автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Фотоколориметрический ленточный газоанализатор этилового спирта в воздухе и газовых выбросах

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ПРОБЛЕМА АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ЭТИЛОВОГО

СПИРТА В ВОЗДУХЕ

1.1. Методы контроля этилового спирта

1.2. Фотоколориметрические ленточные газоанализаторы

1.3. Автоматический метод измерения паров этилового спирта

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОТОКОЛОШМЕГРИ

ЧЕ5СКОГО ЛЕНТОЧНОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА

2.1. Математическая модель каталитического преобразователя

2.2. Математическая модель первичного преобразователя

2.3. Математическая модель фотоэлектрического преобразователя

2.4. Математическая модель и статическая характеристика газоанализатора с заданным временем цикла

2.5. Чувствительность газоанализатора

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОРА

3.1. Источники погрешностей

3.2. Температурные погрешности

3.3. Погрешности, вызванные изменением расхода анализируемой смеси

3.4. Погрешности, обусловленные изменением времени цикла

3.5. Погрешности, вызванные изменением реактивного вещества в чувствительном элементе

3.6. Погрешности, возникающие при изменении напряжения питания

3.7. Погрешности, обусловленные изменением плотности заполнения катализатором каталитического преобразователя

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ ФОТОКОЛОЙМЕТРИЧЕСКОГО

ГАЗОАНАЛИЗАТОРА

4.1. Постановка задачи синтеза

4.2. Линеаризация статической характеристики газоанализатора

4.3. Определение оптимальных режимных параметров прибора

4.4. Оптимизация технологических параметров

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1. Экспериментальные исследования и проверка адекватности модели каталитического преобразователя

5.2. Проверка адекватности динамической и статической характеристик газоанализатора

5.3. Исследование основной приведенной погрешности и воспроизводимости показаний прибора

5.4. Исследование дополнительных погрешностей газоанализатора

5.5. Результаты промышленных испытаний

В решениях ХХУ и ХХУ1 съездов КПСС намечен курс на дальнейшее повышение технического уровня и культуры производства, повышения производительности труда на основе дальнейшего развития комплексной механизации и автоматизации технологических процессов. Для успешного решения поставленной задачи необходимы эффективные средства контроля технологических параметров.

В некоторых процессах химической технологии контролируемым параметром является концентрация этилового спирта, используемого в качестве основного сырья и растворителя в органическом синтезе, производстве стеклопластиков. Во многих случаях он частично или полностью переходит в газообразное состояние и удаляется с газовыми выбросами в атмосферу.

При изготовлении стеклопластиковых материалов этиловый спирт является составной частью связующего раствора, которым пропитываются стеклонити. Качество готовой продукции определяется не только соблюдением температурного режима, но и количеством испаряющегося в процессе сушки этилового спирта /I, 2/. Поэтому задача разработки автоматического контроля содержания этилового спирта в отходящих газах производства стеклопластиков относится к наиболее актуальной.

Сложность решения поставленной задачи заключается в том, что газовые выбросы, образующиеся при получении стеклопластиков, как правило, представляют собой многокомпонентные органические смеси, количественное содержание составляющих в которых может изменяться в довольно широком диапазоне.

Известны методы автоматического определения концентрации этилового спирта в газах и воздухе, основанные на ИК-спектро-скопии,каталитическом окислении (сжигании), газовой абсорбции, спектрофотометрии, масс-спектрометрии и газовой хроматографии. Каждый из этих методов обладает определенными достоинствами и недостатками, однако широкого промышленного применения ни один из них не подучил. В одних случаях это объясняется недостаточной избирательностью метода, в других - высокой стоимостью и сложностью обслуживания прибора.

За последнее десятилетие широкое распространение получили фотоколориметрические ленточные газоанализаторы, в которых изменяется светопоглощение бумажной, текстильной или полимерной ленты, предварительно пропитанной или смоченной раствором, вступающим в реакцию с определяемым компонентом при прохождении через нее анализируемой газовой смеси. Такие газоанализаторы обладают высокой чувствительностью, избирательностью, отличаются простотой конструкции и высокой надежностью. Разработаны и успешно применяются в промышленности приборы для измерения микроконцентраций таких токсичных веществ как сероводород, хлор, фосген, аммиак, окислы азота и др.

До постановки настоящей работы фотоколориметрические ленточные газоанализаторы паров этилового спирта в литературе не описаны. Создание такого газоанализатора, способного измерять этиловый спирт в сложной многокомпонентной смеси во внутришахт-ном пространстве машин по производству стеклопластиковых материалов, исследование его характеристик, оптимальный выбор параметров с целью повышения чувствительности и уменьшения погрешности измерения является актуальной задачей, представлявшей как теоретический, так и практический интерес.

Цель настоящей работы - разработка, теоретическое и экспериментальное исследование автоматического метода измерения концентрации этилового спирта в воздухе и газовых выбросах фотоколориметрическим ленточным газоанализатором.

Чувствительность и избирательность такого газоанализатора определяется свойствами первичного преобразователя. Цветная химическая реакция, происходящая на ленте, должна быть специфичной для определяемого компонента, иметь достаточно высокую скорость, сопровождаться изменением окраски в широком спектральном диапазоне.

Известные реакции, происходящие непосредственно между этиловым спиртом и реактивным веществом /З-б/, не удовлетворяют перечисленным требованиям. Поэтому при выполнении поставленной задачи впервые был предложен метод, основанный на каталитическом преобразовании этилового спирта в формальдегид, вступающим в цветную химическую реакцию с индикаторным веществом на основе фуксинсернистой кислоты, предварительно нанесенным на ленту/63/.

Для получения математической модели газоанализатора процесс измерения представлен состоящим из отдельных преобразующих звеньев. Проведено экспериментальное исследование каталитического преобразователя; теоретическое исследование хемосорбцион-ных процессов, происходящих при измерении в первичном преобразователе; рассмотрен процесс превращения интенсивности окрашенных комплексов в выходное напряжение фотоэлектрического преобразователя. По результатам исследований получены модели преобразующих звеньев и на их основе модель газоанализатора, проанализирован вид статической характеристики, способы ее линеаризации, исследована чувствительность прибора.

Исследованы факторы, вызывающие дополнительные погрешности измерения, разработан алгоритм и программа оптимизации параметров прибора с целью минимизации дополнительных приведенных погрешностей, определено оптимальное соотношение ингредиентов индикаторного раствора, позволяющее повысить чувствительность и стабильность первичного преобразователя, разработана методика его приготовления.

Наиболее существенными научными результатами, содержащимися в диссертационной работе, являются:

1. Разработан автоматический метод измерения концентрации паров этилового спирта фотоколориметрическим ленточным газоанализатором с использованием промежуточного преобразования измеряемого продукта в формальдегид при помощи каталитического преобразователя.

2. Разработан чувствительный элемент газоанализатора, представляющий собой сухую тканевую ленту, предварительно обработанную реактивным веществом на основе фуксинсернистой кислоты.

3. На основе моделей промежуточного, первичного и фотоэлектрического преобразователей получена математическая модель газоанализатора.

4. Предложен алгоритм определения оптимальных режимных параметров с целью минимизации дополнительных погрешностей прибора.

Новизна предложенного метода измерения подтверждена авторским свидетельством. По результатам исследований разработан фотоколориметрический ленточный газоанализатор этилового спирта в воздухе и газовых выбросах, который прошел успешное испытание в. промышленных условиях на Северодонецком производственном объединении "Стеклопластик". Испытания показали высокие эксплуатационные и метрологические характеристики прибора.

Диссертация состоит из 5 глав. В 1-й главе изложены литературные сведения о состоянии проблемы, во 2-й - получена математическая модель прибора, в 3-й - исследованы дополнительные погрешности, в 4-й - получены оптимальные параметры, в 5-й - описаны экспериментальные исследования и промышленные испытания прибора.

Материалы диссертации оцублинованы в работах /65,81,82/, защищены авторским свидетельством /61/ и доложены на конференциях /59,86,87/.

8. В ы в о д ы . Система соответствует разделу 4 программы промышленных испытаний.

1. Любутин О.С. Автоматизация производства стеклопластиков. М.: Химия, 1969 - 256 с.

2. Lins Q., BLazek Y. FarbanaLytlsche Ausuxertung and Зезйттилд cLes {arbortes der tragerfLussLgkelt KaUum-dicliromatsdicvefelsdure en Abhangigkeit zur Aikohoikonzen-iraUon.-BLutaLkohoL, 1978, vJ5, A/2, s.i25-f56.

3. Губанова В.A., Степанянц A., Постельный А.Н.,Грушевенко В.И. Определение содержания спиртов и альдегидов в отходящих газах производства СШ .^ - В н.-т.сб.: Нефтепереработка и нефтехимия, I97I, № 2, с.40-41.

4. Перегуд Е.А. Химический анализ воздуха. Л.: Химия, 1976 -328 с.

5. Селина И.А. Колориметрическое определение паров спирта в воздухе. - Гигиена и санитария, 1962, № 5, с.41-43.

6. Пинигина И.А. О колориметрическом определении паров спирта в воздухе. - Гигиена и санитария, 1966, Jf» I, с.51-52.

7. Киссин Б.И., Куликова В.А., Хилова Т.И. Анализ органических соединений, содержащих оксигруппу. - В кн.: б-я Всесоюзная конференция по аналитической химии органических соединений, Москва, 1980, Тезисы докладов. М., 1979, 220 с.

8. Р^денко Б,А. Газовая хроматография в анализе загрязнений воздушной среды. - В кн.: б-я Всесоюзная конференция по аналитической химии органических соединений, Москва, 1980. Тезисы докладов. М, 1979, 178 с.

9. Во иг din М., BadreR., Dumas Preieu-ement surplege et anaUse chromatographLque des poLiuants ogra/iCgues 1.egers de L'atmosphere. — AnaLuscs, 1975, v-5,Ni,s.5^-38.

10. Сотников E.E,, Газиев Г.A. Применение газовой хроматографии для анализа основных компонентов газовой среды ограниченного объема. - Ж.аналит.химии, 1975, т.30, W I, с.48-52.

11. Арутюнов Ю.И,, Зиброва Л.П., Карлов Е.Ф., Карбанов Е.М., Кравченко B.C., Корляков Г.А. Низкотемпературный детектор для газовой хроматографии Г-29. - Заводская лаборатория, 1972, № 2, C.I60-I6I.

12. Subba Rao В. v. Construction of gas-Liguld chromatograph units for the anatysis of gas and tiguid sampiis.-Chem.Age India, 1979, v.50, ы8, s. 741-7^5.

13. Кондакова Л.В. Определение органических веществ в газовых выбросах производства аскорбиновой и лилоевой кислот. - В сб.: Промышленная и санитарная очистка газов. 1976, 1^ 2, с.32.

14. Majkic-Singh А/., Berkes 1 Spectrophotometric determination of et Hanoi by and enzymatic method unth 2,2'-azLnodi. -Anai. c/iim.ada, 1980, v. 115, s. 401-405.

15. Гречухина 3.H., Несмелов В.В. Спектрофотометрический метод анализа первичных и вторичных спиртов в их смесях. - Ж.прикладной химии, 1966, т.39, fo I I , с.2574-2576.

16. Magietko Н. Spektrometria та sou/a дагош i par pod cLs- nieniem cUmosferycznym. -Pr. Osr. bad.-fozuztechn. teiiuTiz., 1978, f\/2, s.16-28.

17. Кодаяси. Ко2ё кагаку дзасси. - IChem. Sac. J-apan, 1955, V.56, N7, S. 526-527

18. Pat. 545565^ /USAI. Detection of aicohois in gas atmospheres IP. W. Connaugheyl. -PubL. 15.07.69.

19. С о Lemon Е.Н. The performance of some portaUe expLo- Sime ters. -Brett, chem. Engng., mO, к ^ ^7, s. 500-502.

20. WacfyterG.,WLemann H.D. Der TGS-Gas-detekton Etgen- schafien and mogUcfyes Anu/endang bee der Lc/ftreCnhal-tung. - Wasser, Luft uлd Betr.^ 1975, v. 19, NU, S. 166-170.

21. A.C. I5I3I2 (ЧССР). Способ измерения содержания паров этанола в вьщыхаемом воздухе и устройство для осуществления этого способа (Ю.Шладечек, Снопек, К.Кадлес). - Опубл.15.12.73.

22. Пат.53-25278 (Япония). Газочувствительный элемент (Якэно Кэйдзи, ЯэгасиЮки). - Опубл.26.07.78.

23. Пат. 54-8120 (Япония). Метод приготовления газочувствительного элемента (Тагути Хсаёси). - Опубл. 12,04.79.

24. Кулис Ю.Ю., Малинаускас А.А. "ЧЕ/вствительное определение этанола и никотинамидадениндинуклеотида с помощью ферментного топливного элемента. - Ж.аналит.химии, 1979, т.34, № 4, с.478-482^

25. Перегуд Е.А. Санитарно-химический контроль воздушной среды. Справочник. Л.: Химия, 1978 - 332 с.

26. А.С. 579569 (СССР). Газосигнализатор (С.М.Белкин, В.В.Ветров, И.А.Мясников, В.И.Цивенко). - Опубл.в Б.И., 1977, ^MI.

27. Aiobaldt ТА., HUL D.W. А heilam-neon Laser infrared ала- iyser for aicohoL ua pour in the breath.-g^.Phys.E: Set. Instrum., 1975, у.8,ы1, s.50-52.

28. Pat. 4156U5lUSAl. Deircce for measuring the concentration of a gas /A. Wernerf -Pubt. 22.05. 79.

29. Тхоржевский В.П. Автоматический анализ газов и жидкостей на химических предприятиях. М.: Химия, 1976 - 272 с.

30. Агранов Х.И., Рейман Л.В. Ленточные фотоколориметрические газоанализаторы. - В кн.: Методы определения газообразных загрязнений в атмосфере. М.: Наука, 1976, с.117-143.

31. Проспект фирмы "Юниверсал Эивайронментал Инструменте". Детекторы токсичных газов серии "7000".

32. Газоанализатор на следы НгЗ типа Моноколор MG IOOI фирмы "Майхак". Фирменное описание. Л., 1958.

33. Павленко В.А. Газоанализаторы. М.-Л.: Машиностроение, 1965 - 184 с.

34. Иовенко Э.Н. Автоматические анализаторы и сигнализаторы токсичных и взрывоопасных веществ в воздухе. М.: Химия, 1972 -188 с.

35. Альбицкий Н.М., Сьфоватский И.И. Автоматический газосигнализатор типа ФК-0066. - В кн.: Средства контроля и автоматики. Л.: Химия, 1970, с.63-103.

36. Симкина Л. Фотоколориметрический газоанализатор на сероводород типа ФКГ. - В кн.: Автоматические газоанализаторы. М.: ЦИНГИ, I96I, C.4I.

37. Автоматические и полуавтоматические газоанализаторы. Сводный каталог - справочник. Вып.З. М., 1967 - 59 с.

38. Назаренко А.А. Унифицированная система фотоколориметрических приборов. - В сб.: По материалам научно-технической конференции. Сентябрь, 1967 г. М.: ОКБА, 1970, с.12-14.

39. Агранов Х.И., Парфенов В.Н., Рейман Л.В., Суворов А.А. Универсальнь.й ленточный фотометр для анализа газов. - Безопасность труда в промышленности, 1970, F» 12, с.48.

40. Агранов Х.И., Парфенов В.Н., Рейман Л.В. Применение автоматического ленточного фотометра §Л5501М для определения микроконцентраций токсичных газов. - Приборы и системы управления* 1977, № 9, с.40-41.

41. Агранов Х.И., Рейман Л.В. Автоматический газоанализатор для определения микроконцентраций фреона. - Холодильная техника, 1965, № 2. с.20-23.

42. ГОСТ 13320-81. Газоанализаторы промышленные автоматические. Общие технические :условия. М.: Издательство Стандартов, I98I.

43. Фотоколориметрические ленточные газоаналитические датчики §Л210б, ФЛ6803, §Л4504, Ш16б02, ШЛ6201. Проспект АН СССР. М.: Наука, 1972.

44. Генкин Ф.Д., Рабинович М.Б,, Рейман Л.В, Определение микроконцентраций галогеносодержапшх углеводородов газоанализатором в воздухе. - Холодильная техника, 1968, № 9, с.38-40.

45. А.С. 256333 (СССР). Способ измерения концентрации газов, паров и жидкостей (Агранов Х.И., Парфенов В.Н., Рейман Л.В.),-Опубл. в Б.И., 1969, № 34.

46. А.С. 333416 (СССР). Фотоколориметрический ленточный анализатор (Агранов Х.И., Парфенов В.Н., Рейман Л.В.). - Опубл. в Б.И., 1972, № II.

47. А.С. 491087 (СССР). Способ фотометрического анализа газов (Арямкин Н.А., Воронцов Н.А.). - Опубл. в Б.И,, 1975, № 41.

48. Лебедев О.В., Марченко В.М., Мосенкинс П.М. Разработка высокостабильного фотоэлектрического газосигнализатора. - В сб.: Автоматизация анализа состава вещества. К.: Техника, 1970, с.27-29.

49. Pat. 2217285/BRDLLTerfa/iren und GeratzumNadiurecs Bines In elnem Gas enthaiten Stoffes jMaihak H.^Retzov/ K., Biunck 0.1. - PubL. 15.01.77.

50. MoMOT И.Н., Тиховод А.Ф., Маслов Н.И. Одноканальный фотоэлектрический преобразователь. - В кн.: Оптические и электрооптические методы и приборы анализа состава вещества. К.: ВНИИАП, 1977, с.92-96.

51. Wankou/Lcr К. Konstrukcja, teoria I u/iasnosci ротсагоше anaUzatorour fotokoLorymetr-yczni/ch. -PomLary, automat., kontrota, 1966, V.12, N8, 5.418-420.

52. Тиховод А.Ф., Момот И.Н., Василенко B.C., Девятко Г.A. К вопросу о повьшении чувствительности ленточных фотоколориметров. - В сб.: Методы и приборы газоаналитического контроля в замкнутых экологических системах. К.: ВНИИАП, 1978, с.83-85.

53. Pai. 5591259 /USA/. PadCatcon attenuator /or caUbratcon / W. Schaefer, H. Wenzet, K. MoLdenhauer/ -Pu6t. 6.0.7. 7f.

54. A.С 664091 (СССР). Способы проверки фотоколориметрических газоанализаторов (Либерман В.В., Стенцель И.И., Савельев В.А.). Опубл.в Б.И., 1979, Ъ 19.

55. Мосенкинс Л.М., Франко Р.Т. Достоверность результатов контроля состава газов ленточным фотоколориметром. - В кн.: Обеспечение точности и надежности аналитических приборов. К.: ВНШАП, 1977, с.24-30.

56. А.С. 892279 (СССР). Способ определения паров этилового спирта в воздухе (Стенцель И.И., Сагайдачный А.П., Шргородский Н.И., Филиппенко Н.П.). - Опубл.в Б.И., I98I, № 47.

57. Газоанализаторы ШЛС1.1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 5И1.550.010 ТО. Тула, 1978.

58. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1976 - 463 с. ^ ."^ "^

59. Батзшер Л.М., Позин М.Е. Математические методы в химической технике. Л.: Химия, I97I - 824 с,

60. Стенцель И.И., Филиппенко Н.П. Математические модели фотоколориметрических преобразователей спектрального отражения при объемном массообмене. - Инженерно-физический ж., I98I, т.40, Ъ 2, с.367.

61. Романков П.Г., Рашковская Н.Б., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии. Л.: Химия, 1975 - 333 с.

62. Таганов И.Н. Моделирование процессов массо- и энергопереноса. Л.: Химия, 1979 - 94 с.

63. Лыков А.В, Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967 - 559 с.

64. Хемминг Р.В. Численные методы для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1968 - 400 с.

65. Карандеев К.Б. Специальные методы электрических измерений. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963 - 344 с.

66. Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике.(фотометрия). М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962 - 464 с.

67. Гершун А.А. Избранные труды по светотехнике. М.: Госкомиздат, 1957 - 392 с.

68. Корндорф Ф. Фотоэлектрические измерительные устройства в машиностроении. М.: Машиностроение, 1965 - 195 с.

69. Гутер Р.С., Резниковский П.Г. Программирование и вычислительная математика. М.: Наука, I97I - с.

70. Киреев В.А. Курс физической химии. М.: Химия, 1975 - 775 с.

71. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высшая школа, 1982 - 106 с.

72. Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света. М.: Энергоатомиздат, 1983 - 384 с.

73. Розенброк X., Стори Вычислительные методы для инженеров- химиков. М.: Мир, 1968 - 107 с.

74. Вайбель Идентификация органических соединений. М.: Изд-во иностранной литературы, 1957 - 95 с.

75. Г^бен-Вейль. Методы органической химии. Т.2. Методы анализа. М.: Химия, 1967 - 1302 с.

76. Стенцель И.И., Филиппенко Н.П. Фотометрическое определение этилового спирта в газах. - Ж.аналит.химии, 1982, т.37, № 10, C.I858-I864.

77. Стенцель И.И., Филиппенко Н.П., Элькснина Ж.В. Метод определения этилового спирта в газах. - Заводская лаборатория, 1983, W 5, с.7-8.

78. Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятности и математической статистике. М.: Высшая школа, 1975 - 332 с.

79. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука. Главная редакция физ.-мат.литературы, I98I - 720 с.

80. Худсон Д. Статистика для физиков. М.: Мир, 1970 - 242 с.

81. Стенцель И.И., Филиппенко Н.П., Тищук В.В. Автоматический метод измерения паров этилового спирта в машинах ДС производства стеклопластиков. - Изв.ВУЗ СССР. Электромеханика, 1982, 11^ 4, с.12.