Способ определения концентрации компонента в анализируемой смеси

 

О П И С Л Н И В,,92о49о

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистические

Республик (6I ) Дополнительное к авт. саид-ву (22)Заявлено 17.07.80 (21) 2959777/18-25 с присоединением заявки М (5l)M. Кд.

G 01 N 25/48

Гасударственный ксмнтет

СССР ао делам нзебретеннй и аткрытнй (23) Приоритет

Опубликовано 15 04 82. Бюллетень J%14 (53) УДК 536.66 (088. 8) Дата опубликования описания 15.04.82

И.Н. Мухояров, Б.А. Малов и А.Н. Соловьев т с

«

Киевский ордена Трудового Красного Знамен институт инженеров гражданской авиации (72) Авторы изобретения

1

f !

I .ъ;

1 (71) Заявитель ю (54) CflOCOS OllPEQEJlEHNfl КОН ЕНТРА ИИ KOMflOHEHTA

В АНАЛИЗИРУЕМОЙ СМЕСИ

Изобретение относится к физикохимическим методам анализа и служит для определения содержания растворенного газа в углеводородных жидкостях, в частности, кислорода в реактивных топливах.

Известен электрохимический метод измерения концентрации кислорода, растворенного в жидкостях, в том числе и жидких. топливах, заключаю10 щийся в диффузии растворенных молекул кислорода, через проницаемую только для них мембрану к катоду, помещенному в среду электролита и поляризованному по отношению к аноДу, второго рода (например А -Атей).

По величине силы тока, определяющего диффузию молекул кислорода к катоду и их восстановлению судят о концентрации растворенного кислорода l11

К недостаткам этого метода относится сложность и дороговизна как самого измерительного устройства, так и регистрирующей аппаратуры, большая зависимость чувствительности данного метода от температуры и кроме того, старение. электролита и пассивация анода и катода требуют ежесуточной калибровки.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения концентрации компонента в анализируемой смеси, заключающийся в пропускании этой смеси через химический реагент, селективно взаимодействующий с определяемым компонентом с выделением тепла и расчете искомой концентрации по термоэффекту, регистрируемому измерительным устройством. Примером реализации этого способа является анализатор, который может применяться для измерения концентрации кислорода, нвхрдящегося в газовой фазе.

Анализируемый газ поступает в анализатор с постоянным расходом и встре«чается с абсорбционной жидкостью в ленного из меди, которая не вступает в реакцию с жидким химическим ре«-» гентом, помещенным в сосуде. Внутри сосуда. 1 находится коллектор 2, име ющий в нижней части калиброванные отверстия. Реакционный сосуд окружен е массивной теплоизолированной оболочкой 3. Термобатарея 4 служит для измерения температуры химического реагента. Ее горячие спаи размещены рав номерно по всей длине наружной поверхности реакционного сосуда, а холодные спаи - на оболочке 3. Для контроля температуры анализируемого топлива на входе в реакционный сосуд служит термобатарея 5, горячие спаи которой находятся в гильзе 6, омываемой топливом перед входом в реакционный сосуд, а холодные спаи также раз, го мещены на оболочке 3.ЭДС термобатарей измеряется с помощью потенциометра 7 с ценой деления 0,1 мкВ.

Вентили 8-1 2 служат для ввода и вывода из устройства химического реагента и анализируемого топлива.Сосуд 1 3 является емкостью для химического, реагента, а сосуд 14 - для анализируемого топлива. С помощью вентилей 15, 16 и сосуда 17, который через вентиль 18 сообщается с вакуумной системой, в сосуде 14 приготавливают образцы топлива с различной концентрацией кислорода.

Принцип действия устройства заключается в следующем.

Топливо с исследуемой концентрацией растворенного кислорода барбо.тируют в виде капель заданного размера под слой жидкого химического реагента, (поглотительного раствора) находяшегося в реакционном сосуде, при этом растворенный в топливе кислород вступает в реакцию с химичес,ким реагентом. В качестве химического реагента используется водный раствор хлористого хрома, который быстро и со значительным выделением тепла вступает в реакцию с кислородом, не реагируя с топливом. Кроме того, его поглотительная способность в интервале температур 050 С не зависит от температуры.Концентрацию растворенного кислорода определяют по степени повышения тем; пературы поглотительного раствора, которая регистрируется с помощью датчика температуры - измерительным прибором. Поскольку топливо не смешивается с химическим реагентом, 3 920490 4

V-образной трубе. Мерой концентрации определяемого компонента является разность температур раствора до и после реакции, которая измеряется с помощью термобатареи, спаи которой плотно прилегают к V-образной. трубе. Измерительный прибор посл градуировки показывает непосредствен но концентрацию определяемого компонента j2).

Недостатком указанного способа является то, что применение этого способа для определения содержания растворенного в жидкости кислорода потребует предварительного выделения его s газовую фазу. Для этого необхо димо специальное устройство и сравни тельно большое количество анализируемой жидкости для получения достаточного для анализа объема газа.Кроме того, из жидкости выделяется не весь растворенный кислород, некоторая часть его может остаться в жидкости, что приводит к дополнительной погрешности в определении концентра" ции растворенного кислорода.

Целью изобретения является повышение точности при определении концентрации кислорода; растворенного в жидкости. зо

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения концентрации компонента в анализируемой смеси, заключающемуся в ïðîпускании этой смеси через химический реагент, селективно взаимодействующей с определяемым компонентом с выделением тепла, и расчете искомой концентрации по термоэффекту, регистрируемому измерительным устройст40 вом, перед определением анализируемую жидкость с нижним пределом концентрации измеряемого кислорода барботируют через жидкий химический ..реагент, увеличивая степень диспергирования анализируемой жидкости до достижения термоэффекта, равного порогу срабатывания измерительного устройства, а определение концентрации проводят при барботировании анализируемой смеси через жидкий реагент с найденной степенью диспергирования.

На фиг.1 изображено устройство, реализующее предложенный способ onределения концентрации; на фиг.2зависимость концентрации от ЭДС.

Устройство состоит из тонкостенного реакционного сосуда 1, изготов5 920ч то условия протекания реакции между растворенным в топливе кислородом и поглотительным раствором существенно зависят от поверхности раздела этих сред. При простом слиянии топлива с поглотительным раствором кис- лород, растворенный во всем объеме исследуемого топлива, не может вступить в реакцию, так как время диффузии его из объема топлива к поверхности раздела с водным раство" ром Сг09 велико, поэтому тепловой эффект ничтожно мал и не поддается измерению. Для того, чтобы кислород, растворенный во в=ем объеме топлива, взятого для испытаний, смог вступить в химическую реакцию с поглотительным раствором, необходимо увеличить поверхность их контакта, т.е. диспергировать топливо. Если попытаться механически смешать топливо с химическим реагентом, то образуемое при этом тепло за счет диссипации механической энергии, затраченной на перемешивание, значитель- >5 но больше, чем тепловой эффект ðåàêции растворенного в топливе кислорода с реагентом, и этот эффект не под дается в этом случае измерению. Поскольку топливо и поглотительный раствор имеют разную плотность, задача диспергирования топлива без внесения заметных посторонних тепловых эффектов,решается путем барботирования топлива под .слой жидкого химического

35 реагента; Для этого топливо пропуска,ют под действием некоторого перепада давлений через калиброванные отверстия в коллекторе 2. Топливо, прохо" дя через отверстия, погруженные в

40 жидкий химический реагент, диспергируется при истечении из них в виде каФель. При движении капель топлива через слой жидкого химического реа« гента, растворенный в топливе кисло43 род диффундирует к поверхности капель, где вступает в реакцию с CrC3 находящимся в поглотительном растворе.

Экспериментально было проверено,что концентрация СгС в поглотительном растворе в пределах 2 " 203 не ока50 зывает влияния на интенсивность ïðîтекания реакции СгС9 с кислородом, а определяет лишь работоспособность раствора, т.е. количество опытов, которые можно проделать с одним и тем же поглотительным раствором.

Поэтому количество выделяемого в результате реакции тепла и регистри90 о руемая при этом степень повышения температуры поглотительного раствора при прочих равных условиях однозначно определяется концентрацией растворенного в топливе кислорода. Количество вступающего в реакцию растворенного в топливе кислорода существенно зависит от степени диспергирования топлива, она должна быть такой, чтобы при наименьшей измеряемой концентрации растворенного кислорода получить такой тепловой эффект, чтобы степень повышения температуры поглотительного раствора регистрировалась с необходимой точностью. Степень диспергирования зависит главным образом от двух факторов: размера калиброванных отверстий в стенке коллектора и перепада давлений на ней (эти два фактора взаимосвязаны, чем меньше размер отверстий, тем больше должен быть минимальный перепад давления, необ.,ходимый для предаливания капель топ-. лива через эти отверстия) . Кроме того, перепад давления на стенке при заданной величине отверстий для барботажа оказывает влияние на скорость истечения топлива через отверстия в коллекторе. В зависимости от этой скорости или от перепада давления могут быть три режима истечения: капельный, промежуточный и струйный. Наибольшая степень диспергирования топлива достигается при капельном режиме истечения, причем при этом режиме частота образования капелек топлива также зависит от перепада давления. Поскольку аналитическое решение задачи нахождения необходимой степени диспергирования затруднительно, ее решают экспериментально. Задав размер и количество отверстий для барботирования, находят перепад давления, при котором измерительным прибором регистрируется повышение температуры поглотительного раствора с требуемой точностью при минимальной концентрации измеряемого кислорода, т.е. достигается порог срабатывания измерительного устройства. В нашем случае коллектор имеет два противоположно расположенных отверстия для барботирования диаметром 0,2 мм; повышение температуры поглотительного раствора регистрируется с помощью двадцатиспайной медь-константано" вой дисфференциальной термопары и

7 9204 потенциометра класса 0,002 с ценой наименьшего деления 0,1 мкВ. По условиям измерений минимальная определяемая концентрация кислорода составляет 0,63 по обьему,приведенному к нормальному давлению, а абсолютная погрешность не превышает погрешность + 0,2 обьемных процентов.

Исходя из перечисленных условий, 10 необходимый перепад давления для барботирования топлива, определенный экспериментально путем изменения гидростатического столба топлива, подаваемого в коллектор, составляет величину порядка 300-400 н/м, что соответствует величине гидростатического столба топлива порядка 0,30,4 м. При этом сигнал, регистрируемый потенциометром, составляет величину порядка 50 мкВ. Абсолютная погрешность измерения концентрации кислорода + 0,2i требует измерения этоto сигнала с погрешностью не более

Т16 мкВ, что обеспечивается потенцио- 5 метром, погрешность которого составляет величину + 1,5 мкВ. Однако погрешность измерения концентрации кислорода определяется случайной погрешностью, которая оценивается на основании тарировочных опытов по воспроизводимости значений ЭДС термоэффекта, полученных в последовательных опытах с одной и той же концентрацией растворенного кислорода. В

35 дальнейшем все опыты проводятся с одинаковой степенью диспергирования топлива, которую задают найденной экспериментально величиной гидростатического столба топлива, поступающего в коллектор для. барботирования.

Перед началом измерений в делительной воронке емкостью 250 мл приготавливают поглотительный раствор хло.ристого хрома. Затем производят заливку поглотительного раствора из делительной воронки в реакционный сосуд, для чего воронку присоединяют к входному штуцеру вентиля 10 и при закрытых вентилях 9 и 11, открывают

50 сначала вентили 8 и 12, а затем 10.

После контрольного слива на выходе вентиля 12 закрывают сначала вентили 12 и 8, а затем вентиль 10. Производят выдержку до тех пор, пока не произойдет выравнивание температур

55 поглотительного раствора, помещенного в реакционный сосуд, и наружной оболочки, т.е. пока значение тер90 8 мо-ЗДС термобатареи 5, измеряемое потенциометром, не станет равным нулю. При равенстве термо-ЭДС нулю прибор готов к проведению испытаний.

Опыт проводят следующим образом.

Анализируемое топливо помещают в емкость 14. Открывают кран 11 и 9 и производят слив топлива на выходе вентиля 9 для удаления из системы воздуха, закрывают вентиль 9, при этом вентиль 9 закрыт. Затем открывают вентиль 8 и 12 и анализируемое топливо поступает в коллектор и барботируется под слой жидкого химического реагента. В течении опыта непрерывно изменяют величину ЭДС термоэффекта и когда она достигает максимального установившегося значения опыт заканчивают - это значение является результатом опыта. Время установления стационарного значения величины составляет 10-12 мин.; за это время через реакционный сосуд протекает 50-60 мл топлива.В .опыте также фиксируют значение ЗДС ! термобатареи д „. Если ее показания не равны нулю, то в измеренное значение Я вносят поправку на тем I пературу входящего в реактор топлива.

E Е„-nÅ,, Для наладки и тарировки устройства проводят опыты с образцами топлива, содержащими различное количество растворенного кислорода. Образцы

Iтоплива с заданной концентрацией растворенного кислорода приготавливают непосредственно в емкости 14.

Иетодика приготовления таких образцов топлива основывается на законе

Генри, которому подчиняется растворимость газов во многих жидкостях, в том числе и в реактивных топливах $ = КР, где S - растворимость данного газа в жидкости

К - константа Генри для данного газа;

Р - парциальное давление газа над жидкостью, мм рт.ст.

Меняя давление в подтопливом пространстве сосуда 14 с помощью вакуумной системы, а тем самым и парциальное давление .кислорода, можно получать образцы топлива с различным содержанием кислорода.

Одновременно с измерением термоэффекта для каждого образца топлива определяют содержание кислорода

9

SQ с помощью хроматографа,кроме того, содержание кислорода определяют также в соответствии с законом

Генри по парциальному давлению кислорода, значение константы Генри берут из литературных данных. Оба способа определения концентрации кислорода имеют хорошую сходимость.

Воспроизводимость величины ЭДС термоэффекта для трех последовательных опытов с одним и тем же содержанием кислорода составляет величину порядка 12-16 мкВ, что соответ,ствует величине погрешности не более

0,24, заданной по условиям измерений °

Изобретение позволяет простыми средствами повысить точность и сократить время анализа определения кислорода, растворенного в жидкости, что особенно важно для проведения анализа в местах хранения и использования, например, реактивных топлив, в частности, при заправке сверхзвуковых самолетов.

Формула изобретения

Способ определения концентрации компонента в анализируемой смеси, б

0490 10

"заключающийся в пропускании этой смеси через химический реагент,селективно взаимодействующий с onpe" деляемым компонентом с выделением

5 тепла, и расчете искомой концентрации по термоэффекту, регистрируемому измерительным устройством, о т л и ч а ю щ и ",. чтo, с целью повышения точности при опре1в делении концентрации кислорода, pactворенного в жидкости, перед определением анализируемую жидкость с ниж" ним пределом концентрации:измеряемо" со кислорода барботируют через жид" кий химический реагент, увеличивая степень диспергирования анализируемой жидкости до достижения термоэффекта, равного порогу срабатывания измерительного устройства, а

2о определение концентрации проводят при барботировании анализируемой смеси через жидкий реагент с найденной степенью диапергирования.

Источники информации, 25 принятые во внимание при экспертизе.

1. Патент Ся1А Ю 3708412, кл..204-195 р, опублик. 1973

2,. Ваня Я. Анализаторы газов и жидкости. И., "Энергия, 1970, с. 165 зО (прототип). е Ф

920490

N0 (00

УО 30 40

Составитель Ю. Коршунов

Техред С. Мигунова Корректор Ю. Макаренко

Редактор Н. Горват

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4

Заказ 2325/44 Тираж 883 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5