УСТРОЙСТВО ПО ЭКСПРЕСС ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ И СПОСОБ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
DEVICE FOR EXPRESS EVALUATION OF PETROCHEMICAL LIQUID QUALITY AND METHOD OF ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к методам анализа жидкостей с помощью механического импеданса, и может быть использовано для скрининговой оценки качества многокомпонентных жидких продуктов, в частности нефтехимических жидкостей, например, для анализа соответствия стандартам различных нефтепродуктов, автомобильных бензинов, реактивных и дизельный топлив, различных технических, спиртосодержащих, биологических жидкостей, углеводородсодержащих жидкостей в фармацевтической, пищевой, нефтяной и химической промышленности.
3
Известен способ, реализуемый устройством для измерения вязкоупругих характеристик биологических объектов (патент СССР №3487851/28-13, 1982), описание которого приведено в описании к А.с. SU 1057011 А. По данному способу токоотводящий элемент включают в измерительную цепь и определяют резонансную ширину и полуширину резонансной кривой свободного резонатора. Затем на рабочую поверхность пьезокварцевого резонатора равномерно наносят строго дозированный объем исследуемой жидкости. Сверху пьезокварцевый резонатор закрывают крышкой так, чтобы она не касалась исследуемой жидкости. Вследствие демпфирования колебаний исследуемой среды добротность пьезоэлектрического резонатора падает на величину ΔQ. Изменения параметров пьезоэлектрического резонатора ΔQ связано с динамической упругостью и динамической вязкостью исследуемой жидкости определенными соотношениями. Измерение проводятся на частоте 73 кГц, объем жидкости, необходимый для одного измерения от 0,01 см.
Известно устройство для измерения вязкоупругих характеристик биологических объектов (патент СССР №3487851/28-13, 1982), который содержит пьезокварцевый резонатор продольных колебаний в форме прямоугольного бруска кварца среза Х+5°, по периметру рабочей поверхности которого снята фаска, а на боковой поверхности которого снята фаска, а на боковых поверхностях по узловой линии выполнены пазы, прозрачную крышку и держатель, содержащий корпус из изолирующего материала, выполненный из двух половин, скрепленных винтами. В держателе расположены два регулирующих токоотводящих элемента, которые одновременно служат фиксаторами, и направляющий упор, закрепленный в пазах корпуса винтами. Окончания токоотводящих элементов и упоры заострены для размещения в пазах. Регулируемые токоотводящие элементы перемещаются с помощью винтов, проходящих через направляющие накладки, закрепленные на корпусе винтами. На боковых поверхностях пьезокварцевого резонатора, включая пазы, нанесены возбуждающие электроды методом напыления. Окончания регулируемых токоотводящих элементов входят в пазы и вместе с направляющим упором зажимают пьезокварцевый резонатор с трех сторон по узловой линии, оставляя свободной всю рабочую поверхность.
Известен способ и устройство для контроля состояния жидкости, в частности для независимого измерения плотности и вязкости жидкостей (патент США №5798452, 1993), по которому тонкую пьезоэлектрическую пластину, выполненную с возможностью удержания тонкого слоя жидкости на предопределенной площади своей поверхности и с возможностью возбуждения колебаний сдвига в жидкости, соприкасающейся с пластиной, опускают в исследуемую жидкость. Упомянутая пьезоэлектрическая пластина является резонатором, который входит в состав генератора ультразвуковых частот. Колебания сдвига, возбуждаемые в удерживаемом слое исследуемой жидкости, приводят к сдвигу частоты генератора ультразвуковой частоты за счет вносимого электрического импеданса, который в свою очередь определяется механическим импедансом удерживаемого на поверхности пьезоэлектрической пластины слоя исследуемой жидкости. Измеряя сдвиг частоты упомянутого генератора ультразвуковых частот, определяют механический импеданс упомянутого удерживаемого слоя исследуемой жидкости, по которому определяют вязкость и плотность исследуемой жидкости.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство исследования многокомпонентной жидкости (патент РФ №2232384, 2001) [1], которое содержит резонатор, включенный с помощью проводников в одно из плеч мостовой схемы. В другое плечо мостовой схемы включен компенсирующий конденсатор. Емкость компенсирующего конденсатора равна емкости, образованной электродами резонатора. К одной из диагоналей мостовой схемы, которая в частном случае может быть выполнена симметричной, подключен задающий генератор. К другой диагонали мостовой схемы подключен измеритель напряжения разбаланса мостовой схемы, который включает последовательно соединенные усилитель, амплитудный детектор, интегратор и аналогово-цифровой преобразователь. Чувствительный элемент разработанного устройства содержит жесткую подложку, выполненную с возможностью возбуждения колебаний сдвига в соприкасающейся с ней капле. В конкретной реализации жесткая подложка является резонатором и представляет собой тонкую кварцевую пластину, длина которой много больше ее ширины и высоты. На широкие верхнюю и нижнюю поверхности кварцевой пластины нанесены электроды. В конкретной реализации кварцевая пластина включает часть, верхняя и нижняя поверхности которой свободны от электродов, при этом капля размещена на части. К электродам подсоединены проводники.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ исследования многокомпонентной жидкости (патент РФ №2232384, 2001) [1], по которому предопределенный объем исследуемой жидкости в виде капли при заданных условиях окружающей среды располагают на жесткой подложке, выполненной с возможностью возбуждения в упомянутой капле колебаний сдвига, возбуждают в упомянутой капле исследуемой жидкости колебания сдвига в ультразвуковом диапазоне частот и определяют механический импеданс капли исследуемой жидкости, при этом упомянутую каплю сушат, а упомянутый механический импеданс определяют в процессе высыхания капли и регистрируют полученную в процессе высыхания капли динамику упомянутого механического импеданса, которую используют в качестве информативного параметра, после чего полученную динамику механического импеданса сравнивают с динамикой механического импеданса ранее исследованного эталонного образца, упомянутая жесткая подложка является резонатором, упомянутый механический импеданс определяют по напряжению разбаланса мостовой схемы, в состав которой входит упомянутый резонатор.
Недостатками вышеуказанного устройства и способа [1] является отсутствие регулирования условий и времени проведения анализа, которые могут осуществляться за счет регулировки температуры, вакуума и скорости воздушных потоков отводящих испарившиеся компоненты во время высыхания многокомпонентной жидкости, в данном случае испарения нефтехимической жидкости. Нет возможности определить качество жидких низкокипящих углеводородов, так как происходит их преждевременное испарение, а при анализе высококипящих углеводородов частичное отсутствие испарения. После нагрева жесткой подложки, которая является резонатором, нет возможности его принудительного охлаждения.
Таким образом, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройство по экспресс-оценке качества нефтехимических жидкостей и способ его реализации, обеспечивающее заданные условия и время проведения анализа при котором жидкие низкокипящие и высококипящие углеводороды будут испаряться в заданном временном диапазоне, что обеспечит более полный процесс структурообразования в нефтехимической жидкости. Благодаря вакууму обеспечивается снижение температуры кипения высококипящих компонентов для предотвращения их разложения, более полного испарения и защиты датчиков и пьезокварцевого резонатора от перегрева. С помощью создания воздушного потока над поверхностью капли идет более быстрый процесс ее испарения, благодаря регулированию скорости воздушного потока можно регулировать время испарения нефтехимической жидкости.
Сущность разработанного устройства по экспресс-оценке качества нефтехимической жидкости заключается в том, что так же, как и в устройстве, который является ближайшим аналогом, устройство по экспресс-оценке качества нефтехимической жидкости включает блок мостовой схемы, содержащий блок чувствительного элемента, включенный с помощью проводников, первое плечо, второе плечо, компенсирующий конденсатор, первую диагональ, вторую диагональ, блок измерителя напряжения разбаланса мостовой схемы, содержащий усилитель, амплитудный детектор, интегратор, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), блок чувствительного элемента содержит жесткую подложку, выполненную с возможностью возбуждения колебаний сдвига в соприкасающейся с ней капле нефтехимической жидкости, жесткая подложка является резонатором и представляет собой тонкую кварцевую пластину, длина которой много больше ее ширины и высоты, на широкие верхнюю и нижнюю поверхности кварцевой пластины нанесены электроды, кварцевая пластина включает часть, верхняя и нижняя поверхности которой свободны от электродов, к электродам подсоединены проводники, при этом капля нефтехимической жидкости размещена на части, к первой диагонали подключен задающий генератор, ко второй диагонали подключен блок измерителя напряжения, к аналогово-цифровому преобразователю (АЦП) подключен персональный компьютер, в котором установлена программа для отображения и обработки сигнала, отличается тем, что дополнительно содержит блок по заданию режима экспресс-оценке качества, который включает в себя кювету, блок чувствительного элемента, датчик температуры, контроллер температуры, нагревательный элемент, элемент Пельтье, причем блок чувствительного элемента, датчик температуры расположены внутри кюветы.
В частном случае устройство дополнительно содержит блок вакуумной камеры, который включает в себя вакуумный насос, регулирующий клапан, сбрасывающий клапан, контроллер вакуума, датчик давления, причем датчик давления расположен внутри кюветы.
В частном случае устройство дополнительно содержит блок скорости воздушного потока, включающий в себя электродвигатель, вентилятор, контролер скорости воздушного потока, датчик скорости воздушного потока, причем датчик скорости воздушного потока расположен внутри кюветы.
Изобретение поясняется чертежом, где показан общий вид устройства по экспресс-оценке качества нефтехимической жидкости.
Устройство по экспресс-оценке качества нефтехимической жидкости включает блок мостовой схемы 9 содержащий блок чувствительного элемента 22, включенный с помощью проводников 7, первое плечо 8, второе плечо 10, компенсирующий конденсатор 11, первую диагональ 13, вторую диагональ 15, блок измерителя напряжения 14 разбаланса мостовой схемы 9, содержащий усилитель 16, амплитудный детектор 17, интегратор 18, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 19, блок чувствительного элемента 22 содержит жесткую подложку 2, выполненную с возможностью возбуждения колебаний сдвига в соприкасающейся с ней капле нефтехимической жидкости 1, жесткая подложка 2 является резонатором 3 и представляет собой тонкую кварцевую пластину 4, длина которой много больше ее ширины и высоты, на широкие верхнюю и нижнюю поверхности кварцевой пластины 4 нанесены электроды 5, кварцевая пластина 4 включает часть 6, верхняя и нижняя поверхности которой свободны от электродов 5, к электродам 5 подсоединены проводники 7, при этом капля нефтехимической жидкости 1 размещена на части 6, к первой диагонали 13 подключен задающий генератор 12, ко второй диагонали 15 подключен блок измерителя напряжения 14, к аналогово-цифровому преобразователю (АЦП) 19 подключен персональный компьютер 20, в котором установлена программа 21 для отображения и обработки сигнала, отличается тем, что дополнительно содержит блок термостата 23, который включает в себя нагреватель 24, элемент пельтье 37, датчик температуры 25, контроллер температуры 26, блок вакуумной камеры 31, содержит вакуумный насос 32, регулирующий клапан 33, сбрасывающий клапан 34, контроллер вакуума 35, датчик давления 36, блок скорости воздушного потока 27, включает в себя электродвигатель 28, вентилятор 29, контролер скорости воздушного потока 30, датчик скорости воздушного потока 38, причем блок чувствительного элемента 22, воздуходувка 30, датчик температуры 23, датчик давления 24, датчик скорости воздушного потока 25 расположены внутри кюветы 39.
В кювете 39 с помощью контролера температуры 26 устанавливается температура, по контроллеру вакуума 35 устанавливается вакуум, по контролеру скорости воздушного потока 30 устанавливается скорость воздушного потока внутри кюветы 39 следующим образом, при регулировании температуры подается напряжение на нагреватель 24, для нагрева, либо на элементы пельтье 37 для охлаждения, при регулировании вакуума подается напряжение на вакуумный насос 32 при этом клапан регулировки вакуума 33 периодически открывается при завышении значения вакуума и закрывается при его занижении, клапан 34 сбрасывает вакуум при открытии, при регулировании скорости воздушного потока подается напряжение на воздуходувку 29 пропорционально скорости воздушного потока, а снимаются соответвующие параметры датчик температуры 25, датчиком давление 36, датчик скорости воздушного потока 38, каплю нефтехимической жидкости 1 предопределенного объема, например, в объеме 4 мкл, располагают на блоке чувствительного элемента 22, состоящий из жесткой подложки 2, резонатора 3, кварцевой пластины 4, части 6, где непосредственно расположена капля нефтехимической жидкости 1, далее к блоку чувствительного элемента 22 уравновешенному компенсирующим конденсатором 11, подключены электроды 5 далее соединены с проводниками 7, где происходит снимания сигнала, зависящий от физико-химической свойства жидкости, который усиливается в усилителе 16, далее попадает в амплитудный детектор 17, где выделяется сигнал определенной частоты, далее идет на интегратор 18, где выходной сигнал пропорционален интегралу от входного, далее на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 19, далее цифровой сигнал поступает в персональный компьютер 20, где отображается и обрабатывается с помощью программы 21.
Сущность разработанного способа по экспресс-оценке качества нефтехимической жидкости заключается в том, что так же, как и в способе, который является ближайшим аналогом, предопределенный объем исследуемой жидкости в виде капли при заданных условиях окружающей среды располагают на жесткой подложке, выполненной с возможностью возбуждения в упомянутой капле колебаний сдвига, возбуждают в упомянутой капле исследуемой жидкости колебания сдвига в ультразвуковом диапазоне частот и определяют механический импеданс капли исследуемой жидкости, упомянутую каплю сушат, а упомянутый механический импеданс определяют в процессе высыхания капли и регистрируют полученную в процессе высыхания капли динамику упомянутого механического импеданса, которую используют в качестве информативного параметра, после чего полученную динамику механического импеданса сравнивают с динамикой механического импеданса ранее исследованного эталонного образца, упомянутая жесткая подложка является резонатором, упомянутый механический импеданс определяют по напряжению разбаланса мостовой схемы, в состав которой входит упомянутый резонатор, отличается тем, что анализируемую нефтехимическую жидкость испаряют, это происходит под действием передачи ей тепловой энергии, при температуре в диапазоне от 0 до 350°C, со скоростью нагрева не более 35°C в минуту, в другом случае испарение нефтехимической жидкости ведется при температуре от 110 до 270°C и вакууме от 0,1 до 100 мм рт.ст. соответственно, со скоростью нагрева не более 27°C в минуту, в другом случае испарение нефтехимической жидкости происходит под действием дополнительно создаваемого вокруг нее воздушного потока, со скоростью в диапазоне от 0 до 6 метров в секунду, при этом условие задания режимом температуры, вакуума и скорости воздушного потока зависит от фракционного состава анализируемой нефтехимической жидкости.
Под нефтехимической жидкостью подразумевается нефть и жидкие нефтепродукты, которые являются смесью углеводородов выкипающих при разных температурах. В таблице 1 приведена таблица фракционного состава товарных нефтепродуктов, регламентированная соответствующими ГОСТами.
Известно, что при 750 мм рт.ст. и температуре в 350°C происходит разложение углерод углеродных связей, поэтому в устройстве и способе его реализации предусмотрена система создания вакуума. В таблице 2 приведены значения температур соответствующие вакууму и пересчету на атмосферное давление.
В качестве калибровочной нефтехимической жидкости можно использовать смесь эталонных углеводородов, в таблице 3 представлены их основные физико-химические свойства. Так же во время настройки прибора можно применять нефтепродукты, перечисленные в таблице 2.
Для определения фракционного состава нефти и нефтепродуктов существуют различные методы и устройства, результаты которых позволяют настроить заявленное устройство под необходимую нефтехимическую жидкость, например установка АРН-2 по Гост 11011, прибор АРНС-1Э по гост 1277, установка AUTOMAXX по ASTM D2892, ASTM D5236, либо метод имитированной дистилляции на газовом хроматографе Хромое ГХ-1000 по ASTM D 2887-04, ГОСТ Р 54291-2010, ASTM D 5307-2007.
Способ оценки качества нефтехимической жидкости с помощью устройства, структурная схема которого представлена на фиг. 1, реализуется следующим образом.
Капля нефтехимической жидкости 1 (фиг. 1) определенного объема, например, в объеме 4 мкл, при условиях заданных внутри кюветы 39, с помощью контроллера температуры 26, контролера вакуума 35 и контролера скорости воздушного потока 30, т.е. при установленной температуре, вакууме и скорости потока воздуха, располагают на часть 6.
Задание температуры при 760 мм рт.ст. в диапазоне от 0 до 350°C определено особенностью фракционного и химического состава исследуемой нефтехимической жидкости, так как при 350°C в любой нефтехимической жидкости будут проходить процессы разложения, изменяющие его химический состав, а начиная с 0°C самые легкие пентановые фракции будут испаряться в разумных временных пределах.
Примеры задания температуры внутри кюветы 39 совместно с вакуумом описаны в таблице 2, в которой определены основные значения вакуума и выполнен пересчет температуры на 760 мм рт.ст. Так при 100 мм рт.ст. при нагреве всего на 180°C будет, достигается эквивалентная на 760 мм рт.ст. температура в 254°C.
Задание скорости воздушного потока в диапазоне от 0 до 6 метров в секунду характеризуется фракционным и химическим составом исследуемой нефтехимической жидкости. Так для исследования пентановых, гексановых и гептановых фракций требуется задания скорости воздушного потока в 0 метров в секунду, а при исследовании октановых и последующих фракций указанных в таблице 3 требуется соответствующее повышение скорости воздушного потока до 6 метров в секунду. Начиная с фракций выкипающих выше 150°C, требуется дополнительно нагрев кюветы выше 35°C для испаренные исследуемой нефтехимической жидкости в разумных временных пределах около 15 минут.
При подаче сигнала на задающий генератор 12 и резонатор 3 в упомянутом объеме исследуемой нефтехимической жидкости возникают колебания сдвига в ультразвуковом диапазоне частот. В процессе подачи сигнала задающий генератор 12 формирует синусоидальное напряжение ультразвуковой частоты, которое создает соответствующее электрическое поле между электродами 5 резонатора 3, в результате чего в кварцевой пластине 4, возникают колебания сжатия-растяжения в направлении, перпендикулярном направлению возбуждающего электрического поля. Эти колебания вызывают колебания сдвига в капле нефтехимической жидкости 1, расположенной на части 6.
Определяют механический импеданс упомянутого объема исследуемой нефтехимической жидкости с помощью блока мостовой схемы 9 и блока измерителя напряжения 14 следующим образом. Сдвиговые колебания в капле нефтехимической жидкости 1 вызывают изменение электрической проводимости резонатора 3 за счет вносимого электрического импеданса, который в свою очередь определяется механическим импедансом исследуемой капли нефтехимической жидкости 1. Изменение электрической проводимости резонатора 3 вызывает соответствующее изменение напряжения разбаланса блока мостовой схемы 9. Параметры блока мостовой схемы 9 и рабочая частота резонатора 3 определяются типом используемого кварца, при этом напряжение разбаланса пропорционально механическому импедансу исследуемой нефтехимической жидкости 1. Напряжение разбаланса поступает на блок измерителя напряжения 14, где усиливается усилителем 16, детектируется амплитудным детектором 17, интегрируется интегратором 18 и через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 19 поступает в компьютер 20, где обрабатывается и отображается с помощью программы 21.
Затем исследование нефтехимической жидкости протекает внутри кюветы 39, в процессе исследования нефтехимическая жидкость постепенно испаряется, при этом в заданный момент времени определяют механический импеданс капли нефтехимической жидкости 1 по указанному ранее механизму. При этом регистрируют динамику механического импеданса исследуемой капли нефтехимической жидкости 1 в процессе ее постепенного испарения, которую используют в качестве информативного параметра. После этого полученную динамику механического импеданса исследуемой нефтехимической жидкости сравнивают с динамикой механического импеданса ранее исследованного эталонного образца, примеры, которых представлены в таблицах 1 и 3.