Теоретические основы анализа состава бинарных и псевдобинарных смесей жидкостей и газов

 

Измерение концентрации определяемого компонента (см. гл. 9) в бинарных и псевдобинарных смесях жидкостей и газов — одна из наиболее распространенных задач автоматического контроля качества потоков химико-технологических процессов. Для ее решения используется все многообразие физических, физико-химических и химических методов анализа (см. табл. 9.1). В общем случае измерение концентрации определяемого компонента в бинарной смеси осуществляется путем измерения какого-либо физико-химического свойства этой смеси и выполнения вычислений, необходимых для решения следующей системы уравнений:

(11.1)

где U — сигнал анализатора, используемого для измерения физико-химического свойства смеси; — коэффициент преобразования анализатора по физико-химическому свойству; и — концентрации определяемого и неопределяемого компонентов; — символ функции.

Из второго уравнения системы (11.1) следует

(11.2)

С учетом (11.2) первое уравнение системы (11.1) преобразуем к виду

(11.3)

Из выражения (11.3) следует, что сигнал измерительного устройства являемся однозначной и в общем случае нелинейной функцией концентрации определенного компонента.

Во многих важных для практики автоматических измерений случаях с достаточной точностью считают, что физико-химические свойства анализируемой смеси аддитивны, т. е. могут быть определены как сумма произведений физико-химических свойств компонентов на их концентрации, выраженные в долях. Обычно используется аддитивность по объемным концентрациям. Если измеряемое физико-химическое свойство аддитивно для смеси, то можно записать

(11.4)

где П₀ и П_н — физико-химические свойства определяемого и неопределяемого компонентов, аналогичные свойству смеси.

С учетом (11.2) первое уравнение системы (11.4) преобразуем к виду

(11.5)

где — коэффициент преобразования анализатора по концентрации; — начальный уровень сигнала анализатора.

Измерение концентрации определяемого компонента возможно только при условии

,

т. е. в том случае, если имеется различие в значениях физико-химических свойств определяемого и неопределяемого компонентов. Чем больше это различие, тем точнее может быть измерена концентрация.

Рассмотренный метод анализа в соответствии с определением, приведенным в § 9.3, является интегральным.

Если для анализа выбрать такое физико-химическое свойство, которое для неопределяемого компонента равно нулю, а для определяемого компонента отлично от нуля, то метод анализа бинарной смеси будет избирательным (см. § 9.3). Для этого случая первое уравнение системы (11.4) имеет вид

(11.6)

где

Для измерения концентрации компонента в псевдобинарной смеси (см. § 9.1) осуществляется измерение некоторого физико-химического свойства, по которому многокомпонентная смесь может рассматриваться как бинарная.

Если измеряемое свойство n-компонентной смеси является аддитивным, то можно записать

(11.7)

где П_i — физико-химическое свойство i-го неопределяемого компонента; c_i — концентрация i-го неопределяемого компонента.

Многокомпонентную смесь можно рассматривать как псевдобинарную в следующих случаях.

Случай 1. Когда физико-химические свойства всех неопределяемых компонентов практически одинаковы и отличаются от одноименного физико-химического свойства определяемого компонента, т. е.

(11.8)

Если рассматривать все неопределяемые компоненты как один, концентрация которого

(11.9)

то, используя (11.8) и (11.9), можно свести систему уравнений (11.7) к системе уравнений (11.4), а ее решение — к выражению (11.5).

Случай 2. Когда неопределяемые компоненты составляют смесь постоянного состава, а изменение физико-химического свойства анализируемой смеси происходит за счет изменений соотношения концентраций определяемого компонента и смеси неопределяемых компонентов, т. е.

(11.10)

В этом случае смесь неопределяемых компонентов можно рассматривать как один неопределяемый компонент со значением физико-химического свойства и концентрацией . Это позволяет свести анализ такой многокомпонентной смеси к анализу бинарной и результат представить выражением (11.5).

Случай 3. Когда физико-химические свойства всех неопределяемых компонентов анализируемой смеси ничтожно малы по сравнению с физико-химическими свойствами определяемого компонента или вообще равны нулю, т. е. справедливо одно из двух условий:

(11.11)

(11.12)

Этот случай соответствует избирательному анализу, а первое уравнение системы (11.7) для него преобразуется в выражение (11.6).

Часто для анализа бинарных и псевдобинарных смесей используется дифференциальный метод измерения (см. гл. 1). При этом анализатор, являющийся в данном случае дифференциальным, содержит два идентичных канала, в один из которых подается анализируемое вещество, а в другой — вспомогательное, имеющее постоянное физико-химическое свойство. Первый из каналов называют измерительным, второй — сравнительным.

На выходе анализатора, реализующего дифференциальный метод измерений, формируется сигнал, равный разности сигналов, возникающих в измерительном и сравнительном каналах:

(11.13)

Указанные сигналы описываются выражениями:

(11.14)

(11.15)

где и - коэффициенты преобразования измерительного и сравнительного сигналов анализатора по физико-химическому свойству; - физико-химическое свойство вспомогательного вещества.

Если коэффициенты преобразования и одинаковы и равны , то из (11.13) — (11.15) находим

(11.16)

Для бинарной или псевдобинарной смеси, физико-химическое свойство которой аддитивно,

(11.17)

Из выражений (11.16) и (11.17) для сигнала дифференциального анализатора находим

(11.18)

где - начальный уровень сигнала дифференциального анализатора.

Если анализ осуществляется при условии, когда в качестве вспомогательного вещества используется неопределяемый компонент, выражение (11.18) преобразуется к виду

(11.19)

Для анализа состава бинарных и псевдобинарных смесей жидкостей и газов в соответствии с приведенными теоретическими представлениями могут быть использованы и используются практически все описанные в гл. 10 анализаторы физико-химических свойств. Кроме того, специально для измерения концентраций определяемого компонента в бинарных, псевдобинарных и многокомпонентных смесях разработано большое число принципов измерений. Описание наиболее важных из них приведено далее. В §11.2-11.10 рассматриваются анализаторы, основанные на физическом, а в § 11.11-11.16 — на физико-химическом методах анализа. Анализаторы, основанные на химическом методе анализа (см. табл. 9.1), в настоящее время практически не используются для автоматического контроля в химико-технологических процессах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

 

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться: