В химической и в смежных отраслях промышленности технологические процессы связаны с получением и переработкой различных газообразных и жидких веществ. Эти вещества (сырье, промежуточные или целевые продукты) характеризуются различными показателями, по которым оценивают качество соответствующих веществ. Непрерывность и высокая скорость технологических процессов несовместимы с относительной медленностью лабораторного анализа, запаздывание результатов которого может привести к расстройству производственного процесса. Поэтому возникает необходимость в текущем контроле автоматическими непрерывно действующими приборами, позволяющими получать данные с минимальным запаздыванием. Действие таких приборов основано на физических или физико — химических методах, обеспечивающих контроль состава и качества материалов химических производств. Наиболее часто контролю подлежат жидкости и газовые смеси. При контроле жидкостей обычно приходится определять концентрацию раствора, либо величину физического или физико — химического параметра, характеризующего качество жидкости. Анализ газовых смесей чаще сводится к определению содержания одного или двух компонентов в объемных процентах.
Абсорбционно — оптические методы анализа газов. Эти методы спектрального анализа основаны на использовании свойств некоторых газов, поглощать часть проходящего через них излучения. Степень поглощения зависит от концентрации анализируемого вещества. Для получения высокой чувствительности измерений необходимо использовать излучение с длиной волны, соответствующей максимальному поглощению определяемого компонента.
Оптико — акустические газоанализаторыОснованы на использовании избирательного поглощения измеряемым компонентом инфракрасных лучей. В оптико — акустических газоанализаторах прерывистый поток инфракрасного излучения, проходя через слой анализируемой газовой смеси, теряет в ней часть энергии, пропорциональную содержанию определяемого компонента. Остаток энергии поступает в приемник преобразователь (лучеприемник).
Газоанализаторы ультрафиолетового поглощения.Эти приборы в основном применяют для анализа паров ртути в воздухе и измерения концентрации хлора, сероводорода, диоксида азота и некоторых других веществ. В качестве источников ультрафиолетового излучения служат ртутные лампы. Дополнительная монохроматизация излучения источника осуществляется стеклянными светофильтрами. Для преобразования интенсивности ультрафиолетового излучения в электрический сигнал применяют фотоэлементы и фоторезисторы.
Фотоколориметрические газоанализаторы.Фотоколориметрический метод анализа обладает высокой чувствительностью и избирательностью. Высокая чувствительность метода определяется возможностью накапливать анализируемый компонент в растворе или на индикаторной ленте. Высокая избирательность метода обусловлена химической реакцией между анализируемым компонентом и реактивом — индикатором
Термокондуктометрические газоанализаторы.Газоанализаторы этого типа основаны на изменении теплопроводности газовой смеси при изменении ее содержания. На величину теплопроводности оказывают влияние все составные части газовой смеси, поэтому такой метод применяют для определения концентрации тех компонентов, которые обладают наибольшей теплопроводностью. Принцип действия такого метода основан на непрерывном сравнении теплопроводности анализируемого газа с теплопроводностью воздуха. Термокондуктометрические газоанализаторы используются для определения содержания: водорода в азотоводородной смеси в производстве синтетического аммиака, водорода в газе карбамидных печей, аммиака в аммиачно-воздушной смеси в производстве слабой азотной кислоты, диоксида серы в печном газе производства серной кислоты и т. д.
Термомагнитные газоанализаторы.Термомагнитные газоанализаторы основаны на зависимости парамагнитных свойств кислорода от температуры. Их применяют для определения содержания кислорода в различных газовых смесях. Кислород относится к парамагнитным газам, характеризующимся положительной магнитной восприимчивостью. С изменением температуры взаимодействие кислорода с магнитным полем существенно изменяется. Магнитная восприимчивость кислорода, под которой понимают отношение интенсивности намагничивания к напряженности магнитного поля, на два порядка выше, чем в других газов. Газоанализатор выпускается с различными диапазонами измерений в процентах кислорода, нижний из которых равен 0 — 0.5, а верхний 80 — 100. Основная приведенная погрешность измерения ±10% от верхнего предела для первого диапазона и ±2,5% для последнего диапазона.
Кондуктометрические газоанализаторы основаны на электропроводности жидкости, селективно абсорбирующей определяемый компонент газовой смеси. С уменьшением количества диссимулированных молекул в растворе электропроводность его уменьшается. Изменение электропроводности пропорционально количеству измеряемого компонента в контролируемом газе.
Полярографические газоанализаторы основаны на измерении предельной силы диффузионного тока в цепи трех электродной электролитической ячейки с индикаторным, сравнительным и вспомогательным электродами. В процессе измерения контролируется разность потенциалов между индикаторным электродом и сравнительным, потенциал которого постоянен. Разность потенциалов сравнивается с опорным напряжением, снимаемым с блока питания. При отключении разности потенциалов от опорного напряжения изменяется напряжение, подаваемое на электроды, что вызывает изменение потенциалов вспомогательного и индикаторного электродов до восстановления равенства разности потенциалов и опорного напряжения. Если в электролите отсутствует электрохимически активное вещество, то индикаторный электрод поляризуется, и сила тока в измерительной цепи равна нулю.
Кулонометрические газоанализаторы основаны на законе Фарадея, устанавливающем прямую пропорциональную зависимость между количеством, пошедшего через систему электричества и количеством прореагировавшего на электроде вещества.
Хромотографический метод анализа газовых и жидких смесей.
Качественный и количественный анализ сложных газовых смесей, а также и жидких, осуществляется методами хромотографии
В основу положено разделение смеси на компоненты под воздействием одноименно протекающих двух массообменных процессов: сорбции — поглощение газа абсорбентом; десорбции — выделение, с последующим анализом задействованных компонентов.
Газовую смесь для анализа пропускают через сорбент и перемещают с помощью газоносителя.
Газ-носитель должен быть нейтральным. Газ — носитель не должен соединяться с сорбентом и с анализируемой смесью.
В качестве газа — носителя используются: азот, гелий, воздух, и др. газы.
В качестве адсорбента использую: активированный уголь, оксид магния, алюмогель, селикогель.
Блок схема хроматографа.
1 — Дозатор; 2 — Колонка; 3 — Детектор (СК — сравнительная камера; ИК — измерительная камера); 4 — Регистратор; 5 — Дроссель; 6 — Ротаметр.
Через дозатор 1 отбирается калиброванная проба, которая захватывается потоком газоносителя и переносится в разделительную колонку 2, заполненную сорбентом. Колонка — это трубка D4 — 6 мм из нержавеющей стали.
Работу колонки можно пояснить на примере разделения трех — компонентной газовой смеси (А+В+С). Колонка показана условно, в разные моменты времени.
1 — В момент ввода пробы 2 — В момент разделения
3 — В момент выхода первого (А) компонента
Так как у этих компонентов различная степень поглощения сорбентом, то смесь перемещается по колонке с разными скоростями. В результате этого они разделяются. Сначала выходят
«легкие», т. е. менее сорбируемые (компонент А), а затем более тяжелые (В, С). Компоненты смеси обнаруживаются детектором 3, в который они поочередно поступают из колонки. Обнаружение их основано на разной степени проявления ими какого-либо физического свойства, т.е. получается, что детектор является газоанализатором.
Потенцеметрический метод анализа.
Суть метода анализа заключается в том, что качественными показателями растворов электролитов являются активность различных ионов водорода, которая характеризует кислотные или щелочные свойства растворов. О концентрации этих ионов в водных растворах можно судить по величине рН.
Принцип работы рН-метров заключается в измерении ЭДС (электродвижущей силы, т. е. напряжения) электродной системы, погружаемой в контролируемый раствор и состоящей из измерительного и вспомогательного электродов. Потенциал измерительного электрода линейно зависит от рН раствора, а потенциал вспомогательного электрода принимают за ноль.
Изменение потенциала вследствие изменения водородного показателя рН-раствора на 1 единицу вызывает изменение потенциала на 58 мВ. Кроме линейности потенциала от рН достоинством стеклянного электрода является устойчивость к действию агрессивных жидкостей т.к. измерительный электрод выполнен из литиевого стекла. В качестве вспомогательного электрода применяют хлоро — серебристый или коломельный электроды.
Приведем модели некоторых приборов