为处于该传递的平衡区域ZE (S-I)中。相反地，对于阈值值QL(S)，其没有稳定即其继续下降，甚至在曲线C(S)的右端部仍留有气泡时。换句话说，可认为平衡区域Z(S)位于管30的端部的右侧。因此，该曲线将延长，直至接合横坐标轴，这对应于气体的完全溶解。这种外推在该图5上用虚线示出。在前文中，已利用摄像机确定阈值流量QL⑶。但是，这种阈值流量的识别能以不同的方式实施。为此，适于确保所述传递在流动管的下游端部有效地处于其平衡区域中。在这种情况下，可由操作者在流动构件的下游端部处目测地进行所述确定。在这种情况下，随着流量增大，该操作者检验是否在该下游端部仍有气泡。因而阈值流量是第一流量，从该第一流量起，所有气泡在该端部都消失。也可使用激光发射机，激光发射机布置在流动管的下游端部的第一侧，其关联于与该发射机相对布置的光电二极管。例如按FR-A-2929403的教导，因而在流动管的下游端部，观察到光电二极管根据时间发送的信号。在这种情况下，阈值流量对应于这样的流量从该流量起，光电二极管发送的信号稳定在单一数值，所述单一数值表示此后无气泡的液体流的形成。还可使用任何其它适当的传感器，例如超声波传感器。一旦确定液体阈值流量，就根据以下公式从中推导出所述传递的第一参数的值，即溶解极限的值
权利要求
1.利用液相和气相之间的至少一传递确定转换的至少一参数的方法，其特征在于， 一将气相注入到液相中，以形成非均相流，所述非均相流具有一系列由气相在液相内形成的气泡； 一使所述非均相流在流动构件中流通，以便进行液相和气相之间的至少一传递； 一观察沿所述流动构件的气泡体积的减�。灰约� 一从中推导出所述至少一参数。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，改变至少一流动条件的数值，以推导出所述至少一参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，改变液相流量和气相流量之间的比率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，固定气体流量和增大液相流量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定液体的阈值摩尔流量和从所述阈值摩尔流量的数值推导出至少一参数，其中从所述阈值摩尔流量起，在传递的平衡状态，液相中没有任何气泡。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过使用以下公式，从所述阈值摩尔流量的数值推导出溶解极限值
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过使用以下公式，从所述溶解极限值推导出亨利常数的数值
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在至少两个不同的压力，确定至少两个溶解极限值，和通过使用以下公式，从中推导出液相组分的蒸汽压力值
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据温度确定汽化压力的多个数值，和通过使用以下公式确定汽化潜热
10.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，不改变流动条件来推导出所述至少一参数。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过使用以下公式推导出所述传质系数的数值
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，改变至少一流动条件的数值，和对于所述流动条件的多个不同数值，确定所述参数的多个数值。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，设定液相流量和气相流量之间的恒定比率，和改变每种流量的数值，以便对于多个不同的流量数值获得多个传质系数数值。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，确定阈值流量，从所述阈值流量起，所述传质系数基本是不变的。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，确定数学模型，用以将气泡体积与在 流动构件中的流动停留时间相联系，所述数学模型将寻求推导的所述参数用作唯一变量；建立气泡体积随其在所述流动构件中的停留时间的变化的模型；调节参数值，以使模型化的体积变化与观察到的体积变化是相同的；和将该参数值确定为允许获得这种相同性的数值。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述参数是所述扩散系数(D)。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，使用无量纲时间(i’)，所述无量纲时间与所述停留时间(i)利用所述扩散系数(D)按照比例系数成比例。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过使气相在形成与所述流动构件重叠的区域的内部供给装置中流动而形成气泡，所述内部供给装置的当量直径介于5微米至50微米之间。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述流动构件的当量直径介于100微米至5厘米之间，尤其是接近600微米。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使气相以介于O.OOlnmL/min至InL/min之间、尤其是在O. InmL/min至10nmL/min之间的流量流通。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使液相以介于O.OOlmL/h至10L/h之间、尤其是在O. lmL/h至100mL/h之间的流量流动。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，利用摄像机观察沿所述流动构件的气泡体积的变化。
23.根据权利要求I至21中任一项所述的方法，其特征在于，通过在液相和气相之间传递的平衡状态下，检测在所述流动构件的下游端部处残留气泡的可能存在，来观察沿所述流动构件的气泡体积的变化。
24.实施根据前述权利要求中任一项所述的方法的设备，其特征在于，所述设备具有 一液相供给装置(2，4); —气相供给装置(10，12，14，16，20)； 一气相注入装置(22)，其将来自所述气相供给装置的气相注入到来自所述液相供给装置的液相中，所述气相注入装置适于形成非均相流，所述非均相流包含一系列由气相在液相内构成的气泡； 一流动构件(30)，其与所述气相注入装置相连通，以使所述非均相流在其中流通；一观察装置(38)，其观察气泡体积沿所述流动构件的减�。灰约� 一至少一参数的推导装置(50)，其与所述观察装置相关联。
全文摘要
转换的至少一参数的确定方法利用液相和气相之间的至少一转移，其特征在于将气相注入到液相中以形成非均相流，非均相流具有一系列由气相在液相中形成的气泡；使该非均相流在流动构件中流通，以便进行至少液相和气相之间的转换；观察气泡体积沿流动构件的减�。缓痛又型频汲鏊鲋辽僖徊问�。
文档编号G01N7/00GK102725622SQ201080062399
公开日2012年10月10日 申请日期2010年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者M·吉拉德尔, P·吉约, R·科蒂茨 申请人:罗地亚管理公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
