Способ определения концентрации компонента в анализируемой смеси

ОП ИСАНИ И ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскнкСоциалистическиеРеспублик щ 920490(23) Приоритет Опубликовано 15 536.бб 088.8) Оч.82. Бюллетень Мия описания 15.01 елам изобретени аткрыт ата опублнк.Н. Мухояров, Б.А, Малов и А,Н, Соловь иевский ордена Трудового К институт инженеров граждан сного Знаме ой авиации 1 Заявите Ф(5 тт) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТ В АНАЛИЗИРУЕМОЙ СМЕСИ10 Изобретение относится к физико.химицеским методам анализа и служитдля определения содержания растворенного газа в углеводородных жидкостях, в частности, кислорода вреактивных топливах,Известен электрохимический методизмерения концентрации кислорода,растворенного в жидкостях, в томчисле и жидких. топливах, заключающийся в диффузии растворенных молекул кислорода, через проницаемуютолько для них мембрану к катоду,помещенному в среду электролита иполяризованному по отношению к аноДвторого рода (например А Атей),По величине силы тока, определяющего диффузию молекул кислорода к катду и их восстановлению судят о концентрации растворенного кислорода 11.К недостаткам этого метода относится сложность и дороговизна каксамого измерительного устройства,так и регистрирующеи 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 спо.соб 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 тер.моэффекту, 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 встречается с абсорбционной жидкостью вленного из меди, которая не вступает в реакцию с жидким химическим реагентом, помещенным в сосуде. Внутрисосуда. 1 находится коллектор 2, имеющий в нижней части калиброванныеотверстия. Реакционный сосуд окружен е массивной теплоизолированной оболочкой 3. Термобатарея 4 служит для измерения температуры химического реагента, Ее горяцие спаи размещень 1 равномерно по всей длине наружной поверхности реакционного сосуда, ахолодные спаи - на оболочке 3. Дляконтроля температуры анализируемоготоплива на входе в реакционный сосудслужит термобатарея 5, горячие спаикоторой находятся в гильзе 6, омываемой топливом перед входом в реакционный сосуд, а холодные спаи также раз, гомещены на оболочке 3.ЭДС термобатарей измеряется с помощью потенциометра 7 с ценой деления 0,1 мкВ. Вентили 8-12 служат для ввода и вывода из устройства химического реагента и анализируемого топлива.Сосуд 13 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 водныйраствор хлористого хрома, которыйбыстро и со знацительным выделениемтепла вступает в реакцию с кислородом, не реагируя с топливом. Крометого, его поглотительная способность в интервале температур 050 С не зависит от температуры,Концентрацию растворенного кислородаопределяют по степени повышения тем;пературы поглотительного раствора,которая регистрируется с помощьюдатчика температуры - измерительнымприбором. Поскольку топливо не смешивается с химическим реагентом,55 3 920490 4Ч-образной трубе. Мерой концентрации определяемого компонента является разность температур растворадо и после реакции, которая измеряется с помощью термобатареи, спаикоторой плотно прилегают к Ч-образной. трубе. Измерительный прибор послградуировки показывает непосредственно концентрацию определяемого компонента 21.Недостатком указанного способаявляется то, что применение этогоспособа для определения содержаниярастворенного в жидкости кислородапотребует предварительного выделенияего в газовую фазу. Для этого необходимо специальное устройство и сравнительно большое количество анализируемой жидкости для получения достаточного для анализа объема газа.Кроме того, из жидкости выделяется невесь растворенный кислород, некоторая часть его может остаться в жидкости, что приводит к дополнительнойпогрешности в определении концентра"ции растворенного кислорода.Целью изобретения является повышение точности при определении концентрации кислорода; растворенногов жидкости,зоПоставленная цель достигается тем,что согласно способу определенияконцентрации компонента в анализируемой смеси, заключающемуся в пропускании этой смеси через химическийреагент, селективно взаимодействующей с определяемым компонентом свыделением тепла, и расцете искомойконцентрации по термоэффекту, регистрируемому измерительным устройст 40вом, перед определением анализируемую жидкость с нижним пределом концентрации измеряемого кислорода барботируют через жидкий химическийреагент, увеличивай степень диспергирования анализируемой жидкости додостижения термоэффекта, равного порогу срабатывания измерительногоустройства, а определение концентрации проводят при барботировании анализируемой смеси через жидкий реагент с найденной степенью диспергирования.На фиг.1 изображено устройство,реализующее предложенный способ опФределения концентрации; на фиг.2 зависимость концентрации от ЭДС.Устройство состоит из тонкостенного реакционного сосуда 1, изготов5 920 что условия протекания реакции междурастворенным в топливе кислородоми поглотительным раствором существенно зависят от поверхности разделаэтих сред. При простом слиянии топлива с поглотительным раствором кис-лород, растворенный во всем объемеисследуемого топлива, не можетвступить в реакцию, так как времядиффузии его из объема топлива к поверхности раздела с водным раство"ром СгС велико, поэтому тепловой эффект ничтожно мал и не поддается измерению. Для того, чтобы кислород, растворенный во в:ем объеметоплива, взятого для испытаний,смог вступить в химическую реакцию споглотительным раствором, необходимоувеличить поверхность их контакта,т.е. диспергировать топливо. Еслипопытаться механически смешать топливо с химическим реагентом, тообразуемое при этом тепло за счетдиссипации механической энергии, затраченной на перемешивание, значительно больше, чем тепловой эффект реакции растворенного в топливе кислорода с реагентом, и этот эффект не поддается в этом случае измерению. Поскольку топливо и поглотительныйраствор имеют разную плотность, задача диспергирования топлива без внесения заметных посторонних тепловых эффектов,решается путем барботированиятоплива под .слой жидкого химического35реагента; Для этого топливо пропуска,ют под действием некоторого перепададавлений через калиброванные отверстия в коллекторе 2, Топливо, прохо"дя через отверстия, погруженные ваожидкий химический реагент, диспергируется при истечении из них в видекаФель. Ори движении капель топливачерез слой жидкого химического реагента, растворенный в топливе кисло 4род диффундирует к поверхности капель,где вступает в реакцию с СгС 1 , находящимся в поглотительном растворе.Экспериментально было проверено,чтоконцентрация СгС 1 в поглотительномрастворе в пределах 2 " 203 не Оказывает влияния на интенсивность протекания реакции СгС с кислородом,а определяет лишь работоспособностьраствора, т.е. количество опытов,которые можно проделать с одними тем же поглотительным раствором.Поэтому количество выделяемого в результате реакции тепла и регистри 90оруемая 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 1 очностью. 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 топлива 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, 8 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 аналитичес- кое 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 поглоти- тельного 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-константановой дисфференциальной термопары и45 7 9204потенциометра класса 0,002 с ценойнаименьшего деления 0,1 мкВ. Поусловиям измерений минимальная определяемая концентрация кислородасоставляет 0,63 по обьему,приведенному к нормальному давлению, а абсолютная погрешность не превышаетпогрешность + 0,2 обьемных процентов.Исходя из перечисленных условий, 16необходимый перепад давления длябарботирования топлива, определенный экспериментально путем изменения гидростатического столба топлива,подаваемого в коллектор, составляетвеличину порядка 300-400 н/м, чтосоответствует величине гидростатического столба топлива порядка 0,30,4 м, При этом сигнал, регистрируемый потенциометром, составляет величину порядка 50 мкВ. Абсолютная погрешность измерения концентрации кислорода + 0,23 требует измерения этого сигнала с погрешностью не более116 мкВ, что обеспечивается потенциометром, погрешность которого составляет величину + 1,5 мкВ. Однакопогрешность измерения концентрациикислорода определяется случайнойпогрешностью, которая оцениваетсяна основании тарировочных опытов по воспроизводимости значений ЭДС термоэффекта, полученных в последовательных опытах с одной и той же концентрацией растворенного кислорода. В35 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, открываютЮ снацала вентили 8 и 12, а затем 1 О. 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 температур55 поглотительного раствора, помещенного в реакционный сосуд, и наружной оболочки, т.е. пока значение тер 90 8мо-ЗДС термобатареи 5, измеряемоепотенциометром, не станет равным нулю. При равенстве термо-ЭДС нулюприбор готов к проведениюиспытаний.Опыт проводят следующим образом,Анализируемое топливо помещают вемкость 14. Открывают кран 11 и 9 ипроизводят слив топлива на выходевентиля 9 для удаления из системывоздуха, закрывают вентиль 9, приэтом вентиль 9 закрыт, Затем открывают вентиль 8 и 12 и анализируемоетопливо поступает в коллектор и барботируется под слой жидкого химического реагента, В течении опыта непрерывно изменяют величину ЭД 0 термоэффекта и когда она достигает максимального установившегося значенияопыт заканчивают - это значение является результатом опыта, Время установления стационарного значениявеличинысоставляет 10-12 мин.;за это время через реакционный сосуд протекает 50-60 мл топлива.В.опыте также фиксируют значение ЗД 0термобатареи д, Бсли ее показания не равны нулю, то в измеренноезначение Я вносят поправку на температуру входящего в реактор топлива.=Е-ьЕДля наладки и тарировки устройства проводят опыты с образцами топлива, содержащими различное количество растворенного кислорода. Образцытоплива с заданной концентрациейрастворенного кислорода приготавливают непосредственно в емкости 14.Иетодика приготовления таких образцов топлива основывается на законеГенри, которому подчиняется растворимость газов во многих жидкостях,в том числе и в реактивных топливах Я = КР,где 5 - растворимость данного газав жидкостиК - константа Генри для данногогаза;Р - парциальное давление газанад жидкостью, мм рт.ст.Меняя давление в подтопливомпространстве сосуда 14 с помощьювакуумной системы, а тем самым ипарциальное давление .кислорода,можно получать образцы топлива сразличным содержанием кислорода,Одновременно с измерением термоэффекта для каждого образца топлива определяют содержание кислорода% с помощью хроматографа,кроме того, содержание кислорода определяют такжеф;в.соответствии с законом Генри по парциальному давлению кислорода, значение константы Генри берут из литературных данных, Оба способа определения концентрации кислорода имеют хоровую сходимость. Воспроизводимость величины ЭДС термоэффекта для трех последовательных опытов с одним и тем же содер" жанием кислорода составляет величину порядка 12-16 мкВ, что соответ,- ствует величине погрешности не более 0,24, заданной по условиям измеренийИзобретение 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,6 0490 10заключающийся в пропускании этойсмеси через химический реагент,селективно взаимодействующий с опре"деляемым компонентом с выделением5 тепла, и расчете искомой концентрации по термоэффекту, регистрируемому измерительным устройством,о т л и ч а ю щ и й с я тем,.что,с целью повышения точности при опре 10 делении концентрации кислорбда, раСГворенного в жидкости, перед определением анализируемую жидкость с ниж"ним пределом концентрации измеряемо"го кислорода барботируют через жид"5 кий химический реагент, увеличиваястепень диспергирования анализируемой жидкости до достижения термоэффекта, равного порогу срабатывания измерительного устройства, а20 определение концентрации проводятпри барботировании анализируемойсмеси через жидкий реагент с найденной степенью диспергирования.Источники информации,25 принятые во внимание при экспертиЗЕ1, Патент СВА Ю 3708412,кл. 204-195 р, опублик. 19732,. Ваня Я. Анализаторы газов ижидкости. И., "Энергия, 1970, с, 16530 (прототип).а е920490 4,0 оставитель О. Ко ехред С, Иигунов актор Н. Горва Заказ 2325/4 1130 илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектна Тираж 883ИПИ Государственногоо делам изобретений и, Иосква, Ж, Рауас унов Корректор Ю. Иакаренк Подписноеомитета СССРоткрытийая наб д