Приборы физико-химического анализа

Высшее  профессиональное училище № 94

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

на  тему:

«Приборы  физико-химического анализа»

 

 

 

 

Учащейся группы 3 «Д»

Суховой Д.А.

 

 

 

 

 

Г. Лисичанск

2013 г

 

Содержание 

1. Введение.

 

2. Назначение и применение приборов физико-химического анализа.

 

3. Газоанализаторы. Общие сведения.

 

4. Газоанализаторы, основанные на методе измерения теплопроводности.

 

5. Магнитные газоанализаторы.

 

6. Солемеры и рН-метры.

 

7. Особенности эксплуатации и монтажа приборов физико-химического анализа.

 

8. Литература.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

 

Автоматизация производственных процессов является одним из решающих факторов повышения производительности общественного труда. Особенно возрастает роль автоматизации в настоящее время, когда на первый план выдвинуты вопросы интенсивного развития производства, повышения его эффективности. Одной из основных задач структурной перестройки общественного производства является развитие топливно-энергетического комплекса страны и, в частности, полное удовлетворение растущих потребностей в различных видах топлива и энергии. С повышением мощности установок по производству тепловой, и электрической энергии быстро увеличивается количество регулируемых параметров и операций технологического цикла на тепловых электрических станциях (ТЭС). Качественная работа всех агрегатов ТЭС не может быть обеспечена без контроля и автоматизации производства. Поэтому наряду с традиционными средствами контроля и автоматизации ТЭС все шире применяют управляющие вычислительные комплексы, основным элементом которых являются электронные вычислительные машины, микропроцессоры и микро-ЭВМ. Эффект внедрения автоматизированных и автоматических систем управления на производстве, в частности на тепловых электрических станциях, определяется не только техническими возможностями средств автоматизации, но и уровнем подготовки обслуживающего персонала, его квалификацией, умением ориентироваться в любых ситуациях, возникающих при ведении технологического режима.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НАЗНАЧЕНИЕ И  ПРИМИНЕНИЕ ПРИБОРОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО  АНАЛИЗА.

 

Физико-химический анализ — комплекс методов анализа физико-химических систем путем построения и геометрического анализа диаграмм состояния и диаграмм состав-свойство. Этот метод позволяет обнаружить существование соединений, существование которых невозможно подтвердить другими методами анализа. Первоначально исследования в области физико-химического анализа были сосредоточены на изучении зависимостей температур фазовых переходов от состава. Однако на рубеже XIX—XX веков Н.С. Курнаков,  показал, что любое физическое свойство системы является функцией состава, а для изучения фазового состояния можно использовать электропроводность, вязкость, поверхностное натяжение, теплоёмкость, коэффициент рефракции, упругость и другие физические свойства.

В основе теории физико-химического  анализа лежат сформулированные Н. С. Курнаковым принципы соответствия и непрерывности. Принцип непрерывности утверждает, что если в системе не образуются новые фазы или не исчезают существующие, то при непрерывном изменении параметров системы свойства отдельных фаз и свойства системы в целом изменяются непрерывно. Принцип соответствия утверждает, что каждому комплексу фаз соответствует определённый геометрический образ на диаграмме состав-свойство.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

 

Экономичность теплового процесса энергетической установки в значительной степени зависит от потерь тепла. Потери тепла складываются из химической неполноты сгорания топлива и уноса тепла с дымовыми газами.

Для поддержания процесса горения в топке необходимо  подавать в топку строго оптимальное количество воздуха, которое определяется коэффициентом избытка воздуха. Если подаваемого в топку воздуха не хватает, то не все топливо полностью сгорает, а  следовательно, не отдает все тепло, которое можно было бы от него получить. Если в топку подается слишком много воздуха, то топка переохлаждается и увеличиваются потери тепла с уходящими газами.

Контроль нормального  горения топлива в топке ведется с помощью анализа  дымовых газов. Из графика (рис. 59) видно, что коэффициенту избытка воздуха  соответствует определенное содержание углекислого газа и кислорода в дымовых газах. Таким образом, контроль качества процесса  горения можно вести по содержанию С02 и 02 в газах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приборы, с помощью которых  производится контроль и анализ газовых смесей, называются газоанализаторами. Номенклатура газоаналитических приборов очень разнообразна вследствие большого  многообразия состава анализируемых газовых  смесей и большого диапазона колебаний  концентрации отдельных компонентов этих  смесей.

В современных газоанализаторах  используются самые различные  физико-химические методы анализа, основанные на новейших достижениях различных отраслей науки и техники (оптики, электроники, электротехники и т. д.).

Автоматический газоанализатор правильно работает только в том случае, если обеспечивается целый ряд требований,  предъявляемых к подаче анализируемой газовой смеси.

1. В тех случаях, когда  анализ ведут с помощью нагревательных  элементов преобразователя, газ, подаваемый в анализатор, должен быть строго определенной температуры.

2. Газоанализатор рассчитан  на определенное давление и   зачастую не может выдерживать давления, под которым находится газ в технологическом процессе. Поэтому давление подаваемого в прибор газа должно быть снижено.

3. Анализируемая газовая  смесь может быть загрязнена  механическими примесями и иметь повышенную влажность. Поэтому перед подачей газовой смеси в преобразователь анализатора смесь газа должна быть очищена и осушена.

4. Расход газа, подаваемого  на анализ, должен быть строго  постоянен, иначе температура нагревательных элементов преобразователя будет меняться не в зависимости от содержания определяемого компонента в смеси газов, а от количества обдувающего  термоэлемент газа.

5. Во многих случаях  анализируемый газ находится  под  давлением меньшим, чем то, которое необходимо для подачи газа в  прибор. Например, дымовые газы, которые оттягиваются из топки благодаря разрежению в дымовом тракте. В этих случаях  необходим специальный аппарат, подающий газ в прибор.

По характеру исполнения газоанализаторы могут быть  нормального и специального исполнения.

Приборы нормального исполнения эксплуатируются в  помещениях с нормальными условиями среды. Эти помещения не являются взрывоопасными. Как правило, газоанализаторы устанавливают в изолированных, хорошо вентилируемых шкафах, помещениях и  кабинах. Однако в отдельных случаях, когда по условиям анализа или другим причинам газоанализаторы приходится устанавливать во взрывоопасных помещениях, применяют приборы во взрывобезопасном исполнении. Такие приборы подразделяются на три категории: взрывонепроницаемые, искробезопасные и взрывозащищенные.

Во взрывобезопасном исполнении обычно выпускаются только преобразователи и вспомогательные устройства. Электронные блоки и вторичные приборы имеют нормальное исполнение и  устанавливаются во взрывобезопасных помещениях.

Газоанализаторы могут быть стационарными и переносными.

В практике эксплуатации наиболее часто встречаются  газоанализаторы, построенные по методу теплопроводности и магнитной восприимчивости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА МЕТОДЕ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ.

 

Теплопроводность вещества характеризует его  способность  проводить тепло путем передачи энергии от молекул к молекуле. Теплопроводность газов тем больше, чем меньше диаметр молекул, чем больше скорость их движения. Поэтому наибольшей теплопроводностью обладают вещества с наименьшей  молекулярной массой (водород, гелий и др.).

Значения теплопроводности некоторых газов значительно  отличаются друг от друга.

Измеряемый газ омывает  камеру, в которую помещают  проводник. Проводник представляет собой металлическую нить или растянутую спираль, изготовленную из материала с большим температурным коэффициентом электрического сопротивления.

По проводнику проходит ток  и нагревает его. Условия  теплоотдачи  и, следовательно, температура проводника изменяются в зависимости от теплопроводности омывающего его газа. Изменение температуры проводника приводит к изменению его  электрического сопротивления.

Однако непосредственное измерение абсолютной теплопроводности газовой смеси является достаточно сложной задачей. В  газовом анализе используется другой метод - метод определения относительной теплопроводности. Для этого теплопроводность анализируемой газовой смеси сравнивается с теплопроводностью эталонного газа.

На рис. 60 представлена принципиальная  компенсационно - мостовая схема переменного тока, так называемая схема  автоматического компоратора. Она состоит из двух неуравновешенных мостов, один из которых — А является рабочим и второй — Б — сравнительным.

Рабочий мост состоит из двух камер с  нагревательными  элементами R1, через которые проходит  анализируемая газовая смесь. В два других плеча рабочего  моста включены элементы R2, заполненные газовой смесью, состав которой соответствует нижнему пределу измерения газоанализатора. Плечи сравнительного моста состоят из элементов,  заполненных газом,  соответствующих верхнему R3 и нижнему R2 пределам измерения прибора. Схема питается от двух вторичных обмоток трансформатора Тр. В диагональ сравнительного  моста включен реохорд.  Движок реохорда, часть сопротивления (I) и электронный усилитель включены в чувствительную диагональ рабочего моста. Нагрузкой  

 

электронного усилителя  является реверсивный  электродвигатель Д привода стрелки вторичного прибора.  Определенной концентрации газа соответствует определенное положение стрелки, при котором напряжение в измерительной диагонали рабочего моста уравновешивается напряжением, снимаемым с части реохорда движком. Напряжение на входе усилителя в этом случае равно нулю.

Если концентрация газа в  газовой смеси, проходящей через  камеры R1, изменится, то изменится напряжение в измерительной диагонали рабочего моста, а следовательно, появится сигнал на входе в электронный усилитель, управляющий сигнал с выхода электронного усилителя приведет в движение реверсивный электродвигатель Д. Стрелка показывающего прибора и движок реохорда начнут перемещаться. Реверсивный электродвигатель перемещает движок реохорда до тех пор, пока напряжение в диагонали  рабочего моста не уравновесится напряжением на участке l реохорда, т. е. до тех пор, пока не исчезнет сигнал на входе электронного усилителя.

Следовательно, с увеличением  напряжения в диагонали  рабочего моста Up должен увеличиться участок l.

Условие равновесия схемы  выражается отношением

= ,

где Uc — напряжение сети. Отсюда 

l = L .

Так как сопротивление  участка L и напряжение сети Uc  постоянны, сопротивление участка l (положение движка реохорда)  пропорционально Uр — напряжению в диагонали рабочего моста или концентрации измеряемого газа в газовой смеси.

Показания газоанализаторов, основанных на методе измерения теплопроводности и подключенных по схеме компоратора напряжения, практически не зависят от изменения напряжения питания и температуры окружающей среды, так как эти изменения одинаково влияют на оба моста схемы.

Чувствительные элементы, образующие плечи мостов  газоанализаторов теплопроводности, изготовляют из химически  стойких  материалов с высоким  температурным коэффициентом сопротивления. Чаще других для этих целей используют платиновую проволоку. Подачу анализируемого газа в измерительные камеры производят, в основном, за счет диффузии или конвекции. Эти методы подачи газа не зависят от скорости потока газа и не требуют  регулирования его расхода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МАГНИТНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ.

 

Анализируемые газы могут  быть разбиты по магнитной восприимчивости на две группы. Газы первой группы втягиваются в магнитное поле. Такие газы называются парамагнитными. О них говорят, что они имеют положительное значение удельной магнитной восприимчивости. Вторая группа  газов выталкивается из магнитного поля. Эти газы называются диамагнитными. Они обладают отрицательной удельной магнитной восприимчивостью.

В табл. 9 приведены значения магнитной восприимчивости некоторых газов. Из таблицы видно, что только два газа (кислород и окись азота) обладают положительной магнитной восприимчивостью. Смеси газов, в которых встречались бы сразу кислород и окись азота встречаются очень редко. Поэтому, например, величина положительной магнитной восприимчивости дымовых газов может изменяться только за счет изменения содержания кислорода в газовой смеси.

Следует отметить, что магнитные  свойства газов резко  изменяются с изменением их температуры.

В камере-преобразователе  газоанализатора молекулы газа,  приближаясь к нагретому телу (нагревательному элементу), частично теряют свои магнитные свойства и выталкиваются из магнитного поля более холодными газами. Так возникают конвекционные  потоки (термомагнитная конвекция или «магнитный ветер»),  вызывающие охлаждение нагревателя. С увеличением концентрации кислорода в газовой смеси усиливается термомагнитная конвекция и интенсивнее происходит охлаждение нагревательного элемента. Измерение температуры нагревательного элемента  вызывает изменение  электрического сопротивления  резисторов. Резисторы  электрических нагревателей  собирают в схему компоратора, сигнал которого выдается на показывающий прибор.

В состав промышленного газоанализатора  входит приемник, показывающий прибор, жидкостный  манометр, керамический фильтр, блок очистки, водоструйный насос, сливной сосуд и фильтр тонкой очистки.

Конструктивно  газоанализатор оформлен в виде  отдельных узлов,  монтируемых на щите.

Показывающий прибор изготовляется  на базе электронного  автоматического  моста и служит для считывания показаний. Шкала прибора градуируется на процентное содержание кислорода  по объему. С помощью жидкостного  манометра определяют величину разрежения в газовой системе газоанализатора.

Керамический фильтр с  газозаборной трубой служит для непосредственного отбора анализируемой среды. Его рекомендуется устанавливать на специальной шунтовой трубе, по которой отводится часть отходящих газов для анализа. Фильтр представляет собой керамическую трубку, через поры которой просачивается  газовая смесь.

На рис. 61 показана схема блока очистки. Через патрубок 1 газ по трубке 10 попадает в химический фильтр-камеру 8. Фильтр  служит для очистки газовой смеси от сернистого газа. В фильтре находится стальная стружка и некоторый объем воды, через который газ барботирует (просачивается мелкими пузырьками). В нижней части перегородки 7 имеются отверстия, через которые газ попадает в правую (по рисунку) часть камеры. Трубка 6 служит для слива конденсата, выпавшего из охлажденного газа. Она опущена в гидрозатвор, поэтому газ через нее выйти не может. По трубке 5 газ еще раз проходит холодильник и отводится через патрубок 2. В холодильник 4 подается охлаждающая вода через патрубок 3. Эта вода омывает прямую и обратную трубки 5 и 10, охлаждая газ. В верхней части холодильника 4 есть патрубок (на рисунке не  виден), через который вода отводится.

С помощью фланца 9 химический фильтр крепится к холодильнику. Отпустив болты фланца, можно легко  отсоединить химический фильтр.

Водоструйный насос служит для  создания разрежения в системе  и является побудителем расхода  газовой смеси. Его работа основана на принципе эжекции, благодаря которой создается расход  газа.

Сливной сосуд представляет собой чашку, в нижнюю часть которой  ввернута трубка, служащая для слива  конденсата. Сливной сосуд выполняет роль  гидрозатвора.

Фильтр тонкой очистки  служит индикатором исправности химического  фильтра. Основным элементом фильтра является белая фланель, через которую  просачивается газовая смесь. Фланель  помещена в цилиндрический плоский  корпус, имеющий два патрубка. По одному из них под фланель подается газовая смесь, по другому сверху фланели смесь отводится. Сверху фланели смонтировано прозрачное стекло, которое позволяет  судить о целостности фильтра.

Таким образом, в общем  виде  газовая схема газоанализатора  представляется следующей. Отбор газа для анализа осуществляется через  керамический фильтр, устанавливаемый  непосредственно в газоходе котла  или в шунтовой  трубе. После керамического фильтра газ поступает в блок очистки, в котором последовательно проходит через холодильник, фильтр для очистки газовой смеси от  сернистого газа, вторично через холодильник, а затем через фильтр тонкой  очистки. После фильтра тонкой очистки газовая смесь поступает в ячейки рабочей камеры приемника газоанализатора.

СОЛЕМЕРЫ И  рН – МЕТРЫ.

 

На теплоэнергетических  установках вода, подаваемая в котлы, подвергается специальной обработке  для удаления из нее избытка различных  солей.

При испарении воды на внутренних поверхностях котлов,  жаровых трубах и трубах пароперегревателя могут  образовываться  отложения. Эти отложения, обладая низкой теплопроводностью, приводят к тепловому перенапряжению нагревательных поверхностей котлов, что может привести к их пережогу. Пар, поступающий в турбину, может нести с собой соли, которые отлагаются на лопатках турбин. Это приводит к снижению мощности турбин и  снижению экономичности их работы. Возрастают осевые усилия, действующие на ротор турбины, что вызывает преждевременный износ упорных подшипников и осевой сдвиг ротора.

В процессе обработки воды, в цикле водоподготовки, а также  для контроля качества воды, участвующей  в технологическом  процессе теплоэнергетической  установки, применяются приборы, называемые солемерами.

Принцип работы солемеров  основан на зависимости величины электропроводности водного раствора соли от концентрации  раствора.

На рис. 62 показано изменение  удельной электропроводности электролитов в зависимости от солесодержания.

Из графика видно, что  удельная электропроводность раствора прямо пропорциональна его концентрации. Эта зависимость  используется в  солемерах. В одно из плеч моста электрической  схемы солемера включается измерительная  ячейка, представляющая два электрода, опущенных в подвергающийся контролю раствор.  Изменение сопротивления  раствора приводит к нарушению равновесия моста. Сигнал разбаланса моста подается на электронный  усилитель, на выходе которого подключен реверсивный  электродвигатель, связанный со стрелкой показывающего прибора и движком реохорда, компенсирующего ток разбаланса моста.

Удельная электропроводность растворов, а следовательно, и сопротивление измерительной ячейки в значительной степени зависят не только от концентрации раствора, но и от его температуры. С повышением температуры подвижность ионов, а следовательно, и электропроводность раствора возрастают.

При изменении температуры раствора на 10°С удельная  электропроводность его изменяется примерно на 25%, т. е. концентрация может быть определена с погрешностью в 25%.

Устранение влияния температуры  контролируемой среды  достигается  применением температурной компенсации  в электрической схеме солемера.

Для осуществления температурной  компенсации используется свойство равновесного моста — при равенстве  произведений  сопротивлений противолежащих плеч равновесие моста сохраняется. Поэтому в плечо моста, смежное  с плечом, в которое включена  измерительная ячейка, включается терморезистор. Сопротивление терморезистора изменяется в зависимости от температуры по закону, обратному закону изменения сопротивления измерительной ячейки преобразователя при изменении температуры. Такая схема позволяет сохранить равновесие моста, так как произведение  сопротивлений противоположных плеч с изменением температуры не меняется.

При изменении концентрации раствора, находящегося между электродами  ячейки, может происходить разложение (электролиз) раствора. Для устранения этого явления равновесный мост  питается переменным током.

Качество питательной  воды характеризуется не только солесо- держанием. Большое значение имеет кислотность или щелочность воды. Повышенная кислотность приводит к ускоренной коррозии трубопровода. В процессе докотловой обработки воды контроль щелочности и кислотности воды позволяет дозировать реагенты, способствующие очистке воды.

Для измерения кислотности  и щелочности растворов  применяются  специальные приборы, называемые рН-метрами.

Как известно, чистая вода диссоциирует на ионы водорода и ионы гидроксила. Ионы водорода имеют положительный заряд, а ионы гидроксила отрицательный. В целом молекула воды  электрически нейтральна.

H₂O H⁺ + OH^-

Концентрация грамм-ионов  водорода и гидроксила в целом  в чистой воде одинакова 

Н⁺  = ОН^-

Произведение этих двух величин как для чистой воды, так и для растворов является величиной постоянной

[Н⁺] [ОН^-] = const

Кислоты и щелочи в водных растворах также диссоциируют: кислоты на ионы водорода и анионы кислотного остатка, а щелочи — на катионы металла и ионы гидроксила. Например, НС1 Н + С1

NaOH Na⁺ + OH^-

Из приведенных уравнений  видно, что количество ионов  водорода с увеличением концентрации кислоты  в растворе повышается. Количество ионов гидроксила в растворе повышается с  увеличением концентрации щелочи.

Увеличение концентрации ионов гидроксила приводит к  уменьшению концентрации ионов водорода.

При растворении кислот, щелочей и солей в воде образуется большое количество положительных  и отрицательных ионов. В  результате электростатического взаимодействия ионов с  противоположными зарядами часть из них соединяется в  ионные пары,  поэтому в каждый момент некоторая часть ионов  не активна.

В разбавленных растворах  силы взаимодействия между ионами очень  малы, поэтому можно считать, что в таких растворах активность ионов водорода равна их концентрации. В качестве меры  активности ионов водорода принята величина рН. Для чистой воды при температура 22°С      рН = 7.

Кислотность растворов повышается по мере уменьшения  величины рН, а щелочность увеличивается по мере увеличения рН.

Изменение величины рН на одну единицу соответствует десятикратному изменению активности кислоты или щелочи. Например: раствор с рН = 3 в 10 раз активнее раствора с рН = 4.

Величина рН определяет активность ионов водорода в растворе, а не содержание кислоты или щелочи. Это подтверждается тем обстоятельством, что в химически нейтральной воде с увеличением температуры воды величина рН уменьшается, потому что в нагретой воде увеличивается число диссоциирующих молекул и возрастает концентрация ионов водорода.

Этим же объясняется значительное уменьшение рН щелочных растворов с увеличением температуры, хотя количество щелочи, растворенной в воде, остается неизменным.

Преобразователи рН-метров представляют собой специальные электроды, в которых создается электродвижущая сила,  пропорциональная активности ионов водорода в растворах. На рис. 63 изображена схема работы таких преобразователей.

Активным электродом рН-метра является стеклянный электрод 2, имеющий на конце припаянный полый шарик / из специального стекла. Внутренняя полость шарика заполнена раствором с постоянным и известным значением рП.

При погружении электрода  в испытуемый раствор между  поверхностью стекла и раствором происходит обмен  ионами, в  результате которого одновалентные ионы натрия или лития в поверхностных слоях стекла замещаются ионами водорода. Этот обмен идет до установления равновесия и приводит к возникновению  потенциала, величина которого определяется активной  концентрацией ионов водорода. Таким образом на внутренней и наружной поверхностях соприкосновения стеклянного шарика с растворами возникают потенциалы, величины которых зависят от  концентрации водородных ионов и температуры раствора.

Для создания электрической  цепи при измерении эдс внутрь стеклянного электрода вставлен вспомогательный контактный электрод 3, который служит для снятия потенциала с внутренней поверхности стеклянного шарика. Контактный  электрод выполняется из  серебряной проволоки. Внешний электрод (электрод сравнения) 4 осуществляет  электрический контакт с  контролируемым раствором. Потенциал электрода  сравнения всегда постоянен и не зависит от концентрации раствора.

Для уменьшения  погрешности за счет изменения температуры контролируемого раствора электрод  сравнения помещают вне контролируемого раствора и соединяют с ним с помощью электролитического ключа 5 — трубки, заполненной насыщенным раствором  хлористого калия и  заканчивающейся пористой  перегородкой 6. Раствор хлористого калия непрерывно протекает через пористую перегородку (10—30 мл/сут), предотвращая проникновение в систему вспомогательного электрода посторонних ионов, которые могли бы изменить величину эдс этого электрода, и создавая четкую  границу между контролируемым раствором и раствором хлористого калия.

Так как измерительный  ток на своем пути должен проходить  через стенки стеклянного преобразователя, его величина  чрезвычайно мала, а сопротивление измерительной  цепи в промышленной практике очень  высоко и достигает 1000 МОм.

Большая величина сопротивления  стеклянных электродов  требует  надежной изоляции самих электродов и соединительной  проводки, а  также конструирования усилителя  с большим входным сопротивлением.