ИНФРАКРАСНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Часть вторая

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ
ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА
И АНАЛИЗАТОРЫ КАЧЕСТВА

Глава 11

КОНТРОЛЬ СОСТАВА ВЕЩЕСТВ

§ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ЗАДАЧИ КОНТРОЛЯ
СОСТАВА ВЕЩЕСТВ

Современное промышленное производство, особенно такие его отрасли, как химия и нефтепереработка, невозможно без автоматического контроля качества веществ на промежуточных его стадиях и качества конечного продукта. Контроль веществ в заводских лабораториях при достаточно высокой точности не может удовлетворять требованиям промышленного производства из-за длительности и трудоемкости его выполнения. Для ведения быстротекущих производственных технологических процессов необходимы автоматические анализаторы качества вещества в потоке непосредственно на производственной установке. Создание промышленных автоматических анализаторов качества позволяет перейти от автоматического регулирования технологических процессов по косвенным параметрам к автоматическому регулированию и оптимизации технологических процессов по качеству выходного продукта.

Характерной чертой современного технического прогресса является создание и использование искусственных веществ с заданными свойствами, превосходящими свойства веществ, созданных природой. Развитие таких отраслей, как производство полиэтилена, новых видов синтетического каучука, полимеров, полупроводниковой техники, в значительной степени зависит от создания автоматических анализаторов качества.

Датчики свойств и состава веществ играют важную роль в системе автоматического регулирования. Они служат для получения информации, характеризующей качество всего технологического процесса, определяют качество работы всей системы автоматического регулирования. Следует отметить также особую роль анализаторов в защите технологического оборудования и производственного персонала от накопления опасных концентраций горючих и токсических веществ в аппаратах и в атмосфере цехов.

Под общим понятием анализатор подразумевается измерительное устройство (или измерительная установка), которое указывает количественно или качественно состав анализируемого вещества на основе измерения параметров, характеризующих его физические или физико-химические свойства. Качество веществ (или среды) характеризуется свойствами и составом их.

Свойства вещества определяются численными значениями физических или физико-химических величин, поддающихся измерению. Например, свойства материалов могут быть определены плотностью, вязкостью, электропроводностью и т. п.

Состав вещества (или среды) характеризуется совокупностью компонентов и их количественным содержанием. Состав может быть определен по известной зависимости его от физических или физико-химических свойств среды и величин, их характеризующих, поддающихся измерению.

Рис. 11.1. Структурная схема анализатора состава вещества

По способу применения все анализаторы можно разделить на промышленные и лабораторные. Промышленные анализаторы должны автоматически отбирать анализируемую пробу непосредственно из технологического потока, анализировать состав ее и выдавать соответствующий выходной сигнал на регистрирующее или регулирующее устройство.

Лабораторные анализаторы применяются при научных исследованиях, для периодического контроля состава, при отсутствии промышленных анализаторов, а также для контроля промышленных анализаторов.

Результаты измерения анализаторами состава вещества в значительной мере зависят от поддержания определенных условий анализа, а) объема пробы при циклическом или расхода анализируемого вещества при непрерывном анализе; б) объема (или массы) дополнительного вещества, участвующего в анализе (реагента, растворителя, разбавителя); в) напряжения питания электрической схемы или давления питания пневматического измерительного устройства.

На рис. 11.1 приведена структурная схема анализатора состава вещества.

Анализируемое вещество в заданном объеме отбирается из технологической линии автоматически действующим пробоотборным устройством ПУ. Если анализатор циклического действия, то пробоотборное устройство должно отбирать пробу циклически с периодичностью, соответствующей длительности цикла работы анализатора, что обеспечивается блоком управления БУ. Далее проба должна пройти соответствующую подготовку, обеспечивающую ее анализ в установленном режиме. Подготовка пробы осуществляется блоком БПП, который может содержать очистные фильтры, редукторы (или стабилизаторы) давления, термостаты, смесители и другие устройства. Блок подготовки пробы обеспечивает также подачу дополнительных веществ, участвующих в анализе.

Подготовленная проба поступает в блок анализа Б А, с выхода которого унифицированный сигнал, соответствующий значению измеряемых параметров, поступает на регистрирующее устройство РУ и на блок передачи данных БПД. С БПД унифицированный сигнал может быть передан либо на регулирующее устройство, либо в информационно-измерительную систему. Обеспечение питания измерительной установки в заданном режиме осуществляется блоком питания БП.

Анализаторы состава вещества, как правило, построены на основе косвенных методов измерения. Состав измеряемой среды определяют на основе измерения различных физических или физико-химических величин, характеризующих свойства среды, и известной зависимости между этими величинами, с одной стороны, и составом вещества — с другой. Следовательно, для того, чтобы выбрать способ измерения, например, полного состава -компонентного вещества, необходимо установить, какими физическими или физико-химическими параметрами характеризуются свойства этого вещества, и найти зависимость вида

(11.1)

где -концентрация каждого из п компонентов вещества; — физические или физико-химические величины, характеризующие свойства среды.

Из сказанного можно сделать вывод, что приборы автоматического контроля физических и физико-химических свойств и со става веществ являются приборами, которые измеряют отдельные физические или физико-химические величины, однозначно определяющие свойства среды либо ее качественный или количественный состав.

В нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности для контроля состава вещества применяют анализаторы состава газов и анализаторы состава жидкостей. Автоматические анализаторы состава газов применяются для контроля технологических процессов в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности, а также для анализа воздуха в промышленных помещениях на содержание вредных и взрывоопасных примесей. Существующие газоанализаторы по методу анализа можно разделить на химические, физико-химические и физические.

Химические методы основаны на поглощении компонентов газа избирательными реактивами. Содержание компонента в смеси определяется по разности между первоначальными оставшимся после поглощения объемами газа. Химические методы применяются в лабораторных газоанализаторах.

Физико-химические методы используются в электрокондуктометрических газоанализаторах, кулонометрическом титраторе раствора, поглощающем анализируемый компонент, гальванических, термохимических и фотоколориметрических газоанализаторах.

Физические методы используются в автоматических газоанализаторах: инфракрасного излучения, термокондуктометрических, магнитных. Физические методы анализа газа используются в хроматографических и масс-спектрографических анализаторах состава газа, которые вследствие их универсальности и высокой точности получили особенно широкое распространение.

Желательным условием выбора физической величины для состава вещества является аддитивность ее свойств в данной газовой смеси. Величина данного физического параметра для всей газовой смеси должна отвечать равенству

(11.2)

(11.3)

где — физический параметр соответственно для смеси и каждого из п компонентов; -процентное содержание компонентов газовой смеси.

Из уравнений (11.2) и (11.3) следует, что физические методы анализа, строго говоря, пригодны для бинарной смеси. Анализ многокомпонентных смесей возможен лишь при условии, когда физический параметр определяемого компонента заметно отличается от остальных компонентов, для которых его без большой погрешности можно принять одинаковым.

ИНФРАКРАСНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Газоанализаторы инфракрасного поглощения основаны на явлении поглощения двухатомными газами излучения в инфракрасной части спектра. Это явление описывается законом Лам- берта-Бера, который для монохроматического излучения с длиной волны выражается уравнением

(11.4)

где Ф поток излучения, выходящего из поглощающего вещества; Ф₀ — поток излучения, входящего в поглощающее вещество; — молекулярный показатель поглощения; с — концентрация поглощающего вещества; — толщина поглощающего вещества.

Если взять логарифм отношения входящего потока излучения Ф₍₎ к выходящему потоку излучения Ф, то

(11.5)

будет называться оптической плотностью газа. При определенной интенсивности исходного потока радиации и заданной толщине слоя оптическая плотность и соответственно выходной поток радиации определяются концентрацией поглощающего компонента.

В газоанализаторах инфракрасного поглощения поток радиации, прерываемый с некоторой частотой, пропускается через кювету с газом. За слоем газа устанавливают приемник, измеряющий величину ослабления потока. В качестве приемника используют устройство, основанное на оптико-акустическом эффекте, заключающемся в следующем. Если пульсирующий поток инфракрасной радиации пропускать через замкнутый объем газа, то при поглощении радиации повышается температура газа и при отсутствии потока радиации понижается температура газа. Изменение температуры газа в замкнутом объеме вызывает изменение давления, колебания которого зависят от частоты пульсации, а амплитуда — от интенсивности и степени поглощения радиации. Колебания давления воспринимаются микрофоном и через усилитель передаются измерительному прибору.

На рис. 11.2 изображена принципиальная схема оптико-акустического газоанализатора инфракрасного поглощения типа ОА, предназначенного для определения содержания СО ₂, СО, СН₄.

Измерительная схема прибора состоит из источников излучения 1, отражателей 2, двух оптических каналов, один из которых составлен рабочей камерой 6, фильтром 7 и лучеприемником 8, другой — сравнительной камерой 9, фильтром 10 и лучеприемником 11, и схемы электрической компенсации. Сравнительная камера заполнена чистым воздухом, фильтровые камеры 7 и 10 неопределяемыми частями газовой смеси, а приемные камеры 8 и 11— определяемыми компонентами газа. При определении, например, СО фильтровые камеры заполняют смесью С0₂ + СН₄, а приемные камеры — окисью углерода. При определении С0₂ фильтровые камеры содержат смесь СО + СН₄, а приемные камеры — СО ₂.

Лучистый поток, проходя через рабочую камеру 6, ослабляется за счет поглощения части энергии, соответствующей линии поглощения исследуемого газа. Поток инфракрасного излучения в левом оптическом канале, проходя через воздух сравнительной камеры, не ослабляется. При дальнейшем прохождении обоих лучистых потоков в правом и левом каналах через фильтровые камеры в них поглощаются лучи, соответствующие спектральной области поглощения неопределяемыми компонентами.

В результате в приемные камеры 8 и 11 лучеприемника 12 поступают потоки радиации, разность энергии которых пропорциональна концентрации анализируемого компонента. Возникновение в лучеприемнике пульсаций давления воспринимаются конденсаторным микрофоном 13, амплитуда мембраны которого зависит от разности давлений в приемных камерах, а следовательно, и от концентрации анализируемого компонента в газе. Конденсаторный микрофон включен на вход электронного усилителя 14. Сигнал с усилителя подается на управляющую обмотку реверсивного двигателя 15, который перемещает движок реохорда 1?. Электрическое питание схема получает от блока 3.

Реохорд, включенный в цепь питания правого излучателя, изменяя его накал, компенсирует поглощение инфракрасной радиации в правом оптическом канале. Таким образом, каждому значению содержания определяемого компонента будет соответствовать определенное положение движка реохорда и связанных с ним указателя и пера прибора 16. Обтюратор 4 приводится в движение двигателем 5.

МАГНИТНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Все известные газы разделяются на парамагнитные и диамагнитные. Парамагнитные газы втягиваются в область поля с повышенной магнитной напряженностью, а диамагнитные газы выталкиваются из области более сильного магнитного поля.

Удельная магнитная восприимчивость парамагнитных газов подчиняется закону Кюри

(11.6)

где С — константа Кюри; Т — абсолютная температура.

С другой стороны, для объемной магнитной восприимчивости парамагнитных газов справедливо соотношение

(11.7)

где р — давление газа; М — молекулярная масса; R— газовая постоянная.

Из соотношений (11.6) и (11.7) следует, что объемная магнитная восприимчивость парамагнитного газа обратно пропорциональна квадрату абсолютной температуры. В то же время магнитная восприимчивость диамагнитных газов от температуры не зависит. Зависимость между магнитной восприимчивостью и температурой газа используется в термомагнитных анализаторах.

Большинство распространенных газов обладает диамагнитными свойствами. К числу парамагнитных газов относятся кислород и редко встречающиеся окислы азота. В то же время магнитная восприимчивость кислорода на два порядка выше магнитной восприимчивости диамагнитных газов. Таким образом, магнитная восприимчивость смеси практически полностью определяется концентрацией кислорода независимо от содержания других компонентов. Это свойство положено в основу кислородных газоанализаторов. На элементарный объем кислорода действует сила , величина которой определяется выражением

(11.8)

где Н — напряженность магнитного поля; Т₁ и Т₂ — соответственно температуры холодного и нагретого кислорода.

Под действием этой силы возникает термомагнитная конвекция (так называемый «магнитный ветер»), величина которой зависит от концентрации кислорода в анализируемой смеси. Схема одного из наиболее распространенных типов магнитных газоанализаторов на кислород МГК-2 показана на рис. 11.3.

Датчик газоанализатора выполнен в виде кольцевой камеры с поперечной перемычкой из стеклянной трубки. На поперечной трубке расположены две нагревательные обмотки из тонкой платиновой проволоки, включенные в схему моста постоянного тока. Одна из обмоток расположена в поле постоянного магнита. Молекулы кислорода из анализируемой газовой смеси под действием магнитного поля втягиваются в поперечную трубку. Попадая в область левой подогреваемой обмотки, кислород нагревается и его магнитные свойства уменьшаются.

В результате этого в поперечной трубке образуется поток газа, направленный слева направо. Более холодный газ проходит в область магнитного поля и левой нагревательной обмотки. В зону правой обмотки газ приходит уже более нагретый. Таким образом, левая обмотка охлаждается в большей степени, чем правая. Изменения температуры обмоток приводят к изменению их сопротивления, а следовательно, и к нарушению равновесия мостовой схемы. Степень нарушения равновесия моста находится в зависимости от концентрации кислорода в анализируемой смеси. При отсутствии кислорода поток газа в поперечной трубке отсутствует и мост находится в равновесии. В качестве измерительного прибора могут быть использованы самопишущие милливольтметры или потенциометры. Магнитные газоанализаторы выпускаются на диапазоны измерений , и . Наибольшая основная погрешность измерения ±5%.

Применяются они для анализа газов, контроля процессов горения в топках паровых котлов и т. п.