В 30-х годах нашего столетия в результате развития промышленности, особенно химической, началась интенсивная разработка непрерывно и полунепрерывно действующих промышленных анализаторов, основанных на известных физических, физико-химических и химических методах анализа. Часто осуществление производственных процессов становилось возможным благодаря быстрым и точным методам непрерывного анализа. Начиная с 60-х годов развитие приборостроения стимулировалось необходимостью измерения микроконцентраций в связи с проблемой загрязнения окружающей среды. Наиболее массовыми потребителями непрерывно действующих промышленных анализаторов газообразных, жидких и твердых веществ являются горная, металлургическая, энергопроизводящая, нефтеперерабатывающая, химическая и пищевая промышленность, процессы водоподготовки, контроль качества воды, биологических процессов, загрязнения окружающей среды и состава выхлопных газов автомобилей. Анализаторы используют прежде всего для контроля показателей экономически важных с целью постоянного повышения качества продукции, для контроля за ходом производственных процессов в диапазонах как макро-, так и микроконцентраций. Эти приборы применяют также для определения предельно допустимых концентраций вредных и взрывчатых веществ для обеспечения безопасности при их обнаружении и выделении.
Важнейшей целью применения анализаторов является улучшение производственных процессов. Возрастающие требования к качеству исходных материалов и готовой продукции, рациональному использованию сырья, возможно более полному использованию производственных агрегатов, совершенствование и разработка новых производственных процессов и связанные с этим задачи контроля и управления и, наконец, охрана окружающей среды способствуют дальнейшему совершенствованию конструкций и развитию аналитических приборов.
В настоящей главе описаны в основном непрерывно действующие промышленные анализаторы, разработка и испытания которых завершены. Периодически действующие и лабораторные анализаторы в данном справочнике не рассматриваются.
Непременным условием любого технического измерения концентраций или определения состава является представительность пробы. Для этого необходим правильный ее отбор и соответствующая подготовка. Точность аналитической информации определяется точностью всех элементов измерительного устройства и в первую очередь точностью отбора и подготовки пробы.
Глз высокого давления
То же, с высокой температурой
Газ, содержащий жидкость
Газ, содержащий твердое вещество
Жидкость или многофазная проба
Пробы для определения микроконцентраций
Пробы твердых веществ
Периодически с помощью поршневого насоса с принудительным управлением клапанами
Непрерывно с помощью трубки; при необходимости добиваться гомогенности с помощью вспомогательного газа
Непрерывный отбор с помощью трубки
Необходима система разделения фаз: охлаждение, разделение, фильтрация, осушка; разделение в температурных градиентах и/или в электрических полях
Если анализируют твердое вещество, то необходим изокинетический отбор пробы; если газовая фаза — охлаждение, фильтрация, осушка
Периодический (предпочтительно автоматический) отбор пробы. Разделение фаз выдержкой во времени и отстаиванием пробы. Фильтрация и ударная обратная продувка фильтра. Или: сифонообразная заборная система с широкими трубами без сужения Предпочтителен периодический отбор пробы с обогащением, так как лишь таким образом можно повысить концентрации измеряемых веществ выше порога чувствительности прибора
Автоматизация отбора проб возможна только в исключительных случаях; предпочтителен ручной отбор *
Важно длительное поддержание герметичности, исключение диспропорций (непредставитель ности) Иногда неизбежно изменение состава смеси газов, так как растворимость сжатых газов может быть неожиданно высокой и специфичной Непредставительность пробы следует преодолеть с помощью вспомогательного газа
Если интересует состав жидкости, то следует отбирать пробу с обогащением (см. рис. 1—1)
Определяющим является место отбора пробы; метод разделения зависит от распределения размеров частиц
Необходим постоянный самоконтроль системы при помощи обегающего контроля. Желателен контроль правильности отобранной пробы
Решающее значение имеет вид измеряемого вещества (веществ).
Необходимы большие затраты на стабилизацию расхода и всех величин, влияющих на концентрацию, таких как температура, давление и др. Почти всегда проба неоднородна
Основные определения, понятия и критическая оценка процессов отбора и подготовки проб приведены в работе [1 ]. Там же рассмотрена взаимосвязь количества пробы и количества вещества, даны сведения о классических устройствах для отбора проб твердых веществ, правила пользования ими и номограммы. Обзор технических средств для отбора и подготовки проб твердых веществ приведен в работе [2].
Бикинг [3], рассматривая вопросы достижения оптимальной точности при минимальных затратах, указывает, что эта проблема нашла отражение в 60 % всех стандартных методик и спецификаций ASTM. Теория отбора проб обсуждается также в работе [41. Применение статистических методов применительно к проблеме отбора проб для иммиссионных анализов рассмотрено в [5]. Применимооть математических методов для исключения систематических погрешностей рассмотрена в работах [6—8).
Для проведения автоматического анализа полностью автоматический отбор и подготовка пробы возможны лишь при использовании принципов самонастройки; при этом периодические методы значительно лучше поддаются управлению, чем непрерывные [9]. В работе [10] рассмотрены методы обнаружения систематических ошибок отбора проб.
Обстоятельное изложение всех проблем отбора проб возможно лишь в специальной монографии.
Обобщенные критерии выбора опособа отбора проб приведены в табл. 1—1.
Отбор пробы при квазипостоянных концентрациях не вызывает затруднений и здесь не рассматривается. При изменяющихся концентрациях необходимо учитывать динамические характеристики
технологической линии. Исследования Хемми и Профоса ламинарного потока в пробоотборнике [11] показали, что по оравнению о конвекцией продольной диффузией практически можно пренебречь как для газов, так и для жидкостей. Тогда передаточную функцию линии отбора можно описать одним параметром — временем чистого запаздывания. При скачкообразном изменении концентрации на входе в пробоот
ТАБЛИЦА 1 — 2
УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИ ЧИСТОГО ЗАПАЗДЫВАНИЯ
Газы
Кон-станта диффузии, см/с
Радиус трубки,
мм, не более
Гелий—воздух
0,765
9,75
Метан—воздух
0,23
5,54
СО,—воздух
0,177
4,7
С,Н4—воздух
0,163
4,5
борное устройство временное изменение концентрации на выходе (на входе измерительной системы) является функцией лишь радиуса трубки. При анализе газообразного вещества не всегда следует пренебрегать поперечной диффузией. В этом случае передаточная функция описывается двумя параметрами [11].
В табл. 1—2 приведены предельные размеры трубок, при которых пробоотборное устройство можно рассматривать как элемент с чистым запаздыванием [11]. Принято, что чистое время заполнения не превышает 10 с.
Ниже приведены предельные длины трубопровода, при которых устройотво для отбора проб жидкости можно рассматривать как звено с чистым запаздыванием (число Шмидта принято равным Ю-3) [111:
Детальный анализ и пределы достоверности, переходные функции и частотные характеристики подробно описаны в работе [12].