Свч-способ определения наличия взвешенной влаги в жидких углеводородах

Изобретение относится к способам определения влажности жидких углеводородов. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности, лабораторной практике для контроля качества горюче-смазочных материалов, а также для экспресс-контроля качества авиационного керосина перед его непосредственной заправкой в баки летательных аппаратов. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей за счет определения взвешенной влаги. СВЧ-способ определения наличия взвешенной влаги в жидких углеводородах заключается в том, что в цилиндрический объемный резонатор помещают кювету с жидким углеводородом (например, с авиационным керосином). Кювета выполнена в виде цилиндра или диска, устанавливают кювету вдоль или перпендикулярно продольной оси цилиндрического объемного резонатора, дополнительно в жидкий углеводород добавляют антиобледенительную присадку - моноэтиловый эфир этиленгликоля (жидкость "И"). Объемное процентное содержание жидкости "И" должно быть таким, что добавка растворенной влаги, содержащейся в антиобледенительной присадке, должна быть соизмерима с естественной растворенной влагой, которая содержится в жидком углеводороде. Возбуждают электромагнитное колебание типа Н₀₁₁, измеряют нагруженную добротность колебания типа Н₀₁₁ цилиндрического объемного резонатора при температуре t₁, по истечении не менее 20 минут вновь измеряют нагруженную добротность. По изменению нагруженной добротности судят о наличии взвешенной влаги. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности жидких углеводородов. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности, лабораторной практике для контроля качества горюче-смазочных материалов, в частности для экспресс-контроля качества авиационного керосина.

Известен кондуктометрический способ определения влажности (см. Жуков Ю.П., Кузнецов М.В. Высокочастотная безэлектродная кондуктометрия - М.: Энергия, 1968, с.104). Измерение объемной влажности данным способом ограничено участком от 2% до 30%. Недостатком известного способа является то, что в диапазоне влажностей 0-2% измерение практически невозможно, так как величины сопротивлений материалов становятся больше входных сопротивлений измерительных устройств.

Известен резонаторный способ определения объемной концентрации влажности (см. Берлинер М.А. Измерение влажности - М.: Энергия, 1973), принятый за прототип. При этом способе исследуемая жидкость помещается в кювету, находящуюся в полости цилиндрического объемного резонатора (ЦОР). Кювета выполняется в виде цилиндра или диска и устанавливается вдоль или перпендикулярно соответственно продольной оси объемного резонатора. Затем возбуждают электромагнитное поле (ЭМП) типа Н₀₁₁, измеряют нагруженную добротность. Выходной величиной первичного измерительного преобразователя (ПИП) служит вызванное введением исследуемого материала изменение добротности резонатора ΔQ=Q-Q₀ (Q - нагруженная; Q₀ - ненагруженная добротности ОР). Недостатком прототипа является невозможность определения взвешенной влаги (мельчайшие капельки воды) по причине того, что изменение влагосодержания может быть вызвано не только наличием взвешенной влаги, но и наличием, например, антиобледенительной присадки (за счет наличия растворенной влаги в присадке), а также может быть вызвано изменением марки топлива (объемное процентное содержание естественной растворенной влаги зависит от марки топлива - керосина, бензина, дизельного топлива и т.д.).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность определения наличия взвешенной влаги в жидком углеводороде.

Данный технический результат достигается тем, что в СВЧ-способе определения наличия взвешенной влаги в жидких углеводородах в цилиндрический объемный резонатор помещают кювету с жидким углеводородом (например, с авиационным керосином), которая выполнена в виде цилиндра или диска, устанавливают кювету вдоль или перпендикулярно продольной оси цилиндрического объемного резонатора, дополнительно в жидкий углеводород добавляют антиобледенительную присадку - моноэтиловый эфир этиленгликоля (жидкость "И"), при этом объемное процентное содержание жидкости "И" должно быть таким, что добавка растворенной влаги, содержащейся в антиобледенительной присадке, должна быть примерно соизмерима с естественной растворенной влагой, которая содержится в жидком углеводороде, возбуждают электромагнитное колебания Н₀₁₁, измеряют нагруженную добротность колебания Н₀₁₁ цилиндрического объемного резонатора при температуре t₁, при той же температуре t₁ и по истечении некоторого времени вновь измеряют нагруженную добротность, по изменению нагруженной добротности судят о наличии взвешенной влаги.

На чертеже показана деформация силовых линий электростатического поля в диэлектрическом шарике.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. В ЦОР помещают кювету с жидким углеводородом. Кювету выполняют в виде цилиндра или диска и устанавливают вдоль или перпендикулярно оси цилиндрического объемного резонатора. В жидкий углеводород добавляют антиобледенительную присадку - моноэтиловый эфир этиленгликоля (жидкость "И"), возбуждают электромагнитное колебание Н₀₁₁, измеряют нагруженную добротность колебания Н₀₁₁ цилиндрического объемного резонатора при температуре t₁. Если в исследуемом жидком углеводороде отсутствует взвешенная влага (в виде мельчайших капель), то нагруженная добротность будет зависеть от объемного процентного содержания естественной растворенной влаги (одна, две, три и т.д. молекул), содержащейся в жидком углеводороде, и объемного процентного содержания растворенной влаги, содержащейся в жидкости "И". При неизменной температуре окружающей среды t₁ с течением времени нагруженная добротность изменяться не будет, так как объемное процентное содержание естественной растворенной влаги в жидком углеводороде зависит от температуры.

Иначе будет обстоять дело, если в жидком углеводороде будет содержаться взвешенная влага. Как известно (Кугушев А.М., Голубев Н.С. Основы радиоэлектроники. - М.: Энергия, 1969, с.372-373), в объеме диэлектрического шарика электрическое поле деформируется из-за граничных условий (см. чертеж). Напряженность электрического поля внутри шарика E₂ связана с невозмущенной напряженностью электрического поля вне шарика Е₁ следующим выражением

где ε_ж - относительная диэлектрическая проницаемость жидкого углеводорода; - относительная диэлектрическая проницаемость воды (≈81). Для авиационного керосина (ε_к≈2.08), вследствие чего поле E₂ примерно в 20 раз меньше поля Е₁. Мощность потерь пропорциональна квадрату напряженности поля. Если часть взвешенной влаги перевести в растворенное состояние, то потери этой части взвешенной влаги увеличится примерно в 400 раз. Далее при той же температуре t₁ и по истечении некоторого времени вновь измеряют нагруженную добротность, по изменению нагруженной добротности судят о наличии взвешенной влаги, при этом объемное процентное содержание жидкости "И" должно быть таким, что добавка растворенной влаги, содержащейся в антиобледенительной присадке, должно быть примерно соизмеримо с естественной растворенной влагой, которая содержится в авиационном керосине.

Суть предлагаемого способа поясняет следующий эксперимент.

В эксперименте использовался цилиндрического ОР с параметрами: радиус а=0.0375 м, длина l=0.1037 м, добротность пустого ЦОР - Q₀≈910, материал - отполированная бронза марки 555. Эксперимент показал следующие результаты. Вначале измерялась нагруженная добротность ЦОР с авиационным керосином марки ТС1 без добавки антиобледенительной присадки (жидкости "И"). Форма кюветы выбиралась в виде диска, диаметром, равным диаметру ЦОР, и находящейся у нижней торцовой стенки резонатора. Резонансная частота ЦОР с авиационным керосином без жидкости "И" относительного уровня h/l=0.3 (где l - длина ЦОР, h - уровень керосина) равнялась 4.82 ГГц, а нагруженная добротность Q_H1≈450. Следовательно, парциальная добротность, вызванная потерями в растворенной влаге авиационного керосина, примерно равна Q₁≈900, так как

Измерения проводились при температуре окружающей среды и керосина t=18°C. При этой температуре в авиационном керосине марки ТС1 содержится примерно 0.08% объемной концентрации естественной растворенной (одна, две, три и т.д. молекул воды, но не капли) влаги (см. Резников М.Е., Старостенко Г.К. Химия и авиационные горючие и смазочные материалы. - М.: Издание ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского - 1977. C.114).

Далее в авиационный керосин добавлялось примерно 0.03% объемной концентрации влаги, вся смесь диспергировалась (взбалтывалась), полученная смесь помещалась в ЦОР с тем же относительным уровнем h/l=0.3 и при той же температуре t=18°C, что и при измерении Q_H1. Нагруженная добротность в этом случае Q_H2 практически не изменилась (уменьшилась на 3-5 единиц) по сравнению с Q_H1, хотя 0.03% взвешенной влаги (в виде мельчайших капель) примерно в 4 раза больше объемной процентной концентрации естественной растворенной (0.08% для температуры t=18°C). Это можно объяснить тем, что в объеме влаги электрическое поле из-за граничных условий деформируется.

Перевести часть взвешенной влаги в растворенное состояние можно путем добавки в керосин, содержащий взвешенную влагу, противообледенительной присадки. Жидкость "И" (моноэтиловый эфир этиленгликоля) связывает часть взвешенной влаги и переводит ее в растворенное состояние, тем самым увеличивая потери. В эксперименте в полученную смесь добавлялось 1% жидкости "И" первого сорта. В первом сорте содержалось 0.2% объемной процентной концентрации растворенной влаги, что соизмеримо с объемом естественной растворенной влаги в авиационном керосине. Нагруженная добротность в этом случае равнялась Q_H3≈405. Это можно объяснить следующим образом. Из (2) парциальная добротность, вызванная потерями в растворенной влаге авиационного керосина, примерно равна Q₁≈710, т.е. уменьшается на 21%. Что согласуется со следующим фактом - добавка 1% жидкости "И" первого сорта, содержащего 0.2% объемной процентной концентрации растворенной влаги, увеличивает объемную процентную концентрацию растворенной влаги с 0.008% до 0.01%, т.е. увеличивается на 25%. Это объясняется тем, что в паспорте на жидкость "И" 1 сорта - объемная процентная концентрация растворенной влаги не более 0.2%, т.е. фактически оказалось меньше.

После добавки 1% жидкости "И" и по истечении 20 минут при той же температуре окружающей среды и керосина t=18°C нагруженная добротность уменьшилась с Q_н3≈405 до Q_н4≈320, что равносильно уменьшению парциальной добротности с Q₁≈710 на 28%. Таким образом, часть взвешенной влаги перешла в растворенное состояние, увеличив потери.

Реализовать предлагаемый способ можно, используя известные устройства: перестраиваемый генератор СВЧ, измеритель добротности, устройства впуска-выпуска жидкости и дозирования.

Таким образом, по сравнению с прототипом существует возможность в предлагаемом способе определения наличия взвешенной влаги.

СВЧ-способ определения наличия взвешенной влаги в жидких углеводородах, при котором в цилиндрический объемный резонатор помещают кювету с жидким углеводородом, которая выполнена в виде цилиндра или диска, устанавливают кювету в виде цилиндра вдоль, а кювету в виде диска устанавливают перпендикулярно продольной оси цилиндрического объемного резонатора, отличающийся тем, что в жидкий углеводород добавляют антиобледенительную присадку - моноэтиловый эфир этиленгликоля (жидкость И), при этом объемное процентное содержание жидкости И должно быть таким, что добавка растворенной влаги, содержащейся в антиобледенительной присадке, должна быть соизмерима с естественной растворенной влагой, которая содержится в жидком углеводороде, возбуждают электромагнитное колебание H₀₁₁, измеряют нагруженную добротность колебания Н₀₁₁ цилиндрического объемного резонатора при температуре t₁, при той же температуре t₁ и по истечении не менее 20 мин вновь измеряют нагруженную добротность, по изменению нагруженной добротности судят о наличии взвешенной влаги.