Objemový a hmotnostní průtok plynu: měření, vztah a rozdíl indikátorů

<strong>Vztah mezi objemovým a hmotnostním tokem plynu</strong>

Průtok plynu je množství plynu, které projde průřezem potrubí za jednotku času. Otázkou je, co vzít jako měřítko množství plynu. Tato kvalita je tradičně reprezentována objemem plynu a výsledný průtok se nazývá objemový. Ne náhodou se spotřeba plynu vyjadřuje nejčastěji v objemových jednotkách (cm3/min, l/min, m3/h atd.). Dalším měřítkem množství plynu je jeho hmotnost a odpovídající průtok se nazývá hmotnost. Měří se v jednotkách hmotnosti (například g/s nebo kg/h), které jsou v praxi mnohem méně obvyklé.

Stejně jako objem souvisí s hmotností, objemový průtok souvisí s hmotnostním průtokem hustotou látky:

Q – objemový průtok,

ρ – hustota plynu za podmínek měření (provozní podmínky).

Pomocí tohoto vztahu se pro hmotnostní průtok přechází na používání objemových jednotek (cm3/min, l/min, m3/h atd.), ale s uvedením podmínek (teplota a tlak plynu), které určují hustotu plynu. V Rusku se používají „standardní podmínky“ (st.): tlak 101,325 kPa (abs) a teplota 20°C. Kromě „standardu“ se v Evropě používají „normální podmínky“ (n.): tlak 101,325 kPa (abs) a teplota 0°C. Ve výsledku jsou jednotky hmotnostního průtoku n.l/min, st.m3/h atp.

<strong>Rozdíl mezi objemovým a hmotnostním průtokem v praxi</strong>

Takže spotřeba plynu může být objemová nebo hmotnostní. Která by se měla měřit v konkrétní aplikaci? Jak můžete jasně vidět rozdíl mezi nimi? Podívejme se na jednoduchý experiment, kde jsou tři průtokoměry instalovány v sérii v potrubí. Veškerý plyn vstupující na vstup okruhu prochází každým ze tří zařízení a je vypouštěn do atmosféry. V mezilehlých bodech systému nedochází k žádným únikům nebo hromadění plynu.

Zdrojem stlačeného vzduchu je kompresor, ze kterého je přiváděn plyn o tlaku 0,5. 0,7 bar (g) na vstup plovákového rotametru. Výstup rotametru je připojen ke vstupu tepelného regulátoru průtoku řady EL-FLOW vyráběného firmou Bronkhorst. V našem schématu je to on, kdo reguluje množství plynu procházející systémem. Dále je plyn přiváděn na vstup druhého plovákového rotametru, který je naprosto identický s prvním. Při nastavování průtoku 2 n.l/min s průtokoměrem EL-FLOW první plovákový rotametr poskytuje údaje 1,65 l/mina za druhé – 2,1 l/min. Všechny tři průtokoměry poskytují různé hodnoty, přičemž rozdíl dosahuje 30 %. I když každým zařízením prochází stejné množství plynu.

<strong>Jak můžeme vysvětlit tento rozdíl?</strong>

Zkusme na to přijít. Která míra množství plynu zůstává v této situaci konstantní: objem nebo hmotnost? Správná odpověď: hmotnost.

Všechny molekuly plynu vstupující do systému jím procházejí a po průchodu druhým plovákovým rotametrem se uvolňují do atmosféry. Molekuly jsou přesně nositeli plynné hmoty. V tomto případě se specifický objem (vzdálenost mezi molekulami plynu) v různých částech systému mění spolu s tlakem.

Zde je třeba připomenout, že plyny jsou stlačitelné, čím vyšší je tlak, tím menší objem plyn zaujímá (Boyle-Mariotteův zákon). Typický příklad: válec o objemu 1 litr, hermeticky uzavřený s pohyblivým pístem o nízké hmotnosti. Obsahuje 1 litr vzduchu o tlaku asi 1 bar (abs). Hmotnost takového objemu vzduchu při teplotě 20°C je 1,205 g Pokud posunete píst o polovinu vzdálenosti ke dnu, objem vzduchu ve válci se zmenší na polovinu a bude 0,5 litru. tlak se zvýší na 2 bar (abs), ale hmotnost plynu se nezmění a bude stále 1,205 g Koneckonců, celkový počet molekul vzduchu ve válci se nezměnil.

Vraťme se k našemu systému. Hmotnostní průtok (počet molekul plynu procházejících jakýmkoli průřezem za jednotku času) v systému je konstantní. V tomto případě se tlak v různých částech systému liší. Na vstupu do systému, uvnitř prvního plovákového rotametru a v měřicí části průtokoměru EL-FLOW je tlak asi 0,6 barg. Zatímco na výstupu z EL-FLOW a uvnitř druhého plovákového rotametru je tlak téměř atmosférický. Měrný objem plynu na vstupu je nižší než na výstupu. Ukazuje se, že objemový průtok plynu na vstupu je nižší než na výstupu.

Tyto argumenty potvrzují odečty průtokoměrů. Průtokoměr EL-FLOW měří a udržuje hmotnostní průtok vzduchu 2 Nl/min. Plovákové rotametry měří objemový průtok za provozních podmínek. Pro vstupní rotametr to je: tlak 0,6 bar (g) a teplota 21°C; pro výstupní rotametr: 0 bar(g), 21°C. Budete také potřebovat atmosférický tlak: 97,97 kPa (abs). Aby bylo možné správně porovnat odečty objemového průtoku, musí být všechny odečty zredukovány na stejné podmínky. Vezměme jako takové „normální podmínky“ průtokoměru EL-FLOW: 101,325 kPa (abs) a teplota 0°C.

Přepočet odečtů plovákových rotametrů v souladu s metodikou pro kontrolu rotametrů GOST 8.122-99 se provádí podle vzorce:

Q – průtok za provozních podmínek;

Р и Т – provozní tlak a teplota plynu;

Q_С – průtok za redukčních podmínek;

Рс a Тс – tlak a teplota plynu odpovídající redukčním podmínkám.

Přepočet hodnot rotametru na vstupu na normální podmínky pomocí tohoto vzorce udává průtok 1,985 l / mina výstupní rotametr je 1,990 l / min. Nyní rozptyl odečtů průtokoměru nepřesahuje 0,75 %, což je vynikající výsledek, když mají rotametry přesnost 3 % URL.

Z výše uvedeného příkladu je vidět, že objemový průtok je vysoce závislý na provozních podmínkách. Ukázali jsme závislost na tlaku, ale ve stejné míře i objemový průtok závisí na teplotě (Gay-Lussacův zákon). Dokonce i v procesu s jedním vstupem a jedním výstupem, kde nedochází k únikům nebo hromadění plynu, budou hodnoty objemového průtokoměru vysoce závislé na konkrétním místě instalace. I když hmotnostní tok bude v každém bodě takového schématu stejný.

<strong>Služba přepočtu spotřeby plynu</strong> <strong>FLUIDAT® na internetu</strong>

Jak je uvedeno na samém začátku článku, převod hmotnostního průtoku plynu na objemový průtok nebo naopak může být prováděn prostřednictvím hustoty plynu za provozních podmínek. Nabízí se přirozená otázka: kde tuto hodnotu získat? První, co mě napadne, je z referenčních údajů o plynech. Bohužel tato cesta není příliš perspektivní. Najít dostatečně úplné údaje o hustotě plynů v závislosti na teplotě a tlaku v otevřených zdrojích je obtížné a u některých plynů je to prostě nemožné.

Zůstávají některé ne zcela otevřené zdroje. A zde chceme doporučit online službu společnosti Bronkhorst High-Tech pro výpočet vlastností různých médií a provozních parametrů produktů při práci s těmito médii. Koncoví uživatelé mají přístup k údajům o fyzikálních vlastnostech pro více než 1800 XNUMX různých plynů a kapalin a mohou pro své přístroje provádět různé teoretické výpočty. Tato služba se na internetu nazývá FLUIDAT®.

O funkčnosti služby se můžete dozvědět v článku „FLUIDAT® on the Net – základy a možnosti“. FLUIDAT® nám také umožňuje provést přepočet, který nás zajímá. Mezi funkcemi služby je třeba poznamenat, že má pouze anglickou verzi a také, že je zdarma, ale vyžaduje registraci:

Při registraci musíte uvést své celé jméno, název společnosti, zemi, telefonní číslo a e-mailovou adresu. Uveďte prosím skutečné kontaktní údaje, jinak může být registrace zamítnuta (kontakty jsou kontrolovány ručně).

Po dokončení postupu registrace a autorizace ve službě byste měli přejít do části „Převést jednotky“:

Sekvence převodu na příkladu objemového průtoku 1 l/min při provozních podmínkách 25 °C a 5 bar (g) na hmotnostní průtok v n.ml/min (0 °C a 101,325 kPa (abs. )):

1. Zvolte pracovní plyn (klikněte na název plynu v modrém rámečku). V okně, které se otevře, zadejte název nebo chemický vzorec plynu do pole „Vyhledat“ a vyberte požadovanou pozici v seznamu, který se objeví.
2. Zadejte počáteční průtok, kterou je potřeba přepočítat (pole v modrém rámečku). V našem příkladu je tato hodnota „1“.
3. Vyberte jednotku měření pro počáteční průtok, kterou je potřeba přepočítat (rozbalovací seznam ve fialovém rámečku).
   Seznam obsahuje velké množství měrných jednotek pro objemový i hmotnostní průtok. Pokud zvolíte objemovou jednotku měření, zpřístupní se výběr provozních podmínek (pod polem průtoku ve fialovém rámečku).
   Pro jednotky hmotnostního průtoku může čitatel obsahovat buď hmotnostní jednotku, nebo jednotku objemu se symbolem „n“ (standardní podmínky, 0 °C a 101,325 kPa (abs)) nebo „s“ (standardní podmínky, 20 °C a 101,325 kPa (abs)) na konci.
   V našem příkladu byste měli vybrat možnost „l/min“ a jako provozní podmínky zadat „25,00 °C a 5 bar(g)“.
4. Vyberte jednotku průtoku pro převod (rozbalovací seznam v oranžovém rámečku).
   V našem příkladu byste měli vybrat možnost „mln/min“. Provozní podmínky budou automaticky nastaveny na „0,00°C a 1013,25 hPa (a)“ a nebude možné je upravit.
5. Zmáčknout tlačítko “Vypočítat” (k dispozici, pokud stránku posunete dolů). Výsledek přepočtu se zobrazí v poli ohraničeném zeleným rámečkem. V našem příkladu je to „5444“.

Tedy výsledek převodu objemového průtoku 1 l/min při provozních podmínkách 25 °C a 5 bar (g) na hmotnostní průtok: 5444 N. ml/min.

<strong>Jaký průtok měřit: objemový nebo hmotnostní?</strong>

Je dobré porozumět fyzice procesu. Ale přesto, jaký průtokoměr zvolit: objemový průtok nebo hmotnost? Odpověď závisí na konkrétním úkolu. Jaké jsou požadavky technologického postupu, s jakým plynem je potřeba pracovat, množství měřeného průtoku, přesnost měření, provozní teplota a tlak, speciální pravidla a předpisy platné ve vašem oboru činnosti a konečně přidělený rozpočet. Je třeba také vzít v úvahu, že mnoho průtokoměrů, které měří objemový průtok, může být vybaveno snímači teploty a tlaku. Jsou dodávány s korektorem, který zaznamenává stavy průtokoměru a čidel a následně stavy průtokoměru upravuje na standardní podmínky.

Nicméně lze poskytnout obecná doporučení. Hmotnostní průtok je důležitý, když je pozornost zaměřena na samotný plyn a počet molekul je třeba řídit bez ohledu na provozní podmínky (teplota, tlak). Zde si můžeme všimnout dynamického míchání plynů, reaktorových systémů včetně katalytických a komerčních systémů měření plynů.

Měření objemového průtoku je nezbytné v případech, kdy je kladen důraz na to, co je v objemu plynu. Typickými příklady jsou průmyslová hygiena a monitorování okolního ovzduší, kde je nutné kvantifikovat kontaminanty v objemu vzduchu v reálných podmínkách.

Mol je jednotka měření množství látky, která odpovídá hmotnosti látky obsahující 6,02214076 × 10²³ strukturních jednotek této látky. Strukturními jednotkami mohou být atomy, molekuly, ionty, elektrony nebo vzorce.

S pojmem krtek je spojen pojem molární hmotnosti prvku nebo látky. Molární hmotnost prvku je jeho atomová hmotnost vyjádřená v gramech. V praxi se rovná průměrné hmotnosti jednoho molu atomů tohoto prvku. Například molární hmotnost kyslíku O₂ jako látky je 32 g/mol, zatímco molární hmotnost kyslíku jako prvku je 16 g/mol. 10 molů kyslíku jako látky odpovídá 10 mol × 32 g/mol = 320 g.

Molární hmotnost chemické látky se vypočítá vynásobením molárních hmotností každého prvku, který tuto látku tvoří, počtem atomů ve vzorci sloučeniny a následným sečtením výsledků. Například molární hmotnost vody H2O je 1 × 16 + 18 = XNUMX g/mol.

Molární, hmotnostní a objemový tok

Závod Petro-Canada na maziva v Mississauga, Ontario, Kanada

V dynamice tekutin a chemickém inženýrství je molární průtok množství látky v molech (jinými slovy počet molekul) procházející danou plochou průřezu toku kolmého k němu za jednotku času. V SI se měří v molech za sekundu. Často se také používají odvozené jednotky kilomol za hodinu a milimol za minutu. Vzhledem k tomu, že molární průtok je rychlost toku částic, lze jej přirovnat k elektrickému proudu, což je tok elektrických částic, které nesou elektrický náboj. Pojem molární průtok úzce souvisí s pojmem hmotnostní průtok, což je hmotnost látky procházející za jednotku času.

Molární spotřeba je definována jako časová derivace množství látky v molech n

Analogicky s hmotnostním tokem, který je označen ṁ, označuje se molární průtok ṅ, a tečka nad písmenem označuje první derivaci v Newtonově zápisu. Použitím molů místo hmoty je možné zaznamenat spotřebu materiálů z hlediska stechiometrie a chemických reakcí. Zároveň je třeba poznamenat, že na rozdíl od hmoty, která se při chemických reakcích zachovává, se celkový počet molů nezachovává. Uvažujme například spalovací reakci etanu v kyslíku:

V této reakci, před jejím začátkem a po jejím skončení, je 12 atomů vodíku, 4 atomy uhlíku a 14 atomů kyslíku. Celková hmotnost před a po reakci je stejná, to znamená, že hmotnost je zachována. Přitom při hoření ethanu se na každých 11 molů spalin spotřebuje pouze 9 molů výchozích látek. Proto je celkový počet molů látek zapojených do reakce menší než počet molů vytvořených v důsledku reakce.

Měření molárního průtoku

Obvykle je nejjednodušší měřit objemový průtok PROTI. Lze jej převést na hmotnostní tok ṁ:

kde ρ – hustota látky. Protože moly nelze měřit přímo, lze hmotnostní tok převést na molární tok. Návrhy zařízení pro měření průtoku jsou diskutovány v článcích o převodnících hmotnostního a objemového průtoku. Mnoho z těchto zařízení ani neměří objem nebo hmotnost, ale rychlost v kapalina známé hustoty a složení, která se pohybuje omezeným průřezem měřicího zařízení. Tato rychlost se pak použije k výpočtu objemového průtoku PROTI za předpokladu, že rozložení rychlosti je rovnoměrné:

kde A – plocha průřezu v – průtok:

kde l je délka válce tekutiny pohybující se v potrubí a t – čas.

Protože je známé složení kapalného a/nebo plynného média, jeho hustota a plocha průřezu, lze molární průtok vypočítat vynásobením objemového průtoku. PROTI podle hustoty a dělení podle molekulové hmotnosti. Pokud je kapalinou roztok, musíte samozřejmě znát molekulovou hmotnost roztoku, kterou lze vypočítat ze známých molekulových hmotností a molárních zlomků jednotlivých složek roztoku. V případě směsí plynů potřebujete znát teplotu a tlak plynů.

Petro-kanadský závod na maziva v Mississauga má denní produkci 15 600 barelů (2400 XNUMX metrů krychlových)