Effetti dovuti alla composizione dei gas

Effetti dovuti alla composizione dei gas

Se si escludono le tecniche volumetriche pure , che però non si adattano a produrre diluizioni dinamiche, le altre tecniche utilizzabili risentono in modo diverso della composizione chimica dei gas o miscele che entrano nel processo di diluizione.   Gli effetti dovuti alla composizione chimica delle miscele diluente o da diluire, possono portare a deviazioni superiori a quelle dovute a fattori dimensionali o fisici.  Sono aperte due vie per compensare queste influenze : quella sperimentale, che consiste nella verifica della risposta alla specifica miscela e quella teorica che utilizza i “gas correction factors”. La seconda è quella largamente più praticata, e le deviazioni dichiarate sono nell’ordine del ±5% mentre la prima, un po’ più impegnativa, fornisce risultati molto più accurati. 

Tutte le misure di flusso, relative a un fluido, con esclusione di quelle che rilevano variazioni di volume in un intervallo di tempo, devono fare i conti con le interazioni chimico-fisiche : la composizione chimica del fluido  influisce su alcuni parametri fisici che hanno influenza sul metodo di misura.

Per realizzare un attrezzo che fornisca il valore del GCF è sufficiente una bombola contenente il gas o miscela di riferimento, un regolatore manuale di flusso (es.: riduttore di pressione con aggiunta valvola a spillo) da applicare a monte del misuratore da calibrare (in caso di MFC, per evitare interferenze da parte della valvola di controllo si imposta un setpoint superiore al flusso che si intende provare) seguito da un calibratore di flusso volumetrico (tipo a pistone).   Quest’ultimo fornisce la misura di flusso in volume a pressione e temperatura ambiente (compensabili) che viene confrontata con la misura del flusso da calibrare, adeguando le unità di misura (massa / volume o volume / volume)

La prova andrebbe ripetuta con valori di flusso diversi nel campo utilizzato, perchè  il fattore di correzione può cambiare con il flusso e quindi il GCF potrebbe essere una serie di punti.   Il fatto è largamente sottaciuto dai costruttori dei misuratori di flusso e dei diluitori, ma gli effetti dovuti alle diverse composizioni chimiche dei gas sono responsabili della quota di incertezza più rilevante.

Consideriamo nel seguito alcune delle tecniche più utilizzate.

1. Orifizi sonici : la relazione attraverso la quale può essere calcolato il flusso massico di una miscela che attraversa un orifizio sonico è del tipo :

Nella quale :

Vediamo che la portata passante per l’orifizio, oltre che da parametri fisici, dipende da alcuni parametri chimici che, anche se noti per i singoli componenti vanno eventualmente calcolati o verificati sulla miscela.  Mentre per la densità, è sufficiente sommare i prodotti tra la densità di ciascun componente e la corrispondente frazione molare, per altri (es.: calori specifici critici , e coefficiente di efflusso) bisogna probabilmente ricorrere a funzioni empiriche.

b) Controllori termici di flusso di massa : E’ spesso utilizzato il GCF (Gas Correction Factor) per indicare il rapporto tra la risposta del misuratore ad un flusso di Azoto e la risposta ad un gas o miscela specifici. Questo valore dipende principalmente da calore specifico e conducibilità termica del gas o miscele interessate.  Si evidenziano due problemi :               

Spesso, risulta la necessità di definire più di un GFC, ciascuno in relazione ad un dato campo di portate.  Forse la causa è dovuta a spostamento della mappa delle turbolenze all’interno della cella di misura.

c.) Nel caso dei capillari, sia quando usati per inserire nel circuito una resistenza al flusso, sia quando utilizzati per misurare il flusso passante attraverso la caduta di pressione ai loro capi, la proprietà fisica dipendente dalla composizione chimica del fluido è la viscosità) .  In funzione dei rapporti dimensionali (D/L) e della pressione differenziale applicata, il flusso di gas che ne consegue può essere laminare o turbolento : operando in condizioni di flusso laminare, il flusso indotto dipende dalla pressione applicata secondo le funzioni di Poiseuille. 

Per i gas va considerata l’espansione e il conseguente aumento della velocità nel capillare tra l’entrata e l’uscita del fluido : questo rende la funzione quadratica con la pressione differenziale applicata ai capillari.  La viscosità è la sola proprietà legata al gas utilizzato che influisce sulla diluizione.   Vista l’importanza che assume la viscosità nei calcoli di flusso (in impianti industriali o domestici, reti di distribuzione acqua, gas, olio combustibile e anche nel sistema di circolazione sanguigno), centinaia di studiosi ci hanno lasciato tabelle e metodi di calcolo per ritrovare la viscosità di tutti i componenti chimici e dei fluidi di uso corrente o per determinare la viscosità di miscele comunque complesse.

Nota : il flusso è calcolato in volume e all’uscita del capillare

Un foglio Excell per il calcolo della viscosità di miscele secondo Reichenberg è riportato su questo sito per essere utilizzato con i diluitori BetaCAP30 o BetaCAP30X100, mentre le stesse formule sono  incluse nel firmware di BetaCAP60-3G e di BetaCAP60X100 per il calcolo automatico da parte del diluitore sulla base della composizione di TG1, TG0, TG2.     Per il download collegarsi a :

https://www.beta-strumentazione.it/wp-content

PROCEDIMENTO DI CALCOLO VISCOSITA’ DI MISCELE

SECONDO REICHENBERG

Dati iniziali (per ciascun componente della miscela) :

• i = numero di componenti nella miscela
• y_i = frazione molare i^esimo componente (valore vicino al x% Vol.)
• T = Temperatura di rifer. (generalmente 20°C = 293°K)
• P = Pressione di rifer. (generalmente 1013 hPa)

Dati ottenuti in letteratura (relativi agli specifici componenti) :

• η_i = viscosità dell’ i^esimo componente (alla temperatura di riferimento) 
• μ_i = Momento dipolare [debrys]
• Tc_i = temperature critica dell’ i^esimo componente
• Pc_i = pressione critica dell’ i^esimo componente
• M_i = Massa molare dell’ i^esimo componente

Parametri calcolati  :

• Tr_i = T / Tc_i
• Pr_i = P / Pc_i
• μ_Ri = momento dipolare adimensionale = 52.46 μ_i² x P_c / T_c²
• F_Ri = [Tr_i^3.5 + (10 μ_Ri)⁷] /  { Tr_i^3.5 [ 1 + (10 μ_Ri)⁷] } 
• U_i = { [ 1 + 0.36 Tr_i (Tr_i – 1)]^1/6 x F_Ri } / Tr_i^1/2
• Tr_ij = T / (Tc_i x Tc_j)^1/2
• μ_Rij = (μ_Ri x μ_Rj)^1/2 
• F_Rij = [Tr_ij^3.5 + (10 μ_Rij)⁷] / { Tr_ij^3.5 [ 1 + (10 μ_Rij)⁷] } 
• U_ij = { [ 1 + 0.36 Tr_ij (Tr_ij – 1)]^1/6 x F_Rij } / Tr_ij^1/2
• C_i = M_i^1/4 / (η_i x U_i)^1/2

Il calcolo qui indicato è uno dei più accurati per valutare la viscosità di una miscela contenente i componenti