книги из ГПНТБ / Автоматизация переработки каменноугольной смолы

кости 5, движется к максимуму шкалы и, нажимая на ко­ нечный переключатель, включает через контакт многоцепного командного прибора МКП реле времени РВ, осу­ ществляющее задержку времени на 3—5 мин. Такая за­ держка необходима для обеспечения надежного обмена анализируемого продукта, проходящего через емкость 5. После срабатывания реле времени отключается нагрева­ тель калорифера и закрывается клапан 1, отключая дат­ чик от потока нафталиновой фракции. Воздух в калори­ фере охлаждается довольно медленно, что создает усло­ вия для переохлаждения продукта, заключенного в емко­ сти 5.

Во время охлаждения датчика каретка регистратора движется к минимуму шкалы до тех пор, пока не начнет­ ся процесс кристаллизации переохлажденной нафталино­ вой фракции, сопровождающийся выделением тепла. За счет выделившегося тепла температура внутри емкости 5 повышается, и каретка начинает перемещаться в обрат­ ную сторону. По окончании процесса кристаллизации температура опять понижается, и перо регистратора опи­ сывает на диаграммной ленте характерный пик, экстре­ мум которого соответствует температуре кристаллизации анализируемой пробы.

В регистратор прибора вмонтирован индикатор экст­ ремума, который после окончания процесса кристалли­ зации через контакты МКП включает нагреватель кало­ рифера, открывает клапан 1 и выдает пневмокоманды в блок непрерывной памяти для запоминания максимума (экстремума) пика.

Если по каким-либо причинам не получится пик или не сработает индикатор экстремума, то вмонтированный в прибор дублирующий переключатель через контакты реле времени выполнит необходимые операции, когда ка­ ретка регистратора переместится к началу шкалы.

Принципиальная электрическая схема прибора дана

на рис. 66.

Конечные переключатели КВ1 и КВ2 срабатывают, когда каретка регистратора находится у максимума шка­ лы, а КВЗ — когда каретка регистратора находится у ми­ нимума шкалы. Переключатель КВ4 индикатора экстре­ мума замыкается при движении каретки к максимуму шкалы.

Работа схемы заключается в следующем. При вклю­ чении схемы напряжение через нормально закрытый

(и. з.) контакт реле времени РВ поступает на нагрева­ тель калорифера, электромагнит ЭМІІ электропневмо­ клапана и двигатель реле времени. Пневматический сиг­

ЭМ1, закрывающий клапан I. Начинается процесс охла­ ждения датчика, и каретка регистратора перемещается к началу шкалы.

При этом контакт КВІ размыкается, а КВ2 — замы­ кается, соленоид питается по цепочке блокировки, со­ стоящей из н. з. контакта КВЗ, и. з. контакта К! и зам­ кнувшегося ранее контакта РВЗ.

Во время процесса кристаллизации каретка регистра­ тора начинает двигаться к максимуму шкалы, в этот момент замыкается контакт индикатора экстремума КВ4, что приводит к срабатыванию соленоида МКП Сц. Соле­ ноид Си замыкает контакт К2 и включает двигатель МКП РД-09. Во время работы МКП, настраиваемого на определенный цикл, срабатывают золотники пневмати­ ческих цепей, связанные с блоком непрерывной памяти. По истечении времени цикла размыкается контакт КІ, снимающий блокировку контакта КВІ, отключается со­ леноид Сі, и реле времени возвращается в исходное поло­ жение. После размыкания контакта К2 схема управления

132

подготовлена к новому циклу. Ниже приведена краткая характеристика АПКН-1:

Хроматограф ХПА-3-220 (модернизированный)

Промышленный автоматический хроматограф типа ХПА-3-220М предназначен для анализа химического со­ става продуктов переработки каменноугольной смолы с температурами кипения до 270° С. Хроматограф состо­ ит из датчика ДПХ (М), блока управления БУ-3 (М), регистратора ЭПП-09МЗХ, командного электропневматического прибора МКП, панели подготовки газа-носителя.

В термостатированном датчике ДПХ размещены ос­ новные части: дозирующее устройство, хроматографиче­ ская колонка и блок детекторов. Остальные приборы и блоки предназначены для обеспечения автоматической работы хроматографа. Принцип действия хроматографи­ ческой системы заключается в разделении пробы анали­ зируемого вещества на составные компоненты распреде­ лением ее между неподвижным слоем (сорбентом) и по­ током газа-носителя, фильтрующегося через неподвиж­ ный слой. Вследствие различной сорбционной способно­ сти компоненты анализируемого вещества движутся по слою сорбента с неодинаковой скоростью, поэтому на выходе из колонки детектор фиксирует полосы чистых компонентов, отделенных один от другого слоями газаносителя.

Вообще хроматографией называют все методы разде­ ления веществ на составные компоненты, основанные на различии в скоростях движения их по слою сорбента [26]. Различие методов хроматографии основано как на природе используемого сорбента, так и на факторах, вы­ зывающих движение разделяемых компонентов. По при­ роде применяемого сорбента газовую хроматографию можно разделить на две группы:.

1) газо-адсорбционную и 2) газо-жидкостиую. В пер­ вой группе в качестве адсорбентов применяют твердые пористые вещества: гели, угли, молекулярные сита, по-

133

рмстые стекла и др. Во второй группе в качестве сорбен­ тов используют жидкие растворители, нанесенные тонкой пленкой на твердый носитель.

По факторам, вызывающим движение выделяемых компонентов, в обеих группах различают несколько спо­ собов: фронтальный [27], проявительный [28, 29], вы­ теснительный [30], термический [31] анализы, хроматермографию и теплодипамический метод [2]. Наиболь­ шее распространение получил проявительный анализ, заключающийся в передвижении нанесенной на непо­ движный слой (сорбент) пробы током газа, называемого газом-носителем.

Сочетание газо-жидкостной хроматографии с проявительным анализом позволяет создавать довольно про­ стые, надежные приборы, которые могут быть использо­ ваны для промышленного анализа самых различных ве­ ществ.

При использовании хроматографа в системе регули­ рования как датчика качества следует особо отметить такие узлы, как дозирующее устройство, терморегулятор и систему подачи газа-носителя. Это вызывается тем, что обыкновенно в промышленных хроматографах содержа­ ние ключевого компонента определяется не по площади пика, а по его высоте, которая зависит от следующих факторов: природы анализируемого вещества, количества вводимой в хроматографическую колонку пробы, расхо­ да газа-носителя, температуры колонки и детектора, со­ стояния наполнителя колонки, герметичности газовых ли­ ний, стабильности детекторов.

Следовательно, в промышленных хроматографах до­ зирующее устройство, терморегулятор, регулятор рас­ хода газа-носителя и детектор должны быть выполнены на уровне прецизионных приборов, обеспечивающих вос­ производимость хроматографических данных поряд­ ка 99%.

Природа анализируемого вещества определяет все конструктивные особенности основных узлов хромато­ графа и играет решающую роль при выборе газа-носи­ теля, твердого сорбента и неподвижной жидкой фазы. Такие физико-химические свойства фракций каменно­ угольной смолы, как сложность состава (присутствие изомеров), высокие температуры кипения ^2 5 0 °С и спо­ собность кристаллизоваться при температурах выше 25—30° С, послужили отправным пунктом для разработ­

134

ки основных узлов хроматографа. За основу принят про­ мышленный хроматограф ХПА-3-150, предназначенный для анализа продуктов нефтехимии с температурами ки­ пения до 150° С.

Авторами совместно с СКБ и АНН проведена рабо­ та по усовершенствованию и разработке основных узлов высокотемпературного хроматографа.

Датчик хроматографа ДПХ (М) : усилена теплоизо­ ляция корпуса; установлены более мощные нагреватели

Рис. 67. Пробоотборное устройство:

экрана и испарителя, обеспечивающие термостатирование датчика до 220° С; трубка для вывода продуктов ана­ лиза опущена вниз и изолирована от корпуса датчика, чтобы исключить возможность конденсации паров и на­ копления жидкости иа выходе газовой системы; посколь­ ку кран КЗД-1, выпускаемый комплектно к хроматогра­

135

фу ХПА-3-150, не может быть применен для отбора фракций каменноугольной смолы, разработано пробоотбориое устройство для дозирования легкокрнсталлпзующихся продуктов1, отличающееся тем, что вход и выход продукта (рис. 67) выполнены в одном основании, име­ ющем местное сопротивление, создающее перепад, кото­ рый обеспечивает байпаснрование части продукта через дозирующий II проходные каналы золотника. Чтобы све­ сти до минимума транспортное время запаздывания, байпасную линию делают как можно короче, а через ос­ нование направляют весь поток контролируемого продук­ та; для повышения термостойкости текстолитовое опор­ ное кольцо для крепления блока детектора и втулки клеммных контактов заменено асбоцементным.

Блок управления БУ-3 (714). Реостат плавной регули­ ровки тока измерительного моста детектора и переклю­ чатель чувствительности заменены делителями с фикси­ рованной установкой тока моста и шкалы прибора; ре­ гулятор температуры ЭТР-4 заменен новым — типа ЭТР-220 с фиксированной установкой задания; стабили­ затор напряжения и механизм автоматической установ­ ки нулевой линии переделаны на напряжение 24 В; соп­ ротивление катушек измерительного моста уменьшено таким образом, чтобы взамен термисторов можно было использовать вольфрамовые нити сопротивлением 35— 50 Ом; измерение температуры датчика и блокировка его от перегрева вынесены на отдельный прибор, встроен­ ный в блок управления; питание нагревательного эле­ мента испарителя осуществлено от дополнительного трансформатора с фиксированным переключением вы­ ходного напряжения от 40 до 60 В через каждые 5 В.

Газовая схема модернизированного хроматографа представлена на рис. 68.

Газ-носитель поступает из баллона с редуктором или от линии через систему фильтров на редуктор 8, самопи­ шущий манометр 9 типа 04МСС-410, редуктор 10, дрос­ сель И, ротаметр 12 и затем в датчик хроматографа.

Редуктор 8 позволяет установить давление газа-носи­ теля (воздуха) перед прибором 04МСС-410, 1,2—

из потока. Авт. свид. № 287394. — «Открытия, изобретения, промыш­ ленные образцы, товарные знаки», 1970, № 35, с. 131.

136

вход его измерительной части и параллельно на редук­ тор 10. Задатчиком прибора 04МСС-410 на выходе уста­ навливается давление 0,8—1,0 кгс/см2. Редуктором 10 устанавливается давление газа-носителя перед дроссе-

Рис. G8. Газовая схема модернизированного хроматографа:

лем 11. Такая схема позволяет с высокой точностью под­ держивать необходимый расход газа-носителя.

При работе на газе-носителе, находящемся в балло­ нах, редуктор 8 и прибор 9 от схемы питания отключа-

137

ются. Расход газа-носителя устанавливается дроссе­ лем 11 и контролируется ротаметром 12.

В датчике газ-носитель нагревается до температуры термостата, после чего поступает в сравнительную ячей­ ку 3 детектора 2. Выйдя из термостата, газ-носитель че­ рез дозирующее устройство 13 и испаритель с нагрева­ телем 5 поступает на вход колонки 6, расположенной

втермостатированном объеме датчика ДПХ (М). Прой­ дя колонку и блок обратной продувки 1, газ-носитель по­ ступает в рабочую ячейку 4 детектора 2 и сбрасывается

ватмосферу.

Анализируемая жидкость, проходя по байпасу техно­ логической линии, поступает на сетчатый фильтр и далее на вход крана-дозатора. Поскольку предусмотрено су­ жение основания, часть анализируемого продукта непре­ рывно байпасируется по каналам дозирующего устрой­ ства. При поступлении на привод крана-дозатора от МКП пневматического сигнала «забор пробы» золотник перемещается в одно из крайних положений, и калибро­ ванное отверстие устанавливается па поток анализируе­ мой жидкости. По команде «анализ» золотник возвраща­ ется в исходное положение и калиброванное отверстие с отсеченным от потока объемом жидкости устанавлива­ ется на поток газа-носителя. Чтобы не было прерывания потока газа-носителя или анализируемого продукта, зо­ лотник имеет дополнительное отверстие.

Газ-носитель проталкивает отдозированную пробу анализируемой жидкости в испаритель, где должно про­ исходить ее мгновенное испарение. Если температура термостата, поддерживаемая нагревательным элемен­ том 7, недостаточна, что возможно при анализе высококипящих соединений, то включается дополнительный на­ греватель 5, при помощи которого в специальном испа­ рителе высококипящие компоненты переводятся в паровую фазу. Переведенная в паровую фазу проба по­ током газа-носителя перемещается по колонке вдоль слоя сорбента, на котором она разделяется на составные ком­ поненты, поступающие в виде бинарной смеси компо­ нент—газ в рабочую ячейку детектора. Если через ячей­ ки 3 и 4 проходит только газ-носитель, то измерительная схема детектора становится сбалансированной, и регист­ ратор фиксирует нулевую линию.

При поступлении в рабочую ячейку бинарной смеси газ — компонент равновесие измерительной схемы нару-

138

шается, и появляющийся небаланс напряжения фиксиру­ ется регистратором в виде хроматограммы.

Подробное описание принципиальной электрической, схемы хроматографа ХПА-3-150, а также конструктивное оформление и описание работы отдельных его узлов при­ ведено во многих литературных источниках.

7. МЕТОДИКИ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ФРАКЦИЙ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ

Как показали исследования и окончательный выбор параметров автоматизации, основным ключевым компо­ нентом, по которому регулируется режим фракционных

иректификационных колонн, является нафталин, т. е. его содержание в фенольной, нафталиновой и поглоти­ тельной фракциях. Анализ литературных данных [33, 34]

иданных, полученных в УХИНе, показал, что в указан­ ных продуктах наиболее трудноразделимой является си­ стема нафталин — тионафтен.

Как видно из табл. 16, в качестве неподвижной жид­ кой фазы целесообразно применить полиэтиленгликольадипат (ПЭГА), так как только на этой фазе происходит иаилуйшее отделение нафталина от других, близких по свойствам и температурам кипения компонентов.

Вусловиях использования хроматографа как датчика качества в системах автоматического регулирования раз­ работка методики несколько упрощается, так как отпа­ дает необходимость в полном разделении анализируе­ мой смеси на составные компоненты. В этом случае до­ статочно выделить только ключевой компонент. Ири этом основными ограничениями являются: наименьшее время анализа, наибольшая продолжительность стабильной ра­ боты колонки. Эти ограничения находятся между собой

впротиворечии, так как, по данным многих исследовате­ лей, продолжительность стабильной работы колонки на­ ходится в прямой зависимости от количества неподвиж­

ной жидкой фазы, нанесенной на твердый носитель, а время анализа — в обратной.

Таким образом, разработка методики в каждом кон­ кретном случае сводится к выбору условий, обеспечива­ ющих оптимальные решения поставленных задач. Ниже приведены методики хроматографического определения

ІЗ Э