СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ ВЗВЕШЕННОЙ ВЛАГИ В ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДАХ Российский патент 2015 года по МПК G01N22/04 

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности жидких углеводородов. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности, лабораторной практике для контроля качества горюче-смазочных материалов, в частности для экспресс-контроля качества авиационного керосина.

Известен резонаторный способ определения объемной концентрации влажности (см. Берлинер М.А. Измерение влажности. - М.: Энергия, 1973). При этом способе исследуемая жидкость помещается в кювету, находящуюся в полости цилиндрического объемного резонатора (ЦОР). Кювета выполняется в виде цилиндра или диска и устанавливается вдоль или перпендикулярно соответственно продольной оси объемного резонатора. Затем возбуждают электромагнитное поле (ЭМП) типа H₀₁₁, измеряют нагруженную добротность. Выходной величиной первичного измерительного преобразователя (ПИП) служит вызванное введением исследуемого материала изменение добротности резонатора ΔQ=Q-Q₀ (Q - нагруженная; Q₀ - ненагруженная добротность ОР). Недостатком способа является невозможность определения взвешенной влаги (мельчайшие капельки воды) по причине того, что изменение влагосодержания может быть вызвано не только наличием взвешенной влаги, но и наличием, например, антиобледенительной присадки (за счет наличия растворенной влаги в присадке), а также может быть вызвано изменением марки топлива (объемное процентное содержание естественной растворенной влаги зависит от марки топлива - керосина, бензина, дизельного топлива и т.д.).

За прототип принят способ (RU 2306552 С1 от 20.09.2007 г.). В данном способе исследуемый жидкий углеводород помещают в электромагнитное поле (например, в поле колебания H₀₁₁ ЦОР), добавляют антиобледенительную присадку - моноэтиловый эфир этиленгликоля (жидкость "И"), измеряют СВЧ-потери в исследуемом объеме при температуре t₁, при той же температуре t₁ и по истечении не менее 20 минут вновь измеряют потери, по изменению СВЧ-потерь судят о наличии взвешенной влаги.

Недостатком прототипа является недостаточная чувствительность и трудоемкость измерения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и уменьшение трудоемкости определения взвешенной влаги в жидком углеводороде.

Данный технический результат достигается тем, что в способе определения наличия взвешенной влаги в жидких углеводородах, основанном на помещении исследуемого углеводорода в сверхвысокочастотное электромагнитное поле и измерении потерь на фиксированной температуре t₁, дополнительно после измерений на t₁ нагревают исследуемый углеводород в закрытой пробе, далее измеряют в нем потери сверхвысокочастотного электромагнитного поля на второй фиксированной температуре t₂, причем

t₁<t₂,

при этом фиксированную температуру t₁ выбирают не выше 0°C

t₁≤0°C,

а разность температур t₂-t₁ должна быть не менее 50°C

t₂-t₁≥50°C,

по изменению потерь сверхвысокочастотного электромагнитного поля судят о наличии взвешенной влаги.

На Фиг.1 представлена лабораторная установка на основе цилиндрического объемного резонатора, на Фиг.2 - фотографии лабораторной установки, на Фиг.3 - исследования СВЧ-потерь в авиационном керосине ТС-1 с естественной растворенной и эмульсионной влагой при различных температурах в закрытых пробах, на фиг.4 - деформация силовых линий электростатического поля в диэлектрическом шарике.

Суть предлагаемого способа иллюстрирует эксперимент с использованием лабораторной установки на основе цилиндрического объемного резонатора (Фиг.1, 2). В эксперименте исследовались СВЧ- потери в жидком углеводороде, содержащем взвешенную (эмульсионную) влагу (в виде мельчайших капель) и естественную растворенную влагу.

Трубопровод изготовлен из пластика, толщина стенки Δ=0,001 м. Внутренняя часть ЦОР посеребрена и отполирована.

СВЧ-потери в исследуемой среде определялись по изменению нагруженной добротности Q_н (полосы пропускания системы Δf_nn) резонатора

где f₀ - частота резонанса (в эксперименте равна 2738 МГц).

Использовалась следующая методика измерения полосы пропускания системы. Определялся резонанс колебания H₀₁₁. Максимальное отношение (при резонансе) устанавливалось в пределах (120-130 мкА). Полоса пропускания отыскивалась по уровню половинной мощности (60-65 мкА) показаний микроамперметра. Один оператор производил отсчет начала и конца перестройки частоты генератора и осуществлял саму ее перестройку. Ручка «частота» при измерении Δf_nn вращалась во всех измерениях только по часовой стрелке, скорость перемещения стрелки равнялась примерно 20 делений мкА за 5 секунд. Второй оператор производил точный отсчет граничных частот полосы пропускания. Количество измерений 10. Доверительная вероятностью измерений P_дов=0,80.

Парциальная добротность Q_пар, вызванная потерями в среде, определялась следующим образом. Определялась добротность Q₀ резонатора с пустым трубопроводом. Из эксперимента

Далее определялась нагруженная добротность Q_Н резонатора. Парциальная добротность Q_пар определялась по следующей формуле:

На Фиг.3 представлены исследования СВЧ-потерь в авиационном керосине ТС-1 с естественной растворенной и эмульсионной влагой при различных температурах в закрытых пробах. Эмульсия готовилась путем диспергирования (с помощью блендера в режиме с 13000 об/мин) керосина с заданным количеством воды.

СВЧ-потери в авиационном керосине ТС-1 с и без эмульсионной влаги (в эксперименте 0.02% объемной доли) при температуре 0°C отличаются не более 8%. Это объясняется слабым влиянием эмульсионной влаги на общие СВЧ-потери в керосине (см. Кугушев A.M., Голубев Н.С. Основы радиоэлектроники. - М.: Энергия. 1969. С.372-373). В объеме диэлектрического шарика электрическое поле деформируется из-за граничных условий (Фиг.4). Напряженность электрического поля внутри шарика E₂ связана с невозмущенной напряженностью электрического поля вне шарика E₁ следующим выражением:

где ε_ж - относительная диэлектрическая проницаемость жидкого углеводорода; $${\epsilon }_{H_{2}O}$$ - относительная диэлектрическая проницаемость воды ( $${\epsilon }_{H_{2}O}$$ ≈81). Для авиационного керосина (ε_к≈2.08). Основной вклад в потери вносят одиночные молекулы воды, потери на которых пропорциональны их концентрации (см. Красюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение радиоволн. - М: Высшая школа. 1974. С.497, второй абзац снизу).

СВЧ-потери обратно пропорциональны парциальной добротности $$P_n\cong \frac{1}{Q_{пар}}$$ , поэтому на основе данных, приведенных на Фиг.1, можно сделать следующие выводы. СВЧ-потери в авиационном керосине марки ТС-1 без эмульсионной влаги при нагреве с t=0°C до t=50°C в закрытой пробе уменьшились на 41%, СВЧ-потери в авиационном керосине марки ТС-1 с добавкой 0.02% эмульсионной влаги уменьшились только на 3%. Такое отличие объясняется тем, что при температуре t=50°C объемная доля одиночных молекул больше объемной доли всей растворенной влаги при температуре t=0°C. Поэтому часть эмульсионной влаги переходит в растворенное состояние, увеличивая СВЧ-потери в керосине.

Таким образом по сравнению с прототипом уменьшена трудоемкость измерений (в прототипе время измерения более 20 минут): время измерения в предлагаемом способе - это время нагрева с начальной до конечной температуры керосина в закрытой пробе. В предлагаемом способе отсутствует влияние вариации объемной доли добавки в виде противообледенительной присадки (жидкость "И" - моноэтиловый эфир этиленгликоля) и ее влажности на результат измерения эмульсионной влаги (жидкость "И" в исследуемый керосин не добавляется). Повышена чувствительность измерения: парциальная добротность в предлагаемом способе изменяется более чем на 34%, в прототипе - на 28%. При этом чувствительность может быть повышена путем увеличения разности конечной и начальной температур.

Для реализации предлагаемого способа можно использовать как резонаторный, так и методы на отражение и прохождение с использованием известных устройств: перестраиваемый генератор СВЧ, измеритель добротности, устройства впуска-выпуска жидкости.

Заявленное изобретение относится к способу определения влажности жидких углеводородов и может найти применение в нефтехимической промышленности, лабораторной практике для контроля качества горюче-смазочных материалов, в частности для экспресс-контроля качества авиационного керосина. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и уменьшение трудоемкости определения взвешенной влаги в жидком углеводороде. Способ основан на помещении исследуемого углеводорода в сверхвысокочастотное электромагнитное поле и измерении потерь на фиксированной температуре t₁, дополнительно после измерений на t₁ нагревают исследуемый углеводород в закрытой пробе, далее измеряют в нем потери сверхвысокочастотного электромагнитного поля на второй фиксированной температуре t₂, причем t₁<t₂, при этом фиксированную температуру t₁ выбирают не выше 0°C, т.е. t₁≤0°C, а разность температур t₂-t₁ должна быть не менее 50°C, т.е. t₂-t₁≥50°C, после чего по изменению потерь сверхвысокочастотного электромагнитного поля судят о наличии взвешенной эмульсионной влаги, которая переходит в растворенное состояние. 4 ил.

Способ определения наличия взвешенной влаги в жидких углеводородах, основанный на помещении исследуемого углеводорода в сверхвысокочастотное электромагнитное поле и измерении потерь на фиксированной температуре t₁, отличающийся тем, что после измерений на t₁ нагревают исследуемый углеводород в закрытой пробе, далее измеряют в нем потери сверхвысокочастотного электромагнитного поля на второй фиксированной температуре t₂, причем
t₁<t₂,
при этом фиксированную температуру t₁ выбирают не выше 0°C
t₁≤0°C,
а разность температур t₂-t₁ должна быть не менее 50°C
t₂-t1≥50°C,
по изменению потерь сверхвысокочастотного электромагнитного поля судят о наличии взвешенной влаги.