Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы

Подождите немного. Документ загружается.

291

лонне, поступающих во внутреннее пространство через отверстие 7, и давления

паров образцовой жидкости 9. Усилие на сильфоне 8, возникающее под

действием этой разности давлений, через шток 6, рычаг 3 и уплотнительный

сильфон 5 передается к преобразователю 4 силы в унифицированный

пневматический сигнал. Этот сигнал пропорционален разности давлений

насыщенных паров анализируемой и образцовой жидкостей при температуре

аппарата. Диапазоны измерений от 0—1000 до 0—64000 Па; классы точности 1

и 1,5; постоянная времени 40 с; диапазон рабочих температур 0—150°С.

Схема механического анализатора упругости паров бензинов показана на

рис. 10.9, б. Анализируемая жидкость поступает в блок подготовки 1, из

которого с постоянным объемным расходом она подается в змеевик 3,

расположенный в термостате 2, заполненном антифризом. Здесь путем подачи

горячей воды в змеевик 9 с помощью регулятора 8 поддерживается постоянная

температура, равная 38°С (при этой температуре по действующим стандартам

определяется давление насыщенных паров бензинов). Из змеевика 3

анализируемая жидкость, нагретая до 38°С, поступает в сопло 5 струйного

насоса. При истечении жидкости из сопла за счет вязкости струя увлекает за

собой пары жидкости, находящейся в камере 4 струйного насоса, поэтому в

названной камере создается разряжение тем большее, чем меньше упругость

паров анализируемой жидкости. Измерение разряжения в камере 4 осуществля-

ется вакуумметром 6 с унифицированным пневматическим сигналом, который

по пневмопроводу подается вторичному прибору 7.

Диапазон измерений анализатора 250—650 мм рт. ст.; расход

анализируемого вещества 800 см

/мин; абсолютная погрешность измерений 15

мм рт. ст.

§ 10.6. Средства измерений теплоты сгорания жидких и

газообразных топлив

Теплота сгорания является характеристикой теплоценности топлива.

Под удельной теплотой сгорания понимают количество тепловой энергии,

выделяющееся при полном сгорании единицы массы или единицы объема

топлива. Соответственно различают удельные массовую и объемную теплоты

сгорания. Информация о теплоте сгорания используется для управления

процессом горения в огневых нагревательных аппаратах и для выполнения

учетных операций, связанных с потреблением топлив. В качестве топлив на

химико-технологических процессах используют мазут, попутный нефтяной и

природный газы. Удельная массовая теплота сгорания мазута изменяется

незначительно и жестко коррелирована с плотностью мазута. Поэтому

автоматическое измерение этой величины можно свести к измерению

плотности.

Газообразные топлива могут включать в свой состав помимо

углеводородов негорючие компоненты, воздух, азот, диоксид угле-

292

рода и др., поэтому для определения теплоценности топлив необходимо

осуществлять измерение их удельной теплоты сгорания. Для газообразных

топлив обычно измеряют удельную объемную теплоту сгорания.

Различают высшую и низшую удельные теплоты сгорания. Под высшей

удельной объемной теплотой сгорания топлива Q

понимают количество

тепловой энергии, выделившееся при сгорании единицы объема топлива и

конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания.

Под низшей удельной объемной теплотой сгорания топлива Q

понимают

количество тепловой энергии, выделившееся при скорости единицы объема

топлива без учета энергии, выделяющейся при конденсации водяного пара из

продуктов сгорания.

В огневых нагревательных аппаратах для предотвращения конденсации

паров воды в дымоходах температура продуктов сгорания обычно составляет

110—130°С. Поэтому теплоценность топлив определяется низшей удельной

теплотой сгорания.

Связь между высшей и низшей теплотами сгорания имеет вид

= Q

+ q, (10.26)

где q— теплота конденсации водяных паров, образующихся при сгорании

единицы объема топлива.

Средства измерений удельной теплоты сгорания называют калориметрами.

По принципу действия они относятся к термохимическим анализаторам (см.

табл. 9.1). На рис. 10.10, а приведена схема автоматического калориметра,

позволяющего получить информацию о высшей удельной объемной теплоте

сгорания газообразных топлив. Работа калориметра основана на измерении

количества тепловой энергии, выделяющейся в процессе химической реакции

горения анализируемого газа. Последний с постоянным объемным расходом

поступает через стабилизатор расхода 5 в горелку 11. Продукты сгорания

омывают стенки теплообменника 8, размещенного в корпусе калориметра 7, и

передают всю выделяющуюся тепловую энергию дистиллированной воде,

которая непрерывно прокачивается через теплообменник. Воде также пере-

дается тепловая энергия, выделяющаяся на стенках теплообменника при

конденсации паров воды, которые образуются при сгорании углеводородов.

Образующийся конденсат собирается с помощью воронки 12 и стекает в

емкость 13. Для подачи воды в теплообменник служат замкнутые системы,

состоящие из резервуара 1, насоса 2, холодильника 3 и стабилизатора расхода

4. На входе и выходе теплообменника 8 размещены батареи

термоэлектрических чувствительных элементов 6 и 10 (по 20 элементов в

каждой батарее). Эти батареи включены дифференциально, и с их помощью

измеряется разность температур входящего в теплообменник и выходящего из

него потоков воды. Сигнал U, поступающий на автоматический потенциометр

9, пропорционален указанной разности

293

температур Δt, которая в свою очередь пропорциональна высшей удельной

объемной теплоте сгорания анализируемого газа:

( )

вв

гв

ktkU =∆=

(10.27

)

где k — коэффициент преобразования дифференциальной батареи

термоэлектрических чувствительных

элементов; Q

и Q

— постоянные

объемные расходы анализируемого

газа и воды; с

— объемная

теплоемкость воды.

За отрезок времени 1—2 ч, в

течение которого в емкость 13 соби-

рается достаточное для измерения

количество конденсата, можно оп-

ределить среднее значение низшей

объемной теплоты сгорания,

используя формулу (10.26). Для этого

необходимо вычислить среднее за

этот интервал времени значение

высшей объемной теплоты сгорания

по показаниям потенциометра 9 и

измерить количество конденсата.

Расход анализируемого газа

0,15—0,5 м

/ч; диапазон измерений

0—50-10

кДж/м

; классы точности

1—2.

На рис. 10.10,6 показана схема

автоматического калориметра

низшей объемной теплоты сгорания

газов. Этот калориметр является

анализатором циклического действия

с импульсным вводом пробы анализируемого вещества и может работать в

двух режимах: «Подготовка» и «Анализ».

Принцип действия калориметра состоит в измерении температуры

газового потока, образующегося при сгорании пробы анализируемого вещества

в пламени водорода. Измерение осуществляется с помощью так называемого

пламенно-температурного детектора [22]. В камеру 3 этого детектора,

расположенного в аналитическом устройстве 2, из блока подготовки газов 1

непре-

Рис. 10.10. Схемы калориметров

294

рывно подается воздух, а в миниатюрную горелку 5 (внутренний диаметр 0,5

мм) — водород. Кроме того, воздух как газ-носитель непрерывно

прокачивается с постоянным объемным расходом через автоматический

дозатор 14, колонку (трубку) 13 и горелку 5. В камере 3 распределителем 4

создается равномерный по сечению поток воздуха. Водород сгорает в горелке

5. Для контроля и зажигания пламени водорода служат термоэлектрический

чувствительный элемент 7, нихромовая спираль 8 и автомат зажигания пламени

11. В дозатор 14 непрерывно подается анализируемый газ. Температура

газообразных продуктов сгорания измеряется термоэлектрическим

чувствительным элементом 6, сигнал которого подается на масштабирующий

преобразователь 9. Сигнал последнего измеряется автоматическим

потенциометром 10. В режиме «Подготовка» в горелке сгорает только водород,

а формирующийся при этом сигнал термоэлектрического элемента 6

принимают за начальный уровень сигнала калориметра. Температура потока

продуктов сгорания в сечении, в котором располагается термоэлектрический

элемент 6, составляет 130—150°С. В этот период происходит продувка

дозируемого объема дозатора 14 (см. § 12.3) анализируемым газом. Режим

«Подготовка» длится 30—60 с. Затем по команде управляющего устройства 12

дозатор, а с ним и весь калориметр переводятся в режим работы «Анализ». При

этом проба анализируемого газа вводится в поток газа-носителя (воздуха) и

транспортируется им через колонку 13 в горелку 5. Колонка создает

небольшую (15—30 с) задержку в поступлении пробы анализируемого газа из

дозатора в горелку. Эта задержка необходима для завершения переходных

процессов, возникающих при переключении дозатора. При поступлении пробы

анализируемого газа в горелку горючие компоненты ее сгорают в пламени

водорода. При этом увеличивается температура потока газообразных продуктов

сгорания, измеряемая термоэлектрическим элементом 6. Изменение

температуры (обычно несколько градусов) этого потока при постоянных

расходах воздуха, водорода, газа-носителя и малом (не более 0,5—2 см

)

объеме пробы анализируемого газа пропорционально низшей удельной

объемной теплоте сгорания анализируемого газа. Сигнал термоэлектрического

элемента имеет форму пика (см. рис. 9.3, б ). Амплитуда этого сигнала

используется в калориметре в качестве информативного параметра. В по-

следующих циклах работы калориметра все операции повторяются. С помощью

запоминающего устройства (на рис. 10.10, б не показано) сигнал

преобразователя 9 может быть запомнен на время, равное одному циклу работы

калориметра.

Расход анализируемого газа в рассматриваемых калориметрах 0,01 м

/ч;

диапазон измерений 0—50·10

кДж/м

; продолжительность одного цикла

работы 200 с; класс точности 2; температура аналитического устройства 50°С.

295

ГЛАВА 11

ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

§ 11.1. Теоретические основы анализа состава бинарных и

псевдобинарных смесей жидкостей и газов

Измерение концентрации определяемого компонента (см. гл. 9) в бинарных

и псевдобинарных смесях жидкостей и газов — одна из наиболее

распространенных задач автоматического контроля качества потоков химико-

технологических процессов. Для ее решения используется все многообразие

физических, физико-химических и химических методов анализа (см. табл. 9.1).

В общем случае измерение концентрации определяемого компонента в

бинарной смеси осуществляется путем измерения какого-либо физико-хими-

ческого свойства этой смеси П

см

и выполнения вычислений, необходимых для

решения следующей системы уравнений:

(

)







но

нопсмп

ccfkПkU

(11.1)

где U — сигнал анализатора, используемого для измерения физико-

химического свойства смеси; k

— коэффициент преобразования анализатора

по физико-химическому свойству; с

и с

— концентрации определяемого и

неопределяемого компонентов; f—символ функции.

Из второго уравнения системы (11.1) следует

= 1 - с

. (11.2)

С учетом (11.2) первое уравнение системы (11.1) преобразуем к виду

(

)

ооп

1; ccfkU −==

(11.3)

Из выражения (11.3) следует, что сигнал U измерительного устройства является

однозначной и в общем случае нелинейной функцией концентрации

определенного компонента.

Во многих важных для практики автоматических измерений случаях с

достаточной точностью считают, что физико-химические свойства

анализируемой смеси аддитивны, т. е. могут быть определены как сумма

произведений физико-химических свойств компонентов на их концентрации,

выраженные в долях. Обычно используется аддитивность по объемным

концентрациям. Если измеряе-

296

мое физико-химическое свойство аддитивно для смеси, то можно записать







+==

но

нноопсмп

cПcПkПkU

(11.4)

где П

и П

— физико-химические свойства определяемого и неоп-

ределяемого компонентов, аналогичные свойству смеси.

С учетом (11.2) первое уравнение системы (11.4) преобразуем

к виду

UKсU +=

(11.5)

где К = k

(П

— П

)—коэффициент преобразования анализатора по

концентрации; U

= k

— начальный уровень сигнала анализатора.

Измерение концентрации определяемого компонента возможно только

при условии

≠ П

т. е. в том случае, если имеется различие в значениях физико-химических

свойств определяемого и неопределяемого компонентов. Чем больше это

различие, тем точнее может быть измерена концентрация.

Рассмотренный метод анализа в соответствии с определением,

приведенным в § 9.3, является интегральным.

Если для анализа выбрать такое физико-химическое свойство, которое

для неопределяемого компонента равно нулю, а для определяемого

компонента отлично от нуля, то метод анализа бинарной смеси будет

избирательным (см. § 9.3). Для этого случая первое уравнение системы (11.4)

имеет вид

U = k

Пс

= K

= Kс

, (11.6)

где К = k

Для измерения концентрации компонента в псевдобинарной смеси (см. §

9.1) осуществляется измерение некоторого физико-химического свойства, по

которому многокомпонентная смесь может рассматриваться как бинарная.

Если измеряемое свойство n-компонентной смеси является аддитивным,

то можно записать











+==

∑

−

iо

iiоопсмп

cПcПkПkU

(11.7)

где П

— физико-химическое свойство i-го неопределяемого компонента; c

—

концентрация i-ro неопределяемого компонента.

297

Многокомпонентную смесь можно рассматривать как псевдо-бинарную в

следующих случаях.

Случай 1. Когда физико-химические свойства всех неопределяемых

компонентов практически одинаковы и отличаются от одноименного физико-

химического свойства определяемого компонента, т. е.







≠

≈≈≈≈≈≈

−

он

н1i21

ПП

ППППП

(11.8)

Если рассматривать все неопределяемые компоненты как один,

концентрация которого

iн

∑

−

(11.9)

то, используя (11.8) и (11.9), можно свести систему уравнений (11.7) к системе

уравнений (11.4), а ее решение — к выражению (11.5).

Случай 2. Когда неопределяемые компоненты составляют смесь

постоянного состава, а изменение физико-химического свойства анализируемой

смеси происходит за счет изменений соотношения концентраций

определяемого компонента и смеси неопределяемых компонентов, т. е.

=const; c

= const;...; c

= const;...; c„-

const.,

(11.10)

В этом случае смесь неопределяемых компонентов можно рассматривать

как один неопределяемый компонент со значением физико-химического

свойства П

и концентрацией с

. Это позволяет свести анализ такой

многокомпонентной смеси к анализу бинарной и результат представить

выражением (11.5).

Случай 3. Когда физико-химические свойства всех неопределяемых

компонентов анализируемой смеси ничтожно малы по сравнению с физико-

химическими свойствами определяемого компонента или вообще равны нулю,

т. е. справедливо одно из двух условий:







≠

〈〈〈〈〈〈〈〈

−

,;;;;;;

o1oio2o1

ПППППППП

(11.11

)







≠

====

−

,;0;;0;;0;0

1i21

ПППП

(11.12

)

Этот случай соответствует избирательному анализу, а первое уравнение

системы (11.7) для него преобразуется в выражение (11.6).

Часто для анализа бинарных и псевдобинарных смесей используется

дифференциальный метод измерения (см. гл. 1). При этом анализатор,

являющийся в данном случае дифференциальным,

298

содержит два идентичных канала, в один из которых подается анализируемое

вещество, а в другой — вспомогательное, имеющее достоянное физико-

химическое свойство. Первый из каналов называют измерительным, второй —

сравнительным.

На выходе анализатора, реализующего дифференциальный метод

измерений, формируется сигнал, равный разности сигналов, возникающих в

измерительном U

и сравнительном U

ср

каналах:

ΔU = U

- U

ср

(11.13)

Указанные сигналы описываются выражениями:

= k

'П

см

(11.14)

ср

= k

"П

(11.15)

где k

' и k

" — коэффициенты преобразования измерительного и сравнительного

сигналов анализатора по физико-химическому свойству; П

— физико-

химическое свойство вспомогательного вещества.

Если коэффициенты преобразования k

' и k

" одинаковы и равны k

, то из

(11.13) —(11.15) находим

ΔU = k

(П

см

- П

). (11.16)

Для бинарной или псевдобинарной смеси, физико-химическое свойство

которой аддитивно,

см

= П

+ П

(11.17)

Из выражений (11.16) и (11.17) для сигнала дифференциального

анализатора находим

ΔU = Kс

+ U

. (11.18)

где U

= k

(П

— П

) — начальный уровень сигнала дифференциального

анализатора.

Если анализ осуществляется при условии, когда в качестве

вспомогательного вещества используется неопределяемый компонент,

выражение (11.18) преобразуется к виду

ΔU = k

(П

— П

) = Kс

. (11.19)

Для анализа состава бинарных и псевдобинарных смесей жидкостей и газов

в соответствии с приведенными теоретическими представлениями могут быть

использованы и используются практически все описанные в гл. 10 анализаторы

физико-химических свойств. Кроме того, специально для измерения

концентраций определяемого компонента в бинарных, псевдобинарных и

многокомпонентных смесях разработано большое число принципов измерений.

Описание наиболее важных из них приведено далее. В § 11.2—11.10

рассматриваются анализаторы, основанные на физическом, а в § 11.11—11.16

— на физико-химическом методах анализа. Анализа-

299

торы, основанные на химическом методе анализа (см. табл. 9.1) в настоящее

время практически не используются для автоматического контроля в химико-

технологических процессах нефтеперерабатывающей и нефтехимической

промышленности.

§ 11.2. Термокондуктометрические газоанализаторы

Принцип действия термокондуктометрических (от лат. conductor —

проводник) газоанализаторов основан на процессе теплопереноса в газах под

действием градиента температур. Термокондуктометрические анализаторы по

принципу действия относятся к тепловым средствам измерений (см. гл. 9).

Теплопроводность определяет собой количество тепловой энергии,

проходящей через единицу площади, за единицу времени при градиенте

температуры, равном единице температуры на единицу длины. Размерность

теплопроводности в СИ Дж/(град·с·м) или Вт/(град·м).

Передача тепловой энергии теплопроводностью происходит при

столкновении между собой молекул, имеющих различную кинетическую

энергию. Теплопроводность газов пропорциональна произведению длины

свободного пробега молекул на их число в единице объема. Она практически не

изменяется при больших изменениях давления, пока длина свободного пробега

молекул не становится соизмеримой с размерами емкости, в которой

расположен газ. Для подавляющего большинства газов теплопроводность

заметно возрастает с увеличением температуры. Для многих газов и паров

жидкостей величина, обратная теплопроводности,

∑

(11.20

)

— тепловое сопротивление — с высокой точностью является аддитивной, где

1/λ — тепловое сопротивление анализируемой газовой смеси; 1/λ

-— тепловое

сопротивление i-ro компонента смеси; c

— объемная концентрация i-го

компонента.

Измерение теплового сопротивления анализируемой газовой смеси

осуществляется в термокондуктометрических газоанализаторах по

электрическому сопротивлению терморезистора в процессе передачи тепловой

энергии от этого терморезистора, нагреваемого электрическим током до

некоторой температуры, через слой анализируемого газа постоянной толщины

к стенкам камеры, в которой этот терморезистор размещен, имеющим

меньшую, чем терморезистор, постоянную температуру.

Основной частью термокондуктометрического газоанализатора является

детектор, представляющий собой металлический блок 1 (рис. 11.1, а), в

котором высверлены две или чаще четыре камеры 2, 6, 7, 8 цилиндрической

формы. В каждой из камер в проволочных держателях 4, укрепленных в

электроизоляционной обойме 5, размещены металлические или

полупроводниковые терморезисто-

300

ры 3. Металлические терморезисторы выполнены из платиновой, вольфрамовой

или вольфрамрениевой проволоки диаметром 0,02—0,05 мм. Иногда проволока

защищена от коррозии стеклянной оболочкой. Сопротивление металлических

терморезисторов составляет обычно 5—60 Ом. Полупроводниковые

терморезисторы выполнены в виде бусинок диаметром 0,2—0,5 мм с

сопротивлением 2—30 кОм.

Схема термокондуктометрического газоанализатора показана на рис.

11.1, б. Анализируемый и вспомогательный газы поступают из блока

подготовки газов 9 с постоянными

объемными расходами соответственно в

соединенные последовательно камеры

2, 6 и 8, 7 (рис. 11.1, а). Размещенные

в этих камерах измерительные R

сравнительные R

ср

терморезисторы

включены в неравновесный мост, для

питания которого служит стабилизиро-

ванный ис- точник питания 11 (обычно

постоянного тока). Напряжение питания

подбирают таким, чтобы терморезисторы

были нагреты до температуры 50—

200°С. Резистор R

служит для настройки

начального уровня сигнала

неравновесного моста, резистор R

—

для настройки коэффициента передачи.

Тепловая энергия, выделяющаяся на

терморезисторах R

, отводится в общем

случае за счет теплопроводности через

слой газа, конвекции, излучения и

теплопроводности в тонких креплениях

терморезистора. Режим работы терморезисторов подбирают так, чтобы

теплопередача в камерах детектора происходила практически полностью

за счет теплопроводности через слой газа.

Когда теплопроводности анализируемого и сравнительного газов

одинаковы, с помощью резистора R

на измерительной диагонали моста

устанавливается нулевое значение сигнала. При изменении теплопроводности

смеси условие теплопередачи в камерах 2 и 6 изменяется, а в камерах 7 и 8

остается прежним. Это вызывает изменение сопротивлений терморезисторов

. В результате на

Рис. 11.1. Схемы термокондуктометрического

детектора (а) и газоанализатора (б)