СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ГАЗОВЫХ И ЖИДКИХ СМЕСЕЙ
METHOD OF MAKING-UP GAS AND LIQUID MIXTURES

Изобретение относится к технике измерений состава газовых и жидких смесей методом отбора проб. Области использования: газовая, химическая, нефтеперерабатывающая, пищевая отрасли промышленности, системы защиты человека, экология.
Известен способ /1. Усольцев В.А. Измерение влажности воздуха. - Л.: Гидрометеоиздат, 1959, с.24-30/ определения содержания паров воды в газовых средах, реализованный в пленочном или волосяном гигрометре, по которому измерение осуществляется путем измерения деформации эластичного элемента (человеческого волоса или гидрофильной мембраны) при одновременном воздействии паров воды и механического напряжения. Причем механическое напряжение мало, имеет второстепенное значение и необходимо лишь для более точного измерения длины гибких элементов, изменяющих свою форму (длину) под воздействием паров воды, растворяющихся в гидрофильном материале. Недостаток известного способа - ограниченный диапазон веществ (жидкостей), пары которых можно определить в атмосфере. Индикации известным способом подлежат лишь полярные жидкости, вызывающие набухание волоса или гидрофильной мембраны. Чувствительность и селективность способа малы.
Известен способ определения паров и газов /2. SU 281885 G01N 7/04, 1968/, включающий пропускание газа вдоль теплоотводов нагревательного элемента, покрытых селективным сорбентом, и измерение температуры элемента. При сорбции паров поверхностью нагревательного элемента снижается теплоотдача, и по температуре теплоотводов определяют концентрацию паров. Способ позволяет осуществить индикацию паров насыщенных углеводородов, бензина, керосина и других ГСМ. Недостаток известного способа - неудовлетворительная чувствительность и селективность. Кроме того, тепловые эффекты физической адсорбции малы, сильно зависят от температуры, при осуществлении требуют высокоточной аппаратуры. Способ является сложным и энергоемким.
2
Известен способ определения содержания компонентов в жидких и газообразных средах, заключающийся в том, что в анализируемую среду помещают чувствительный элемент, измеряют изменение его физико-механического параметра, по величине которого судят о содержании анализируемого компонента, в качестве измеряемого параметра используют изменение механического напряжения чувствительного элемента во времени, в качестве материала чувствительного элемента используют полимер, адсорбционно-активный к анализируемому компоненту, перед измерением чувствительный элемент деформируют и выдерживают в отсутствие анализируемого компонента до постоянной величины напряжения, принятый за прототип /3. SU 1758526 A1, 30.08.1992/. Недостаток известного способа состоит в том, что используемый в прототипе чувствительный элемент представляет собой тонкую полимерную пленку, которая имеет очень малую поверхность (до 200 м/кг) и слабую адсорбционную селективность. Эффект ускорения релаксации напряжений в эластичных телах под действием поверхностно-активных и пластифицирующих веществ в жидком или газообразном состоянии мал, обладает большой инерционностью, малой селективностью и точностью, особенно в многокомпонентных смесях.
Целью изобретения является повышение точности, скорости и селективности определения состава смеси газов и жидкостей.
Поставленная цель достигается предложенным способом, заключающимся в том, что в анализируемую среду помещают чувствительный элемент, выдерживают его в отсутствие анализируемого компонента до постоянной величины механического напряжения, измеряют изменение механического напряжения чувствительного элемента во времени, причем в качестве материала чувствительного элемента используют нанопористый селективный адсорбент, измеряют его деформационный отклик, на основании которого регистрируют волны адсорбционной деформации с соответствующим числом максимумов, и количество каждого компонента смеси определяют по площади максимума с помощью калибровочных кривых, отвечающих соответствующим компонентам.
Способ основан на том, что величина адсорбционной деформации нанопористого адсорбента во времени зависит от адсорбции и разности коэффициентов диффузии индивидуальных компонентов в поритой структуре адсорбента, при этом нанопоритый адсорбент должен обладать порами, соизмеримыми с размерами сорбируемых молекул.
Заявляемый способ осуществляется с помощью адсорбционного проточного дилатометра.
На фиг.1 изображена схема устройства - адсорбционного проточного дилатометра, предназначенного для измерения адсорбционной деформации адсорбента при прохождении анализируемой порции смеси газа или жидкости в газе или жидкости - носителе: адсорбент 1, трубка с перфорированной нижней частью 2, перфорированная опорная площадка 3, тяга 4, сердечник дифференциального трансформатора 5, направляющие 6, дифференциальный трансформатор 7, трубопровод, подводящий газ или жидкость - носитель с исследуемой пробой 8, трубопровод, отводящий газ или жидкость 9, органы управления и контроля 10.
На фиг.2 изображены: адсорбционный проточный дилатометр 1, органы управления и контроля 2, трубопровод 3, подводящий газ или жидкость-носитель, камера смешения с анализируемой смесью 4, подводящий трубопровод 5, трубопровод, отводящий газ или жидкость 6, прошедшую через дилатометр, расходомер 7, выпускной трубопровод 8, термостат 9.
Устройство работает следующим образом. Вначале на основе предварительной информации о физико-химических свойствах компонентов устройство работает следующим образом. Вначале на основе предварительной информации о физико-химических свойствах компонентов смеси определяются структурно-энергетические характеристики адсорбента и подбирается образец, наиболее подходящий для решения задачи. Затем (Фиг.1) адсорбент 2 закладывается в трубку с перфорированной нижней частью 3. Устанавливается перфорированная опорная площадка 4, тяга 5 сердечника дифференциального трансформатора 6, направляющие 7, дифференциальный трансформатор 8. Дифференциальный трансформатор 8 подключается к системе управления и контроля 11 и смещением относительно сердечника 6 настраивается на необходимую точку рабочего диапазона. Настроенный дилатометр помещается в термостат 16 (Фиг.2), подключается к источнику газа (жидкости)-носителя и адсорбент регенерируется при повышенной температуре. После завершения процедуры регенерации адсорбента с помощью термостата 16 устанавливают рабочую температуру и дожидаются момента выхода системы на тепловое равновесие при заданном расходе носителя. Затем с помощью камеры смешения 13 в носитель вводят анализируемую смесь веществ и регистрируют адсорбционную деформацию адсорбента во времени с помощью органов управления и контроля 11. Вследствие различий коэффициентов диффузии молекул компонентов смеси в пористой структуре и различной их сорбируемости кривая адсорбционной деформации регистрирует волны адсорбционной деформации с соответствующим числом максимумов. Количество каждого компонента определяют по площади максимума с помощью калибровочных кривых, отвечающих соответствующим компонентам.
Примеры осуществления способа.
1. На фиг.3 представлены кривые адсорбционной деформации микропористого углеродного адсорбента АР-В, полученные при введении различных количеств жидкого н-пентана в газ-носитель гелий, мл. 1-1.0; 2-0.5; 3-0.25; 4-0.125. Температура опыта 473 К. Расход гелия - 2.3 мл/с.
Из фиг.3 следует, что площадь под кривой зависит от количества введенного н-пентана. Она растет с ростом количества введенного вещества. Эту зависимость можно использовать для определения количества н-пентана в газе-носителе.
2. На фиг.4 представлены кривые адсорбционной деформации микропористого углеродного адсорбента АР-В при введении различных количеств жидкой смеси н-пентана и н-гептана с объемной концентрацией 50/50 в газ-носитель гелий, мл: 1-0.5; 2-0.25. Температура опыта 473 К. Расход гелия - 2.3 мл/с.
Из фиг.4 следует, что кривые адсорбционной деформации микропористого углеродного адсорбента АР-В содержат два максимума, соответствующих н-пентану (левый) и н-гептану (правый). Концентрации этих компонентов можно определить по площадям под соответствующими максимумами и данным калибровки для смеси и для индивидуальных веществ.
Преимуществами предлагаемого способа являются: улучшение технических характеристик за счет увеличения быстродействия устройства, повышения точности измерений состава газовых и жидких смесей и уменьшения трудоемкости.