În viața noastră de zi cu zi, suntem înconjurați de vapori. Îl inspirăm și îi putem simți prezența prin vedere sau atingere. Un alt exemplu profund este vaporii de apă ca parte a aerului care ne înconjoară în casele noastre. Se observa dacă aerul întâlnește o suprafață mai rece, cum ar fi o fereastră. Vaporii de apă conținuti se pot condensa pe geamul ferestrei și devin vizibili și palpabili ca lichid.
De asemenea, în procesele industriale și laboratoare vaporii au un rol util. Este timpul să explicăm: ce sunt vaporii, unde sunt utilizați și cum pot fi livrați în mod controlat acestor procese?
- Ce este un vapor?
- Cum se generează vapori?
- De ce folosiți vapori?
- Controlul tradițional al fluxului de vapori folosind barbotare
- Soluție îmbunătățită pentru fluxul de vapori prin evaporare și amestecare controlate
- Evitați condensul în aplicațiile cu flux de vapori
Ce este un vapor?
Un vapor este foarte asemănător cu un gaz – care este o stare fundamentală a materiei, la fel cum sunt solidele și lichidele. Gazele și vaporii constau din molecule separate care se mișcă ca particule libere. Cu toate acestea, există o diferență esențială între un gaz și un vapor. Dacă un compus este un lichid la temperatura camerei (aproximativ 20 °C) și presiune normală (1 atmosferă), atunci numim forma „gazoasă” a acelui compus vapor. De aceea, numim forma „gazoasă” a apei un vapor, în timp ce forma gazoasă a oxigenului este un gaz, deoarece oxigenul este încă un gaz în condițiile ambiante.
Când crește temperatura sau scade presiunea, un lichid se poate evapora și se poate transforma în vapori. La nivel molecular, la orice temperatură de la suprafața lichidului există întotdeauna molecule cu suficientă viteză pentru a părăsi lichidul. Deci, deasupra unui lichid există întotdeauna un vapor din același lichid. Evaporarea are loc la orice temperatură și nu doar la temperatura de fierbere a lichidului. Această temperatură de fierbere este doar o definiție: este un punct în care presiunea de vapori a lichidului este egală cu presiunea ambientală.
Jocul cu temperatura și presiunea sunt două modalități de a controla presiunea vaporilor și din această cauză cantitatea de vapori sau – într-o situație dinamică – fluxul de vapori. O a treia modalitate de a controla presiunea vaporilor – de fapt reducerea acesteia – este prin diluarea vaporilor, de exemplu prin adăugarea unui gaz inert, cum ar fi azotul, la vapori.
De ce folosiți vapori?
Există circumstanțe în care este posibil să doriți să adăugați un vapor într-un proces într-un mod controlat. De exemplu, luați în considerare celulele de combustie – PEMFC – din care electroliții trebuie să fie în stare hidratată (umidificată) pentru a menține o conductivitate ridicată și, prin urmare, o performanță optimă. Alternativ, este posibil să doriți să furnizați concentrații precise de vapori de apă pentru calibrarea și certificarea senzorilor de umiditate, pentru ca aceste dispozitive să afișeze valorile corecte de umiditate.
Un alt tip de livrare a vaporilor este furnizarea controlată de vapori metalorganici către un reactor. Acești compuși de vapori acționează ca precursori într-o reacție chimică de depunere de vapori pentru a depune un strat subțire pe un obiect, de exemplu pentru a depune pelicule subțiri semiconductoare. Aprovizionarea precisă cu vapori este necesară aici, pentru a controla cu precizie creșterea stratului – chiar și pe obiecte de formă complexă – și pentru a evita vărsarea de precursori metalorganici scumpi.
O modalitate tradițională de a furniza vapori în procesul unui client este utilizarea unui sistem de barbotare. Aici, un flux de gaz este barbotat printr-un vas încălzit umplut cu un compus lichid. Acest flux de gaz purtător devine complet sau parțial saturat cu vaporii compusi, iar acest flux de vapori este ghidat în continuare de gazul purtător către procesul clientului.
Deși aceasta este o configurație destul de simplă, care poate fi utilizată versatil, există câteva dezavantaje. Micile schimbări în condițiile procesului pot da variații mari ale fluxului de vapori, făcându-l o tehnică de livrare relativ inexactă, cu o stabilitate slabă pe termen lung. Deoarece presiunea vaporilor depinde în mare măsură de temperatura vasului, o ușoară modificare a temperaturii va duce la o abatere destul de mare a presiunii vaporilor și, prin urmare, a fluxului de vapori. În plus, presiunea totală și debitul de gaz purtător trebuie să fie stabile pentru a da un flux de vapori stabil. Această soluție de flux de vapori se bazează puternic pe temperatură și presiune.
Soluție de curgere a vaporilor
O modalitate de a depăși obstacolele de mai sus este prin utilizarea aCEM (evaporare și amestecare controlată)sistem de livrare a vaporilor. În acest sistem de vapori, un controler al debitului masic de gaz (cum ar fi un model EL-FLOW Select) oferă un debit de gaz purtător controlat cu precizie, în timp ce un debitmetru de lichid (cum ar fi un mini CORI-FLOW sau LIQUI-FLOW) măsoară debitul lichidului care trebuie evaporat, de exemplu extras dintr-un vas de lichid sub presiune la temperatura camerei. Supapa de control al lichidului, care funcționează și ca un actuator cu 3 căi, are sarcina de a amesteca picăturile mici de lichid cu gazul purtător.
Fluidul de amestec intră într-o cameră de amestecare și evaporare încălzită, controlată la temperatură, unde lichidul se evaporă complet imediat și se generează un amestec omogen de vapori/gaz.
Un sistem CEM complet poate fi monitorizat cu o unitate externă de citire/control, inclusiv sursa de alimentare sau cu un PC, utilizând software-ul Bronkhorst precumBronkhorst Flowsuitepentru operarea componentelor sistemului CEM. Un sistem CEM este un modul simplu de livrare a vaporilor care depășește un barbotor în multe feluri. Procesul este independent de presiune și temperatură deoarece debitele de gaz și lichid sunt controlate cu ajutorul regulatoarelor de debit de masă, asigurând un control precis al raportului molar datorită preciziei și repetabilității instrumentelor de debit de masă. Acest control precis al debitului masic asigură o stabilitate semnificativă a ieșirii de vapori din evaporator.
Injectarea directă a fluxului de lichid în fluxul de gaz purtător permite o mai bună dispersie a moleculelor lichide în gaz și reduce semnificativ timpul de răspuns.
Camera de evaporare este proiectată cu o formă geometrică internă care generează turbulențe, sporind astfel uniformitatea amestecului gaz-lichid. În plus, servește la încălzirea picăturilor fine de lichid introduse în fluxul de gaz, facilitând evaporarea acestora.
Debitul masic al lichidului poate fi determinat cu ușurință folosind aplicația online Fluidat on the Net. În plus, umiditatea relativă (%RH) și concentrația molară pot fi, de asemenea, calculate, facilitând astfel utilizarea sistemului de evaporare CEM al lui Bronkhorst.
