Датчики вологості технологічних рідин

  1. Зміст статті
  2. До чого призводить надлишок вмісту води в технологічних рідинах
  3. Методи вимірювання вмісту вологи в технологічному потоці
  4. Принцип дії датчиків вимірювання вологості
  5. Застосування закону Генрі
  6. Для визначення відсотка насичення рідини це рівняння може бути записано таким чином:
  7. Відсоток насичення дорівнює:
  8. Динаміка зміни вологості
  9. Визначення величин насичення
  10. Градуювання за експериментальними даними
  11. висновки

Контроль вмісту води в технологічних і органічних рідинах дуже важливий для підвищення ефективності виробничих процесів.

Зміст статті

Вода в технологічних рідинах

Вода грає дуже важливу роль майже у всіх відомих реакціях. Швидкість і ступінь завершеності реакцій, як бажаних, так і небажаних, часто визначається кількістю присутньої води. Незважаючи на її важливість як технологічного параметра, яка порівнянна з температурою і концентрацією реагенту, вимір і регулювання вмісту води в загальному випадку більш складно. Поряд з необхідністю регулювання вмісту води в самому процесі, надто велике або надто низький вміст води може погіршити якість деяких виробів, а також негативно впливати на обладнання.

До чого призводить надлишок вмісту води в технологічних рідинах

Регулювати вміст води дуже важливо в оптимізації реакцій полімеризації. Наприклад, в полімеризації бутадієну і стиролу, а у виробництві поліетилену високої щільності надлишок води буде отруювати каталізатор. Вода може викликати корозію технологічних трубопроводів або замерзати в трубах, які перебувають при низьких температурах. Навіть, так звані, не змішуються з водою рідини, наприклад, бензол та інші вуглеводні можуть розчиняти достатню кількість води, що призводить до замерзання при низьких температурах.

Аналогічно цьому, масло, яке використовується в трансформаторах, може містити достатню кількість води, щоб викликати електричний пробій, що веде до втрат або навіть вибуху. Перелік процесів і виробів, для яких контроль вмісту води критично важливий, дуже широкий. У табл.1 наведено лише частина його.

Таблиця 1
Типові області застосування датчиків вологості

рідина

застосування

Причина вимірювання вологості

Бутадієн, бутен, пропилен, етилен, додекан

полімеризація

Волога уповільнює полімеризацію

Зріджений природний газ,
етан, пропан

транспортування палива

Волога викликає заморозку труб і знижує величину теплової енергії

Нафта, гас, ксилол, ізопропілбензол, ароматичні вуглеводні

Виробництво спеціальних хімічних речовин

Волога уповільнює добавку інших функціональних груп

Циклогексан, тетрагідрофуран, діетиловий ефір

Розчинники для фармацевтики, проміжні продукти полімеризації або барвники

Волога уповільнює реакцію

Методи вимірювання вмісту вологи в технологічному потоці

Незважаючи на те, що є багато лабораторних методів вимірювання вмісту води, більшість з них можуть бути використані тільки для певних хімічних речовин. Є кілька методів широкого застосування, і ще менше придатних для рідин. Вимірювання, що виконуються в лабораторних умовах, вимагають екстракції проби з процесу.

Досвід показує, що ця процедура, особливо при вимірюванні низьких рівнів вологості, може змінити кількість вологи в пробі. Досить важко технічно реалізувати контейнер для проби, де вологість була б в рівновазі з вмістом вологи в пробі. Зазвичай контейнери для проби віддають значну кількість вологи в суху пробу, але якщо контейнери для проби ретельно і повністю висушити перед використанням, то вони можуть отримувати значну кількість води з проби.

Ця проблему вирішують шляхом установки контрольно-вимірювального обладнання на трубопровідну лінію з технологічним потоком. Це дозволяє здійснювати безперервний вимір вологості незалежно від атмосферних умов і показності проби в цілому.

Пряме вимірювання тиску парів води в лінії з рідкою органікою може виконуватися ефективно шляхом використання датчиків вологості з оксиду алюмінію, які призначені для контролю за місцем при зануренні в рідину або газ. В межах певних параметрів вміст води може бути визначено безпосередньо в лінії, де вимір виконується найкращим чином.

Принцип дії датчиків вимірювання вологості

Рис Рис. I. Датчик з оксиду алюмінію складається з тонкої алюмінієвої смужки, яка анодирувана для отримання пористого шару окису алюмінію. Цей шар є діелектриком, імпеданс якого змінюється відповідно до кількості парів вологи, що знаходяться в стані рівноваги в його порах. Дуже тонке покриття з золота, нанесене на нього, по суті, утворює конденсатор.

Цей шар є діелектриком, імпеданс якого змінюється відповідно до кількості парів вологи, що знаходяться в стані рівноваги в його порах. Дуже тонке покриття з золота, нанесене на нього, по суті, формує конденсатор. Пари води швидко проходять через проникний шар золота і приходять в стан рівновагу з парами в діелектричному шарі оксиду. Це впливає на величину електричного імпедансу датчика, яка може бути функціонально пов'язана з тиском пари води. Так як пори оксидного шару дуже малі, то датчик вибірково відгукується на невеликі молекули води і не реагує на більшість органічних вуглеводнів. При цьому взаємні перешкоди мінімальні.

Таким чином, датчик з оксиду алюмінію є первинним вимірювальним перетворювачем, що забезпечує електричний вихідний сигнал, величина якого залежить від тиску парів води в навколишньому середовищі. Це виміряний тиск парів води потім може використовуватися для розрахунку масового змісту розчиненої вологи в органічної рідини, використовуючи закон Генрі. Відповідно до закону Генрі маса газу, розчиненого в даному обсязі розчинника при постійній температурі, прямо пропорційна тиску газу, з яким вона перебуває в рівновазі.

Відповідно до сказаного, вміст вологи в органічної рідини дорівнює тиску пари води в рідині, помноженому на константу.

СW = KPW (1)
де:
СW = концентрація води в рідині;
PW = тиск парів води в рідині;
K = константа закону Генрі.

Таким чином, вимірювання тиску парів води в рідині і знання константи Генрі дозволяє виконати прямий розрахунок концентрації води в цій рідині.

Для рідин, які не підкоряються закону Генрі, виконується емпірична градуювання - залежність повної провідності датчика від відомого вмісту вологи в пробах. У загальному випадку рідини з низькою електропровідністю дають ідентичні значення повної провідності, як в газовій, так і рідкої фази, тоді як полярні рідини дають більш високі значення повної провідності датчика в рідкій фазі в порівнянні з газовою фазою і, тому вимагають градуювання за експериментальними даними.

Застосування закону Генрі

Для неполярних рідин, які мають величини насичення водою приблизно 1 відсоток або менше за вагою, для датчика з оксиду алюмінію зазвичай вживають аналіз на основі закону Генрі. Для цих рідин може бути безпосередньо визначено абсолютний вміст вологи або відсоток насичення.

Цей датчик може бути прямо занурений в рідину, а вимірювання тиску парів води при відомому значенні константи закону Генрі для даної рідини дозволяє розрахувати безпосередньо вміст вологи в рідини.

Для визначення відсотка насичення рідини це рівняння може бути записано таким чином:

СS = KPS (2)
де:
СS = концентрація насичення водою;
PS = тиск насичених парів води;

Виняток До з рівнянь 1 і 2 показує, що відсоток насичення просто дорівнює відношенню фактичного тиску парів води (точка роси) до тиску її насичених парів при одній і тій же температурі.

Відсоток насичення дорівнює:

СW / СS ∙ 100 = PW / PS ∙ 100 (3)

Величини насичення водою для ряду органічних рідин є в літературі. Якщо величина насичення для конкретної органічної рідини недоступна або якщо ця величина в літературі сумнівна, то вона може бути визначена експериментально, як описано нижче.

Якщо концентрація насичення СS відома для рідини при конкретної температурі, то єдиною величиною, яка потрібна для визначення абсолютного вмісту вологи в рідини - це тиск парів води, яке вимірюється датчиком з оксиду алюмінію. Тиск насиченої пари PS при даній температурі є в будь-якому довіднику. Тоді вміст вологи може бути розраховане за формулою:

СW = (СS / PS) ∙ PW (4)

Константа До закону Генрі в загальному випадку є функцією температури; тому величину СS слід визначати при температурі виконання вимірювань. (Для простих насичених вугле-відрядив температурний коефіцієнт константи К значно нижче, ніж в більшості випадків, що представляють практичний інтерес, і тому можна знехтувати його зміною при вимірах поблизу кімнатних температур).

Динаміка зміни вологості

наявні мікропроцесорні аналізатори вологості можуть легко розрахувати вміст вологи в ppmW. Величини насичення СS при різних температурах для контрольованих рідин заносять в пам'ять таких аналізаторів. Ці прилади дозволяють вводити тиск парів води PW і температуру рідини і розрахувати поточне утримання вологи СW, використовуючи рівняння 4. Ці обчислення постійно оновлюються, і, таким чином, можна легко виявити зміна змісту вологи.

Визначення величин насичення

Опубліковано безліч статей, що стосуються визначення розчинності води в органічних рідинах. Порівняння цих даних, отриманих для конкретної органічної рідини різними дослідниками, говорить про значні труднощі при експериментальному вимірюванні цих величин. Є дві основні причини суперечливості цих даних. По-перше, дуже важко підготувати точні концентрації насичення водою органічних рідин, і, по-друге, складно виключити "забруднення" під час підготовки проби і аналізу.

Останнє пов'язано з забрудненням атмосферною вологою, апаратурою підготовки проби, які покривають газами і т.п. Реальна підготовка проб з відомою концентрацією води в органічних рідинах ще більш важка. Більшість методик вимагає насичення органічної рідини водою при відомій температурі. Це, в свою чергу, вимагає дуже великого часу змішування, поділу фаз і точного контролю температури. Якщо не доводити до екстремальних умов, то рідина буде, або ненасиченої, або пересичені.

Рис Рис. 2. Реєструється вміст води і тиск парів води для різних температур, і розраховується величина насичення. Зазвичай дані реєструються з температурними інтервалами від 5 до 10 ° С в межах діапазону температур технологічного процесу.

Так як датчик з оксиду алюмінію вимірює фактичне тиск парів води незалежно від того, чи присутній рідина і / або інші гази, необхідність у фактичному насиченні рідини виключається, одночасно з відноситься до цього потенційної помилкою. Все що потрібно - це виміряти точку роси рідини з відомою концентрацією води при відомій температурі.

Представляючи рівняння 4 в іншому вигляді, можна розрахувати концентрацію насичення водою на основі експериментальних даних:

СS = (СW / PW) ∙ PS (5)

де:

СS = концентрація насичення водою (ppmW);
СW = вміст води на базі аналізу по Карлу Фішеру (ppmW);
PW = тиск парів води;
PS = тиск насичених парів води;

Вміст води і тиск парів води реєструють при різних температурах, розраховують величину насичення. Зазвичай дані реєструються з температурними інтервалами від 5 до 10 ° С в межах діапазону температур технологічного процесу (див. Рис. 2).

Градуювання за експериментальними даними

Якщо електропровідність рідини впливає на електричний сигнал датчика, то матимуть місце неінформативні високі показання. У таких випадках повинна виконуватися градуювання за експериментальними даними - виміряна точка роси в залежності від вмісту вологи з компенсацією цих високих показань.

Така градуювання може бути проведена шляхом додавання води в рідину і визначення повної провідності датчика як функції змісту води. Вода може бути легко додана в більшість органічних рідин шляхом барботування через них вологого газу. Вміст води потім може бути проаналізовано шляхом титрування за Карлом Фішером. Розчини з відомою концентрацією води можуть створюватися шляхом додавання відомих кількостей рідкої води до відомого кількості "сухий" органічної рідини.

У разі останньої методики може знадобитися чимало часу для повного розчинення води і досягнення остаточних рівноважних умов при низьку розчинність води в цих рідинах. Що стосується застосування закону Генрі, реєструються утримуючи-ня вологи і повна провідність датчика для кожної температури, а не точка роси (див. Рис. 3).

Ці дані необхідно створювати для того температурного діапазону і діапазону зміни вмісту вологи, в яких датчик буде контролювати технологічний потік Ці дані необхідно створювати для того температурного діапазону і діапазону зміни вмісту вологи, в яких датчик буде контролювати технологічний потік.

Як зазначалося раніше, за допомогою мікропроцесорного приладу зареєстровані експериментальні дані по вмісту вологи та повної провідності датчика при кожній температурі можуть бути введені в програму приладу для забезпечення прямого зчитування вмісту вологи в ppmW. Ця методика являє ще менше труднощів для тих рідин, які повністю або добре змішуються з водою.

Мал. 3. Якщо електропровідність рідини впливає на електричний сигнал датчика, то матимуть місце неінформативні високі показання. У таких випадках повинна виконуватися градуювання за експериментальними даними - виміряна точка роси в залежності від вмісту вологи з компенсацією цих високих показань. Така градуювання може бути проведена шляхом додавання води в рідину і визначення повної провідності датчика як функції змісту води.

висновки

Застосування датчиків вологості з оксиду алюмінію є актуальним при вимірюванні концентрації вологи в технологічних потоках з рідкими середовищами. Унікальна конструкція цього датчика дозволяє виконувати контроль безпосередньо за місцем і виключає дорогі помилки, пов'язані з відбором проб. Для органічних рідин, відповідають закону Генрі, знання величини насичення водою і тиску парів, виміряного за допомогою датчика з оксиду алюмінію, забезпечує можливість прямого розрахунку вмісту води. У разі рідин, для яких не можна застосувати закон Генрі, абсолютний вміст води найкраще визначати, використовуючи градуювання за експериментальними даними.