Диффузионно-мембранный анализатор молекулярной массы жидких сред тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Стрекалова, Мария Александровна

• Стрекалова, Мария Александровна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Стрекалова, Мария Александровна

ВВЕДЕНИЕ

1.ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ ЖИДКИХ СРЕД

1.1. Классификация современных методов контроля молекулярной массы жидких сред

1.2. Криоскопический метод

1.3. Эбуллиоскопический метод

1.4. Хроматографический метод

1.5. Метод равных парциальных давлений

1.6. Осмотический метод

1.7. Вискозиметрический метод

1.8. Ультрацентрифужный метод

1.9. Денситометрический метод

1.10 Диффузионный метод

1.11 Детекторный метод

1.12 Постановка задачи исследования

2. ТЕОРИЯ КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО СВОЙСТВА

ПАРОВ ЖИДКОЙ СРЕДЫ, ОСНОВАННОГО НА 48 ФУНКЦИОНАЛЬНОМ ДЕЛЕНИИ ПОТОКА

2.1. Контроль физико-химического свойства паров жидкой среды с использованием непрерывного режима работы анализатора

2.2. Контроль физико-химического свойства паров жидкой среды с использованием импульсного режима работы анализатора

2.3. Функциональные делители потока для анализаторов молекулярной массы жидких сред

2.4. Анализ возможных схем диффузионных мембранных анализаторов молекулярной массы

3.1. Математические модели статики диффузионно-мембранных анализаторов молекулярной массы жидких сред

3.4. Математические модели динамики диффузионно-мембранных анализаторов молекулярной массы жидких сред

3.5. Анализ погрешностей диффузионных анализаторов молекулярной массы жидких сред

3.6.Выбор схемы диффузионно-мембранного анализатора молекулярной массы жидких сред

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ДИФФУЗИОННО-МЕМБРАННЫХ АНАЛИЗАТОРОВ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ

ЖИДКИХ СРЕД

3.2. Математические модели сигналов диффузионно-мембранных анализаторов молекулярной массы жидких сред с двумя газовыми 80 автоматическими детекторами, работающих в импульсном режиме

3.3. Математические модели сигналов диффузионно-мембранных анализаторов молекулярной массы жидких сред с одним детектором в 83 импульсном режиме, работающих в импульсном режиме

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИФФУЗИОННО-МЕМБРАННОГО АНАЛИЗАТОРА МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ 105 ЖИДКИХ СРЕД

4.1. Концепция, принятая при экспериментальных исследованиях

4.2.Описание экспериментальной установки для исследования статики

4.3.Описание конструкции одномембранного функционального делителя потока

4.4.Результаты экспериментальных исследований математической модели статики диффузионно-мембранного анализатора молекулярной массы

4.5.Экспериментальная проверка математической модели динамики диффузионно-мембранного анализатора молекулярной массы

5. РАЗРАБОТКА ДИФФУЗИОННО-МЕМБРАННОГО АНАЛИЗАТОРА МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ ЖИДКИХ СРЕД

5.1. Описание принципиальной схемы анализатора

5.2. Описание конструкции анализатора

5.3. Описание работы анализатора

5.4. Экспериментальные исследования макета анализатора молекулярной массы жидких сред

5.5. Технические характеристики анализатора 152 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 154 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диффузионно-мембранный анализатор молекулярной массы жидких сред»

Актуальность проблемы. В настоящее время в нашей стране экономика претерпела радикальные изменения. Складываются новые экономические отношения, причем на первый план выдвигаются инновационные технологии, имеет место значительный рост фактора конкуренции в различных отраслях хозяйствования, что увеличивает значимость контроля качества продукции.

Контроль качества базируется как на автоматическом анализе состава и физико-химических свойств промежуточных и конечных продуктов, так и на лабораторных измерениях, которые реализуются в заводских и исследовательских лабораториях.

Интегральной характеристикой, определяющей свойства многих веществ и материалов, является молекулярная масса. Значение этого физико-химического свойства, как правило, определяется в процессе лабораторных исследований, связанных с разработкой новых технологических процессов в таких важных отраслях промышленности, как нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, химическая, нефте- и газодобывающая, пищевая и др., а также в лабораториях контроля качества продукции.

В настоящее время контроль молекулярной массы в лабораториях осуществляется, в основном, такими методами, как криоскопический и эбуллиоскопический. Для реализации контроля этими методами требуется значительное количество анализируемой среды и дорогостоящих чистых веществ, используемых в качестве эталонных, а также требуется значительное время для проведения анализа.

Относительно недавно был предложен хроматографический метод контроля молекулярной массы, который обеспечивает ее определение при малых количествах анализируемого и эталонного веществ. Однако для его реализации требуется значительное количество времени (20-30 минут).

Автором предложен диффузионный метод контроля молекулярной массы жидких сред, который обеспечивает экспрессное определение молекулярной массы (время анализа 2-3 минуты) и требует для анализа микроколичеств (0,1-0,5 мкл) эталонного и анализируемого веществ. Очевидные преимущества данного метода контроля молекулярной массы и определяют актуальность его подробного исследования.

Цель работы. Разработка метода контроля физико-химических свойств паров жидких сред, основанного на функциональном делении их потока и измерении объемов паров с помощью автоматических газовых детекторов, а также применение этого метода для совершенствования контроля молекулярной массы жидких сред.

Научная новизна работы. Обоснован теоретически и проверен экспериментально (на примере определения молекулярной массы) метод контроля физико-химических свойств паров жидких сред, основанный на функциональном делении их потока и измерении объемов паров до и после этого деления с помощью автоматических газовых детекторов.

Получены математические модели статики и динамики диффузионно-мембранных анализаторов молекулярной массы на основе уравнения стационарной кнудсеновской диффузии через пористую мембрану и математической модели сигнала термокондуктометрического детектора.

Создан новый диффузионно-мембранный анализатор молекулярной массы с одномембранным функциональным делителем потока и одним термокондуктометрическим детектором, реализующий последовательное во времени измерение концентрации паров жидкой пробы анализируемой среды в потоке газа-носителя до и после диффузии через пористую мембрану.

Разработаны экспериментальные установки, обеспечивающие возможность количественного исследования процесса диффузии газов и паров через пористую мембрану и проверку статической и динамической характеристик диффузионно-мембранного анализатора молекулярной массы с одномембранным функциональным делителем потока и одним термокондуктометрическим детектором.

Найденные схемные и конструктивные решения защищены тремя патентами на полезную модель.

Практическая значимость работы. Разработанный диффузионно-мембранный анализатор молекулярной массы позволяет осуществлять экспрессный контроль (за 2-3 минуты) молекулярной массы микроколичеств (0,1-0,5 мкл) жидких одно- и многокомпонентных сред.

Экспериментальная установка и методика исследования динамики диффузионно-мембранного анализатора молекулярной массы жидких сред может найти применение для оценки динамических характеристик хроматографических газовых детекторов и других малоинерционных преобразователей концентрации и физико-химических свойств паров жидких сред.

Установка для создания смесей жидких сред с известными концентрациями компонентов может использоваться для создания стандартных образцов жидких сред.

Работа выполнена в рамках проектов: «Разработка компьютерного хроматоиндентификатора для научно-технических и образовательных услуг» по научно-технической программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» 2001-2002 г.г. и «Разработка компьютерного эвапорографического анализатора фракционного состава многокомпонентных жидких сред» по научно-технической программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» 2003-2004 г.г.

Разработанный диффузионно-мембранный анализатор молекулярной массы жидких сред испытан в ЗАО «Научный инженерно-технический центр» (г. Тверь) и использован для анализа смесей жидких углеводородов.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Стрекалова, Мария Александровна

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснован теоретически и проверен экспериментально (на примере определения молекулярной массы) метод контроля физико-химических свойств паров жидких сред, основанный на функциональном делении их потока и измерении объемов паров до и после этого деления с помощью автоматических газовых детекторов.

2.Получены математические модели сигналов диффузионно-мембранных анализаторов молекулярной массы жидких сред с двумя детекторами и одно- или двухмембранными функциональными делителями потока, включающие в себя все конструктивные и режимные параметры и подтверждающие, что отношение площади или амплитуды сигнала ТКД, измеряющего объемную концентрацию паров анализируемой жидкой среды в потоке газа-носителя до его поступления в ФДП, к площади или амплитуде сигнала ТКД, измеряющего объемную концентрацию паров анализируемой жидкой среды в потоке газа-носителя на выходе из ФДП, позволяет получить измерительную информацию о молекулярной массе анализируемой среды.

3.Получены математические модели сигналов диффузионно-мембранных анализаторов молекулярной массы жидких сред с одним детектором и одно- или двухмембранными функциональными делителями потока, включающие в себя все конструктивные и режимные параметры и подтверждающие, что отношение площадей или амплитуд сигнала ТКД, измеряющего объемную концентрацию паров анализируемой жидкой среды в потоке газа-носителя до его поступления в ФДП и на выходе из него, позволяет получить измерительную информацию о молекулярной массе анализируемой среды.

4.Установлено, что инерционные свойства диффузионно-мембранных анализаторов молекулярной массы жидких сред с одно- и двухмембранными функциональными делителями потока могут быть, соответственно, идентифицированы инерционными звеньями второго и третьего порядка

5.В результате анализа математических моделей сигналов диффузионно-мембранных анализаторов молекулярной массы в статическом и динамических режимах и моделей погрешностей выявлено, что схема анализатора с одним термокондуктометрическим детектором и одномембранным функциональным делителем потока требует наименьших затрат на аппаратурную реализацию, обладает наименьшей инерционностью и способна обеспечить наименьшую погрешность измерений молекулярной массы.

6.Экспериментальными исследованиями установлена адекватность математической модели сигнала и динамической характеристики диффузионно-мембранного анализатора молекулярной массы жидких сред с одним термокондуктометрическим детектором и одномембранным функциональным делителем потока, и точность моделей достаточна для расчета и проектирования средств аналитической техники.

7.Создана экспериментальная установка и разработана методика исследования динамики диффузионно-мембранного анализатора молекулярной массы жидких сред, которые могут найти применение для оценки динамических характеристик хроматографических газовых детекторов и других малоинерционных преобразователей концентрации и физико-химических свойств паров жидких сред.

8.Создан новый полуавтоматический анализатор молекулярной массы жидких сред, использующий в работе диффузию паров анализируемой жидкой среды через пористые мембраны и последовательное во времени измерение концентрации паров анализируемой жидкой среды в потоке газа-носителя до диффузии и после нее, который обеспечивает измерение молекулярной массы микроколичеств (0,1-0,5 мкл) жидкой анализируемой среды за 2-3 минуты с относительной погрешностью ± 2%.

9.Разработана установка для создания смесей жидких сред с известными концентрациями компонентов, которая может использоваться для создания стандартных образцов жидких сред.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Стрекалова, Мария Александровна, 2008 год

1. Рыбак Б.М. Анализ нефти и нефтепродуктов — М: Гостоптехиздат, 1962.-888с.

2. Архипов М.И. Физико-химия полимеров. Учебно-методическое пособие. Иваново: ИХТИ, 1973. - 176с.

3. Филиппычев Г.Ф., Квасников Ю.П. и др. Методы исследования пленкообразующих веществ. Учебное пособие. — Ярославль: Ярославльский политехнический институт, 1976. — 88с.

4. Болдырев А.И. Физическая и коллоидная химия. М:Высшая школа, 1983.-410с.

5. Ревельский И.А., Бородулина Р.И., Совакова Т.М. Быстрый метод определения молекулярных масс жидких и газообразных соединений. -Журнал физической химии», 1967, №5, с. 1172-1174.

6. Золотов Ю.А., Кимстач В.А., Кузьмин Н.М., Нейман Е.Я., Попов А.А., Ревельский И.А. Концепция химико-аналитического контроля объектов окружающей среды // Российский химический журнал. 1993. Т. 37, №4. С. 20.

7. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. , Азим-заде А.Ю. Лабораторный анализатор молекулярной массы микроколичеств веществ. Заводская лаборатория, 1977, №3, с. 283-284.

8. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Качественный хроматографический анализ с использованием равночувствительного детектора и газового плотномера. — Журнал физической химии, 1971, №4, с. 114.

9. Березкин В.Г. Промышленные хроматографы в нефтепереработке и нефтехимии. М: ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1976, 86с.

10. Фарзане Н.Г., Илясов JI.B., Азим-заде А.Ю. Автоматизация аналитического контроля газов и жидкостей с помощью детекторов.- М.: НИИТЭХИМ, Вып.5, 1981.-76 с.

11. Фарзане Н.Г., Илясов J1.B. Равночувствительный диффузионный детектор для газовой хроматографии. Журнал физической химии, 1974, №8, с. 2024-2028.

12. Фарзане Н.Г., Илясов JI.B. Измерение молекулярной массы жидких веществ эвапорографическим методом. Журнал физической химии, 1977, №8, с. 2133.

13. Вигдергауз М.С., Семченко М.В. , Езрец В.А., Богославский Ю.И. Качественный газохроматографический анализ . -М.: Наука, 1978.-244 с.

14. Богославский Ю.Н., Анваер В.Н. , Вигдергауз М.С. Справочник по хроматографическим величинам удерживания.-М.: Стандарты, 1978 .- 191 с.

15. А.С. СССР №1402088 1986 /Способ качественного хроматографического анализа Илясов JI.B. и др.

16. Илясов JI.B. Эвапорографические и диффузионные методы автоматического анализа веществ.- М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1979.- 77 с.

17. Шумиловский Н.Н., Стаховский Р.И. Масс-спектральные методы.-М.: Энергия, 1966.- 160 с.

18. Борисова О.М., Сальников В.Д. Химические основы и физические методы анализа. М.: Металлургия, 1981. — 269с.

19. Отчет НИР «Разработка компьютерного хроматоидентификатора для научно-технических и образовательных услуг, 2001, № гос. регистрации 01.2.00108519

20. Отчет НИР «Разработка компьютерного хроматоидентификатора для научно-технических и образовательных услуг, 2002, № гос. регистрации 01.2.00108519

21. Отчет НИР «Разработка компьютерного эвапотографического анализатора фракционного состава жидких сред, 2003

22. Отчет НИР «Разработка и исследование методов и средств расширения информационных возможностей газохроматографических приборов и систем, 1987, № гос. регистрации 01840081079.

23. Илясов JI.B. Автоматический диффузионный анализ веществ.- М.:-НИИТЭХИМ, вып. 17, 1979.- 67 с.

24. Физико-химические применения газовой хроматографии.-М.:Химия, 1973.- 250 с.

25. Фарзане Н.Г., Илясов JI.B. Автоматические детекторы газов .М. :Энергия, 1972.- 168 с.

26. Фарзане Н.Г., Илясов JI.B., Азим-заде А.Ю. Автоматические детекторы газов и жидкостей. М.: Энергоатомиздат , 1983.- 96 с.

27. Новак Й. Количественный анализ методом газовой хроматографии.-М.:Мир, 1978 .-176 С.

28. Бражников В.В. Детекторы для хроматографии.-М.: Машиностроение, 1992.-320 с.

29. Методы спутники в газовой хроматографии. Пер. с англ./под ред. В.Г. БерезкинаМ.: Мир, 1972.-398с.

30. Илясов Л.В., Анкудинова О.В. Автоматизация качественного и количественного газохроматографического анализа. Сборник материалов научно-технической конференции выставки «Качество», Москва, декабрь 2001.

31. Патент РФ на полезную модель №45534, Бюл. №13, 2005/Анализатор молекулярной массы жидких сред. Комарова М.А., Илясов Л.В.

32. Математическая модель статики одномембранного диффузионного анализатора молекулярной массы/ Комарова М.А., Л.В. Илясов,; Тверской гос.техн.ун-т .- Тверь. 2005.Деп.ВИНИТИ 07.09.2005, № 1212-В2005

33. Патент РФ на полезную модель №45533, Бюл. №13, 2005/Анализатор молекулярной массы жидкостей. Комарова М.А., Илясов Л.В.

34. Математическая модель статики двухмембранного диффузионного анализатора молекулярной массы/ Комарова М.А., Л.В. Илясов,; Тверской гос.техн.ун-т .- Тверь. 2005.Деп.ВИНИТИ 07.09.2005, № 1213-В2005

35. Жуховицкий А.А., Туркельтауб Н.М. Газовая хроматография,-М.:Гостоптехзиздат, 1962.- 440 с.

36. Компьютерные технологии в управлении и диагностике: Сборник научных трудов /под ред. Дмитриева Г.А. Тверь:ТГТУ, 2004, 116с.

37. Столяров Б.В. и др. // Практическая газовая и жидкостная хроматография. СПб.: СПбГУ, 1998. С. 81.

38. Патент РФ на полезную модель №64782, Бюл. №19, 2007/Диффузионно-мембранный анализатор молекулярной массы жидких сред. Стрекалова М.А., Илясов Л.В.

39. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. А.А. Красовского.- М.: Наука, 1987.- 704 с.

40. Рейтенберг Я.Н. Автоматическое управление.- М.: Наука , 1992.- 332 с.

41. Микропроцессорные системы автоматического управления / Под ред. В.А. Бессекерского .- JL: Машиностроение ,1988.- 364 с.

42. Бэррер Р. Диффузия в твердых телах. -М.: Изд-во И.Л., 1948.-504 с.

43. Хванг С.Т. , Каммермейер К. Мембранные процессы разделения.-М.: Химия, 1981.- 464 с.

44. Рейтлингер С.А. Проницаемость полимерных материалов.- М.: Химия, 1974.-268 с.

45. Николаев Н.И, Диффузия в мембранах.- М.: Химия, 1980.-232 с.

46. Мулдер М. Введение в мембранную технологию.-М.: Мир,1999.- 320 с.

47. Корыта Н. Ионы, электроды, мембраны. — М.:Мир, 1988. 264 с.

48. Калмановский В.И. К вопросу об определении постоянной времени систем хроматографического детектирования/ ред. Сакодынский К.И. , -М.-.НИИТЭХИМ, 1976 , Вып. 1.

49. Мееров М.В., Дианов В.Г. Теория автоматического регулирования и авторегуляторы. М.: Гостоптехиздат, 1963. — 416с.

50. Ордынцев В.Н. Математическое описание объектов автоматизации. М.: Машиностроение, 1965. —360с.

51. Клюев А.С. Автоматическое регулирование. М.: Энергия, 1967. 343с.

52. Ротач В .Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами. М.: Энергоатомиздат, 1985 296с.

53. Коллеров Д.К. Газоанализаторы. Проблемы практической метрологии М.: Изд-во стандартов, 1980. 176 с.

54. Коллеров Д.К. Метрологические основы газоаналитических измерений М.: Изд-во стандартов, 1967. 393 с.

55. Березкин В.Г. Высокоэффективная капиллярная газовая хроматография.-М.: Знание, 1987.- 47 с.

56. ГОСТ 2670-87 Хроматографы аналитические газовые. Общие требования. Методы испытаний.

57. Справочник по теории автоматического управления/Под ред. А.А.Красовского.- М.: Наука, 1987.- 704 с.

58. Розинов Г.А. , Скружский С.В./ Термокондуктометрические преобразователи состава и свойств с постоянной температурой терморезистора. Обзорная информация.- М.: НИИТЭХИМ , ОКБА 1978.

59. Жуховицкий А.А., Туркельтауб Н.М. Газовая хроматография.-М.:Гостоптехзиздат, 1962.- 440 с.

60. Шай Г. Теоретические основы газовой хроматографии.- М.: ИЛ., 1963.-380 с.

61. Руководство по газовой хроматографии. Часть 2 /Под ред. ЭЛейбница, Х.Г.Штруппе.- М.: Мир, 1988.- 500 с.

62. Препаративная газовая хроматография / под ред. В.Г. Березина, К.И. Сакодынского. -М.: Мир, 1974. 408 с.

63. Харрис В., Хэбгуд Г. Газовая хроматография с программированием температуры. М.: Мир, 1978. - 179 с.

64. Столяров Б.В., Савинов И.М., Виттенберг А.Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. JL: Химия, 1978 - 288 с.

65. ГОСТ 5110598. Топливо для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированные бензины.

66. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. .-М.: Наука, 1972.- 720 с.

67. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей.- Л.:Химия , 1971.-702 с.

68. Барковский В.Ф., Тороденцева Т.Б., Топорова И.Б. Основы физико-химических методов анализа. М.: Высшая школа, 1983. 248 с.

69. Васильев В.П. Теоретические основы физико-химических методов анализа. М.: Высшая школа, 1979. - 184с.

70. Формен Дж., Стокуэл П. Автоматический химический анализ. М.: Мир, 1978.-396с.

71. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: Справ, изд./ под ред. Школьникова В.М.- М.:Химия, 1989, 432 с.

72. Липавский В.Н., Березин В.Г. Автоматические газовые потоковые хроматографы. М.: Химия, 1982. - 224 с.