СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОСОДЕРЖАНИЯ РАСТВОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01N7/14 

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначенной для определения концентрации газов в жидкости, в частности для определения концентрации кислорода в питательной и других водах теплоиспользующих установок, системах холодного и горячего водоснабжения.

Известен способ определения газосодержания раствора, содержащий операции отбора раствора в измерительную ячейку, перевода всей жидкости в газообразную форму с последующим хроматографическим анализом газов /1/.

Недостатком известного способа является высокая стоимость результатов измерений, поскольку для анализа этим способом используется дорогостоящий прибор. Такой способ применим только в лабораторных условиях со стабильным микроклиматом и высокой квалификацией обслуживающего персонала, в промышленных условиях этот способ малопригоден.

Известен способ определения кислородосодержания раствора, являющийся наиболее близким к заявляемому, содержащий операции подвода и заполнения раствором сосудов (камер) с их последующей герметизацией, подготовки и титрования отобранных проб путем ввода в камеры химических реагентов, в том числе сульфата марганца и пр., закрепляющих газ, взаимодействующих с растворенным в растворе газом и изменяющих степень окраски раствора, и йодометрического определения образовавшихся высших по степени окисления соединений марганца при сравнении окрашенного раствора с эталонной окраской, соответствующей известной концентрации газа в растворе /2/. Известно и устройство, реализующее способ-прототип, выбранное также в качестве прототипа заявленного решения /2/.

Известное устройство содержит сосуды (камеры) емкостью 250-300 мл с кососрезанной притертой пробкой, калибровочное с точностью до 0,1 мл, насадки в горлах сосудов, резиновые трубки, опущенные на дно сосудов. Для отбора проб раствора используют бутылки емкостью 1 л, снабженные притертыми пробками. Для подготовки проб с целью исключения мешающего влияния содержащихся в растворе веществ и осуществления титрования раствора непосредственно перед определением газосодержания используют около десятка реактивов и химическую аппаратуру: пипетки, колбы, сифоны и пр.

Недостатком известных способа и устройства является сравнительная сложность, невысокая точность, превышающая иногда величину 0,1 мг/л, зависящую от мешающего влияния содержащихся в растворе веществ, его устранения посредством реактивов, индивидуальных способностей оператора, шага цветов окраски эталонов, качества химических реактивов, определяемого чистотой и сроком хранения, а также от доступности их приобретения и применения. Более того, нередко отсутствие у персонала некоторых из дорогостоящих реактивов вообще практически исключает использование такого устройства и способа, в частности на многочисленных котельных и прочих теплоиспользующих установках, несмотря на наличие оборудования. Отсутствие должного контроля над газосодержанием водных растворов на котельных установках, системах холодного и горячего водоснабжения, приводит к нарушению технологических процессов и чрезмерной коррозии их оборудования и систем. Кроме того, известные способ и устройство применимы при концентрации кислорода в растворе не ниже 0,2-0,3 мг/л, то есть имеет узкий диапазон.

Таким образом, способ и устройство - прототип, его реализующие, имеют существенные недостатки: неэффективность контроля газосодержания растворов и, в частности, наблюдений за технологическими процессами водоподготовки теплоиспользующих установок, усиливающую коррозию их теплоэнергетического оборудования.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые способ и устройство для его осуществления, является устранение указанных недостатков, а именно упрощение, повышение точности и расширение диапазона измерений путем исключения использования химических реактивов для получения результатов анализа газосодержания раствора и зависимости самих результатов анализа от квалификации оператора, в частности повышение эффективности контроля при эксплуатации водоподготовительного оборудования, обуславливающее снижение коррозии теплоэнергетического оборудования и его систем.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе, содержащем операции подвода и заполнения определяемым раствором камер и их герметизацию, в отличие от него, в заявляемом операции подвода и заполнения определяемым раствором выполняют посредством подвода и заполнения им последовательно сообщенных между собой нижней и верхней камер, которые после заполнения герметизируют от атмосферы. Раствор в нижней камере затем нагревают до температуры насыщения, отводя образующуюся парогазовую смесь в верхнюю камеру. Часть раствора из верхней камеры сливают в объеме, не превышающем ее внутреннюю вместимость. Измеряют объем удаленного раствора и герметизируют верхнюю камеру относительно атмосферы. Начинают кипятить раствор в нижней камере, отводя парогазовую смесь в верхнюю камеру и поддерживая в ней путем охлаждения смеси давление не ниже атмосферного, а конденсат из верхней камеры отводят в нижнюю камеру. Затем прекращают кипение в нижней камере и герметизируют верхнюю камеру относительно нижней с измерением температуры и давления в полости верхней камеры. При этом газосодержащие раствора определяют по формуле,
Сг = Vв•(Po-Pp)/(Vн•R•To),
где Vн, Vв - объемы внутреннего пространства соответственно нижней и верхней камер, куб. м;
Ро, То - абсолютные значения давления и температуры среды в верхней камере после охлаждения, Па, К;
Рр - абсолютное парциальное давление паров раствора при То, Па;
R - газовая постоянная, Дж/(кг•К).

Для реализации заявленного способа в известном устройстве, содержащем камеру с запорным приспособлением и трубкой, опущенной на дно камеры, в отличие от него, заявляемое дополнительно содержит расположенную над камерой верхнюю камеру, снабженную охладителем в своей верхней полости, а также средствами контроля температуры и давления и приспособлением для слива контролируемого количества раствора. Нижняя камера содержит нагреватель, расположенный в ее нижней полости. Между камерами установлены сообщающие их трубопроводы с разобщительной арматурой на каждом, один из которых сообщает верхнюю полость нижней камеры с верхней полостью верхней, а другой, опущенный на дно нижней камеры, сообщен с нижней полостью верхней камеры, причем запорное приспособление нижней камеры размещено на входе в ее нижнюю полость, а верхней камеры - над ее верхней полостью.

Заявленная совокупность ограничительных и отличительных признаков обеспечивает повышение точности и расширение диапазона измерений, измерение газосодержания раствора без использования химических реагентов, независимость самих результатов измерений от квалификации оператора (при высокой точности во всем диапазоне измерения газосодержания раствора), простоту и удобство в эксплуатации, и соответственно низкую стоимость измерений, повышение эффективности водоподгоговительного оборудования и снижение коррозии теплоэнергетического оборудования и его систем.

Нагрев раствора в нижней камере до температуры насыщения обеспечивает выделение газа из газогидратных структур раствора в форму пузырей, всплытие их в верхнюю камеру в ее верхнюю полость. Слив части раствора из верхней камеры по объему, не превышающему объем верхней камеры, обеспечивает создание пространства для восприятия парогазовой смеси, отводимой из нижней камеры при давлении, близком атмосферному. Измерение удаленного объема раствора из верхней камеры позволяет учитывать объем пространства, занимаемого парогазовой смесью. Кипение раствора в нижней камере обеспечивает его полную дегазацию и перемещение всего выделившегося газа, соответствующего его концентрации в исходном растворе и объемах камер, в верхнюю камеру с известным объемом. Охлаждение верхней камеры обеспечивает конденсацию пара из парогазовой смеси с отводом конденсата из верхней камеры в нижнюю для многократной дегазации. Прекращение кипения раствора в нижней камере и охлаждение парогазовой смеси в верхней камере обеспечивает отвод остатков конденсата в нижнюю камеру с пространства верхней камеры, заполненным газом. Герметизация верхней камеры относительно нижней, ее охлаждение с последующим измерением давления и температуры среды при известном парциальном давлении раствора позволяет без затруднения определить газосодержащие исходного раствора по известной зависимости, устанавливающей их соотношение.

Оборудование нижней камеры нагревателем в нижней полости обеспечивает перемешивание раствора при кипении и выделение газа из всего объема раствора. Снабжение верхней камеры охладителем в своей верхней полости обеспечивает конденсацию паров раствора и отвод теплоты, сообщаемой нагревателем раствору. Оснащение верхней камеры средствами контроля температуры и давления позволяет контролировать изменение температуры и давления в камере, осуществлять регулировку соотношения тепловых мощностей нагревателя и охладителя и контролировать герметичность соединений и арматуры камер. Установка двух трубопроводов, сообщающих верхние и нижние полости камер, обеспечивает циркуляцию потоков пара и конденсата, накопление неконденсируемого газа в верхней камере и предотвращение поступления газа в нижнюю камеру.

На чертеже представлена схема устройства для определения газосодержания раствора заявляемым способом. Устройство содержит последовательно сообщенные нижнюю 1 и верхнюю 2 камеры с разобщительными кранами входа 3 и выхода 4 раствора. Между камерами 1 и 2 установлена трубка 5 с разобщительным краном 6, сообщающая верхние полости камер. Нижние полости камер 1 и 2 сообщены посредством трубки 7, на которой установлен разобщительный кран 8. Нижняя полость камеры 2 сообщена с запорным краном 9 выпуска раствора из камеры 2 в мерную колбу 10. В нижней полости камеры 1 установлена спираль 11 регулируемого нагревателя (не показан). Камера 2 оборудована термометром 12 и мановакуумметром 13. В верхней полости камеры 2 установлен теплообменный элемент 14 регулируемого охладителя (не показан).

Способ определения газосодержания раствора осуществляют посредством выполнения следующих операций на устройстве. При закрытых разобщительных кранах 3, 4 и 9 устройство подключают к системе или баку с исследуемым раствором посредством переходного патрубка, устанавливаемого к крану 3 (не показано). Открывают краны 4, 6, 8, 9, затем открывают кран 3, и раствор под избыточным давлением заполняет внутреннее пространство камер и сообщительных трубок, при этом воздух через кран 4 вытесняется в атмосферу. После выпуска незначительной части раствора на сливе крана 9 последний закрывают. После появления раствора на выходе из крана 4 обеспечивают слив этого раствора в объеме, соответствующем 5-7 внутренним объемам камеры 1. Это гарантирует заполнение камеры 1 исследуемым раствором без примесей объема раствора, вступившего в контакт с воздухом в период первоначального заполнения камеры 1. После этого краны 3 и 4 закрывают, осуществляя герметизацию раствора в устройстве. Включают нагреватель, раствор нагревается с выделением газов, растворенных в жидкости, и перепуском парогазовой смеси по трубке 6 в камеру 2. При этом давление внутри сообщенных между собой камер начинает расти. Об этом судят по показаниям мановакуумметра 13. При увеличении давления выше атмосферного открывают кран 9 и следят, как избыточное количество раствора сливается в мерную колбу 10. Контролируемое количество сливаемого из камеры 2 раствора не должно превышать внутреннего объема камеры 2, при этом из крана 9 не должны выходить пузыри газа, поскольку последующие анализы будут некорректны вследствие неконтролируемого сброса объема газа из устройства. После сброса указанного количества раствора в мерную колбу 10 фиксируют величину его объема в колбе, клапан 9 закрывают, осуществляя герметизацию устройства. Начинают кипятить раствор в нижней камере посредством включения в сеть нагревателя. При этом давление в камерах 1 и 2 по показаниям прибора 13 растет выше атмосферного. Для предотвращения чрезмерного роста давления включают в работу охладитель. Соответствующим регулированием тепловых мощностей управляемых нагревателя и охладителя обеспечивают поддержание давления в камерах 1 и 2 несколько выше атмосферного в течение времени около 20 минут. При этом процесс кипения раствора обеспечивает образование в камере 1 парогазовых пузырей, которые выходят из нее через кран 6 и трубку 5 в верхнюю полость камеры 2. Здесь пар раствора конденсируется на поверхности теплообменника охладителя 14, конденсат сливается в нижнюю полость камеры 1 для повторной деаэрации при продолжающемся кипении раствора на спирали нагревателя 11. Газ же из камеры 2 не отводится и поэтому в течение указанного периода кипения он накапливается и собирается в камере 2. Таким путем полностью деаэрируют весь раствор в камере 1. После этого нагреватель отключают, процесс кипения прекращается, паровые пузыри переходят из камеры 1 в камеру 2, а освободившийся объем паровых пузырей камеры 1 заполняется конденсатом из камеры 2. Уровень раствора в камере 2 опускается до границы, соответствующей количеству предварительно отведенного раствора в мерную колбу 10. После этого камеру 2 полностью герметизируют (относительно камеры 1) - закрывают краны 6 и 8 и продолжают охлаждение парогазовой смеси в камере 2 посредством охладителя. По показаниям термометра 12 и мановакуумметра 13 судят об окончании процесса охлаждения, как только их показания станут стабильны по времени. Стабильность температуры при изменении давления свидетельствует о неисправности устройства - потере герметичности камеры 2 и необходимости повторного определения газосодержания раствора после устранения обнаруженных неплотностей в устройстве. При стабильных значениях температуры и давления в камере 2 в течение времени около 5 минут фиксируют их значения и определяют газосодержащие раствора по формуле,
Сг = Vв•(Po-Pp)/(Vн•R•To),
где Vн, Vв - объемы внутреннего пространства соответственно нижней и верхней камер, куб. м;
Ро, То - абсолютные значения давления и температуры среды в верхней камере после охлаждения, Па, К;
Рр - абсолютное парциальное давление паров раствора при То, Па;
R - газовая постоянная, Дж/(кг•К).

Таким образом, обеспечивается определение газосодержания раствора без использования химических реагентов, независимость результатов измерений от квалификации оператора, высокая точность измерений, определяемая классом точности мановакуумметра и термометра, точностью мерной колбы и точностью определения внутренних объемов камер, удобство в эксплуатации устройства, невысокая стоимость, поскольку устройство не содержит дорогих элементов. При использовании такого устройства обеспечивается повышение эффективности эксплуатации водоподготовительного оборудования и снижение коррозии элементов и систем, работающих в контакте с газосодержащим водным раствором, поскольку анализы качества раствора могут осуществляться периодически и многократно без перенастройки или зарядки устройства в любых климатических условиях.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Айвазов Б. В. Основы газовой хроматографии: Учебное пособие для химических специальностей вузов. - М.: Высшая школа, 1977, 183 с.

2. ВНИИ Водгео Госстроя СССР. Руководство по химическому и технологическому анализу воды. - М.: Стройиздат, 1973, с. 70-80.

Использование: измерительная техника. Сущность: подводят и заполняют определяемым раствором последовательно нижнюю и верхнюю камеры, герметизируют их. Нагревают раствор в камере до температуры насыщения, отводя по трубе парогазовую смесь в верхнюю камеру. Часть раствора из этой камеры сливают в колбу, измеряют его объем, герметизируют камеру, закрывая кран. Кипятят раствор в нижней камере, отводя парогазовую смесь в верхнюю камеру, поддерживая в ней путем охлаждения смеси охладителем давление не ниже атмосферного, и отводя по трубе конденсат в нижнюю камеру. Прекращают кипение, герметизируют камеру, закрывая краны. Измеряют температуру и давление в камере и определяют газосодержание раствора по известной зависимости. Технический результат: упрощение, повышение точности, расширение диапазона измерений путем исключения использования химических реактивов. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения газосодержания раствора, включающий операции подвода и заполнения определяемым раствором камер и их герметизацию, отличающийся тем, что операции подвода и заполнения определяемым раствором выполняют посредством подвода и заполнения им последовательно сообщенных между собой нижней и верхней камер, которые после заполнения герметизируют от атмосферы, раствор в нижней камере затем нагревают до температуры насыщения, отводя образующуюся парогазовую смесь в верхнюю камеру, часть раствора из верхней камеры сливают в объеме, не превышающем внутренний объем верхней камеры, измеряют объем удаленного раствора и герметизируют верхнюю камеру относительно атмосферы, начинают кипятить раствор в нижней камере, отводя парогазовую смесь в верхнюю камеру, охлаждая в ней смесь и поддерживая в ней путем охлаждения смеси давление не ниже атмосферного, а конденсат из верхней камеры отводят в нижнюю камеру, затем прекращают кипение в нижней камере, герметизируют верхнюю камеру относительно нижней, измеряют температуру и давление в полости верхней камеры и определяют газосодержание раствора по формуле
Cr=Vв•(Po-Pp)/(Vн•R•To),
где Vн, Vв - объемы внутреннего пространства соответственно нижней и верхней камер, куб.м;
Ро, То - абсолютные значения давления и температуры среды в верхней камере после охлаждения, Па, К;
Ро - абсолютное парциальное давление паров раствора при То, Па;
R - газовая постоянная, Дж/(кг•К). 2. Устройство для определения газосодержания раствора, содержащее камеру с запорным приспособлением и трубкой, опущенной на дно камеры, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит расположенную над камерой верхнюю камеру, снабженную охладителем в своей верхней полости, а также средствами контроля температуры и давления и приспособлением для слива контролируемого количества раствора, нижняя камера содержит нагреватель, расположенный в ее нижней части, а между камерами установлены сообщающие их трубопроводы с разобщительной арматурой на каждом, один из которых сообщает верхнюю полость нижней камеры с верхней полостью верхней, а другой, опущенный на дно нижней камеры, сообщен с нижней полостью верхней камеры, причем запорное приспособление нижней камеры размещено на входе в ее нижнюю полость, а верхней камеры - над ее верхней полостью.