|
|
ОглавлениеГлава 2. Методы и приборы для измерения давления Глава 3. Методы и приборы для измерения температуры Глава 4. Методы и приборы для измерения расхода Глава 5. Методы и приборы для измерения уровня Глава 6. Методы и приборы измерения геометрических размеров Глава 7. Методы и приборы для измерения вибрации Глава 8. Измерение параметров электромагнитной совместимости Глава 9. Методы и приборы измерения свойств вещества Глава 10. Методы и приборы измерения состава вещества Глава 11. Сопряжение датчиков с системами управления Часть 2. Технологические основы испытаний. Глава 12. Организация испытаний Глава 13. Испытания на воздействия факторов внешней среды Глава 14. Испытания изделий на воздействие внешних механических и гидрогазовых факторов Глава 16. Испытания трубопроводной арматуры Глава 18. Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгуГлава 10. Методы и приборы измерения состава вещества10.1. ХроматографыХроматографическими анализаторами называются приборы для анализа жидких и газовых смесей, основанные на хроматографических методах разделения. Сущность хроматографического разделения смесей заключается в различии сорбируемости компонентов при движении смеси по слою сорбента. В зависимости от природы используемого сорбента различают хроматографию газо-адсорбционную, газожидкостную и капиллярную. При газо-адсорбционной хроматографии в качестве сорбента применяются пористые вещества: активированный уголь, силикагель, различные силикаты. Газо-адсорбционная хроматография применяется для анализа низкокипящих газов. При газо-жидкостной хроматографии в качестве сорбента используются нелетучие растворители, нанесенные на пористые твердые носители с большой поверхностью. Разделение смеси на компоненты зависит от скорости процесса растворения компонентов в жидкости, которая определяется коэффициентом распределения между жидкой и газообразной фазами. Газо-жидкостная хроматография применяется для анализа самых разнообразных смесей, в том числе смесей высококипящих жидкостей. В качестве растворителей применяют вазелиновое и силиконовое масла, этиленгликоль и др., в качестве носителей — диатомитовый кирпич, хромосорб и др. При капиллярной хроматографии нелетучий растворитель наносят непосредственно на внутреннюю поверхность капиллярной трубки, через которую пропускают анализируемый газ. Длина капилляра может варьироваться от десятков до сотен метров. Достоинством капиллярной хроматографии является ускорение анализа, высокая эффективность вследствие уменьшения диффузионных процессов и использование малых объемов пробы. Принцип хроматографического разделения понятен из схемы, изображенной на рис. 10.1. Проба, состоящая, например, из трех компонентов А, В и С, перемещается газом-носителем через слой сорбента, помещенного в хроматографическую трубку. Так как компоненты смеси имеют различную сорбируемость или растворимость, то их движение в трубке будет замедляться по-разному. Через некоторое время (рис. 10.1б) вперед уйдет компонент С, как менее сорбирующийся, за ним В и наконец А, более сорбирующийся и поэтому медленнее движущийся. Рис. 10.1. Схема хроматографпческого разделения Далее (рис. 10.1в) компоненты полностью разделяются и при дальнейшем движении (рис.10.1г) из трубки будет выходить либо газ-носитель, либо бинарная смесь (газ-носитель — компонент). В качестве газа-носителя применяют инертный по отношению к сорбенту газ (воздух, азот, водород, гелий). Бинарная смесь, состоящая из компонента и газа-носителя, поступает в детектор, выходной сигнал которого по амплитуде пропорционален концентрации компонента в смеси. Взаимосвязь величины адсорбции и концентрации компонента видна из уравнения Ленгмюра: а = WRC/ (1 + WC), (10.1) где а — величина адсорбции или количество вещества, поглощаемого единицей массы адсорбента при достижении фазового равновесия; W и R — постоянные, зависящие от свойств адсорбента и адсорбирующего вещества; С — концентрация компонента. Если С << 1, то: а = WRС = KС. (10.2) Если С >> 1, то: а = WRС/WС = R. (10.3) Таким образом, как это видно из (10.1) и (10.2), при малых значениях концентрации компоненты величина адсорбции прямо пропорциональна концентрации, а при очень больших — является величиной постоянной, соответствующей насыщению адсорбента. Графическая зависимость а = f(С) при постоянной температуре является основной характеристикой адсорбционной способности сорбента.. При адсорбции количество поглощенного газа зависит от растворимости в сорбенте и давления, если газ не реагирует химически с жидкостью. Согласно закону Генри: р = к С, (10.4) где р — давление газа: С — концентрация растворенного в жидкости газа; к — коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри). Если в системе присутствует несколько газов, то каждый из них растворяется пропорционально своему парциальному давлению в смеси. Растворимость абсорбированного газа уменьшается с повышением температуры, фазовое равновесие между раствором газа в жидкости и газовой смесью над жидкостью следует закону Генри только при температурах выше критических. При температурах ниже критических равновесие в системе жидкость — насыщенный пар описывается законом Рауля: рп = рнх, (10.5) где рп — парциальное давление компонента пара над жидкостью, выраженное в долях от общего давления; рн — упругость паров чистого компонента при данной температуре; х — молекулярная доля данного компонента в растворе. Принципиальная схема промышленного хроматографа представлена на рис. 10.2. Рис. 10.2. Принципиальная схема промышленного хроматографа [17]: 1 – баллон газа носителя; 2 — вентиль; 3 — манометр; 4 – редуктор давления; 5 – манометр; 6 — вентиль; 7 — манометр; 8 — регулятор расхода; 9 — манометр; 10 — фильтр; 11 — пробоотборный кран; 12 — дозатор;13 — сравнительная камера детектора; 14 — регистратор; 15 — рабочая камера детектора, 16 – ротаметр, 17 — ротаметр технологической смеси, 18 — датчик температуры, 19 — нагреватель, 20 — колонка Промышленный хроматограф имеет несколько режимов работы: «подготовка», «продувка», «анализ». В зависимости от состава смеси продолжительность режимов задается блоком управления. Рассмотрим работу блоков хроматографа в режиме «подготовка». Газ-носитель из газобаллонной станции 1 проходит вентиль 2, редуктор давления 4. По манометрам 3 и 5 контролируется давление газа- носителя, который проходит через сравнительную камеру детектора 13 и далее на пробоотборный кран 11, ячейки а–е, колонку 20, рабочую камеру детектора 15, ротаметр 16. Технологическая смесь проходит вентиль 6, регулятор расхода 8. По манометрам 7 и 9 контролируется давление технологической смеси, которая далее подается на блок фильтров 10, пробоотборный кран 11, ячейку в–б , дозатор 12, ячейку д–г, ротаметр 17. Таким образом, в режиме «подготовка» газ-носитель заполняет обе камеры детектора, блок управления балансирует измерительную схему детектора, а из колонки газом носителем удалены остатки технологической смеси. Свежая технологическая смесь непрерывно проходит через камеру дозатора. Рассмотрим работу блоков хроматографа в режиме «анализ». Газ-носитель из газобаллонной станции 1 проходит вентиль 2, редуктор давления 4. По манометрам 3 и 5 контролируется давление газа носителя, который проходит через сравнительную камеру детектора 13 и далее на пробоотборный кран 11, ячейки а–б, дозатор 12, ячейку д–е, колонку 20, рабочую камеру детектора 15, ротаметр 16. Технологическая смесь проходит вентиль 6, регулятор расхода 8. По манометрам 7 и 9 контролируется давление технологической смеси, которая далее подается на блок фильтров 10, пробоотборный кран 11, ячейку в–г, ротаметр 17. Таким образом, в режиме «анализ» газ-носитель заполняет сравнительную камеру детектора, вытесняет технологическую смесь из дозатора в колонку, где технологическая смесь разделяется на компоненты и каждый компонент попадает в рабочую камеру детектора. Технологическая смесь непрерывно проходит через пробоотборный кран и ротаметр 17. Последовательность операций устанавливается по программе таймера, который находится в блоке управления. Пробоотборный кран 11 представляет систему импульсных трубок, переключение и соединение, которых осуществляется с помощью электропневматических элементов. Блок управления осуществляет термостатирование камеры колонки 20 с помощью датчика температуры 18 и нагревателя 19. Необходимая температура колонки определяется температурой кипения анализируемой технологической смеси. Чтобы обеспечить погрешность определения концентрации компонентов ±1%, необходимо стабилизировать температуру колонки с точностью ±1%. В ряде случаев нет необходимости производить полный анализ пробы с определением всех компонентов технологической смеси. В этом случае можно применить так называемый метод обратной продувки. Блок управления переключает потоки газа носителя через колонку в обратном направлении. Технологическая проба не разделяется на компоненты, а дает на хроматограмме суммарный пик, при этом режиме удается существенно сократить время цикла анализа. В режиме «анализа» разделенная на компоненты смесь проходит через рабочую камеру детектора 15, чувствительные элементы формируют электрические сигналы для регистрирующего прибора 14. соответствующие компоненту и концентрации его в смеси. На рис. 10.3 приведена типичная хроматограмма. Запись состоит из ряда пиков, соответствующих различным компонентам и разделенных отрезками «нулевой линии». Эти отрезки соответствуют движению чистого газа-носителя. Координаты по оси абсцисс соответствуют времени. Запись в виде отдельных пиков объясняется тем, что из-за неидеально четкого разделения компоненты поступают в рабочую камеру детектора и удаляются из нее вместе с газом-носителем постепенно. Количество протекающего через детектор компонента сначала увеличивается, достигает максимума, а затем постепенно уменьшается. Отсюда следует, что количество отдельного компонента в анализируемом газе может быть определено по хроматограмме как площадь записанного пика. Каждый компонент, задержанный сорбентом, появляется в детекторе через определенное время и дает на хроматографе соответствующий ему пик. Точка А соответствует времени ввода технологической пробы в колонку. Отрезок прямой от точки А до точки D, соответствующий времени появления в детекторе компонента, называется временем удерживания, а соответствующий ему объем газа — удерживаемым объемом. Для второго компонента этому времени соответствует отрезок AF и т. д. Рис. 10.3. Хроматограмма Время удерживания для каждого компонента газовой смеси при одинаковых условиях анализа является величиной постоянной. Вследствие этого по времени, через которое появляются пики, можно судить о природе компонента, т. е. определять, какой именно компонент соответствует тому или иному пику. Если в хроматограмме нет пика, соответствующего времени удерживания определенного компонента, то, следовательно, этого компонента нет в анализируемой смеси. Время удерживания определяют экспериментально для данного вида технологической смеси, сорбента, температуры, расхода и давления газа-носителя, длины разделительной колонки. Если принять суммарную площадь пиков всех компонентов за 100%, то отношение площади пика одного компонента к суммарной даст процентное содержание этого компонента в смеси. За ширину пика принимают отрезок ВС, образованный двумя касательными к боковым кривых пика к точке перегиба. Высота пика определяется отрезком DE. Площадь треугольника ВЕС используют для расчета концентрации компонента в смеси. В детекторах, применяемых в хроматографах, используют методы измерения: теплопроводности компонентов, теплового эффекта горения компонентов, температуры пламени водородной горелки, ионизации газов. Схема детектора, основанного на использовании метода измерения теплопроводности компонентов, показана на рис. 10.4. Рис. 10.4. Схема детектора хроматографа, основанного на теплопроводности газов: 1 — корпус, 2 — измерительная ячейка, 3 — сравнительная ячейка, 4 – платиновые спирали, 5 – изоляторы, 6 – электронный мост (R1, R2, R3 постоянные сопротивления, Б – батарея), I – смесь газа-носителя и компонентов из колонки, II — чистый газ-носитель Платиновые спирали 4, расположенные в ячейках 2 и 3 металлического корпуса 1, включены в мостовую схему постоянного тока в качестве двух плеч. Через одну ячейку, измерительную, непрерывно пропускается выходящий из колонки газ-носитель, в котором может содержаться один из компонентов анализируемой смеси. Через другую, сравнительную, пропускается чистый газ-носитель. Платиновые спирали нагреваются электрическим током. Когда через обе ячейки проходит газ-носитель, условия теплопередачи одинаковы, температура платиновых спиралей также будет одинакова, следовательно, электрические сопротивления спиралей будут равны и электрический мост будет находиться в равновесии. Если в измерительную ячейку попадет бинарная смесь, теплопроводность которой отлична от теплопроводности чистого газа-носителя, наступит разбаланс моста и регистратор запишет сигнал, пропорциональный разности теплопроводностей. Внимание! Авторские права на книгу "Испытания нефтегазового оборудования и их метрологическое обеспечение. Учебное пособие" (Под ред. Владимирова А.И., Кершенбаума В.Я.) охраняются законодательством! |
||||||||||||||||||||||
