Вимірювач концентрації вуглеводнів нафти

Реферат: Винахід може бути використаний на нафтопереробних заводах і в пожежних системах сигналізації. Вимірювач концентрації вуглеводнів нафти складається з двох гілок термопари: одна виконана з вуглецевих нанотрубок, друга – з графітового порошку; приріст термо-е.р.с. термопари внаслідок адсорбції вибраного вуглеводню нафти пропорційний його вмісту в нафті. Винахід дозволяє підвищити чутливість вимірювача та спростити технологію вимірювання концентрації вуглеводнів у нафті. UA 101628 C2 (12) UA 101628 C2 UA 101628 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вимірювачів концентрації вуглеводнів в нафті, моторному пальному і повітрі та може бути використаний на нафтопереробних заводах і в пожежних системах сигналізації. Відомі електрорезистивні аналізатори нафти [1]. Недоліком є непридатність для визначення неелектропровідних компонент нафти, якими є вуглеводні. Відомі вимірювачі [2-4] концентрації компонент нафти: спектроскопи ультрафіолетової та інфрачервоної областей, рентґено- та ультрафіолетово-люмінісцентні спектроскопи, масспектрометри, хроматографи, прилади ядерного магнітного резонансу. Ці вимірювачі точні, багатофункціональні, наукоємні. Їх недоліками є дороговизна і складність. Для їх обслуговування потрібні оператори високої кваліфікації. Найбільш близьким аналогом вимірювача, що заявляється, є вимірювач [5], що складається з електрорезисторного датчика, кінці якого приєднані до омметра. Датчик виконаний з полімерграфітової композиції. За зміною електроопору внаслідок адсорбції композицією різних сполук (ацетону, толуолу, етанолу, бензину, пропану, діетилового ефіру тощо) вимірюють концентрацію сполук в середовищі. Недоліком винаходу є наступне: полімер в композиції оточує частинки графіту, тому ускладнюється доступ молекул адсорбата до поверхні адсорбенту, знижується чутливість вимірювача. Задача винаходу - підвищення чутливості вимірювача концентрації вуглеводнів нафти, спрощення процесу вимірювання. Задача вирішується тим, що у вимірювачі концентрації вуглеводнів нафти, що складається з V-подібної термопари, робочі кінці якої затиснуті в холодному блоці і через перемикач сполучені з потенціометром, а вершина термопари затиснута в гарячому блоці, згідно з винаходом, що заявляється, одна гілка термопари виконана з порошку вуглецевих нанотрубок, а друга - з графітового порошку, засипаних в пористу діелектричну трубку, кінці термопари сполучені додатково через перемикач з джерелом електроструму, а гілки термопари розташовані в пористій замінній оболонці, вибірково проникній для вуглеводнів. Виконання одної гілки термопари з порошку вуглецевих нанотрубок, а другої - з графітового порошку збільшує чутливість вимірювача за рахунок: - додавання термо-е.р.с. нанотрубок до термо-е.р.с. графіту, бо вони мають різні знаки при адсорбції вуглеводнів; - насипні порошки мають більшу питому поверхню у порівнянні з композиціями. Використання пористої діелектричної трубки необхідне для дифузії молекул вуглеводнів через пори до порошків, які адсорбують їх, і термопара генерує термо-е.р.с. адсорбційної природи. Додаткове сполучення кінців термопари через перемикач з джерелом електроструму дозволяє прогрівати порошки перед черговим вимірюванням і так прискорювати десорбцію адсорбованих молекул. Розташування віток термопари у пористій замінній оболонці забезпечує: - захист гілок термопари від забруднення важкими фракціями нафти; - відновлення робочого стану термопари шляхом заміни оболонки. Вибіркова проникність оболонки для вуглеводнів дозволяє вимірювати концентрації різних фракцій нафти шляхом заміни оболонки з одною проникністю на оболонку з іншою проникністю. На кресл. наведено схему вимірювача концентрації вуглеводнів нафти. Вимірювач концентрації вуглеводнів нафти складається з V-подібної термопари 1-2-3, робочі кінці якої затиснуті в холодному блоці 4 і через перемикач 5 сполучені з потенціометром 6, а вершина термопари затиснута в гарячому блоці 7. Одна гілка термопари виконана з порошку вуглецевих нанотрубок 1, а друга - з графітового порошку 2, засипаних в пористу діелектричну трубку 3, кінці термопари сполучені додатково провідниками 8 через перемикач 5 з джерелом електроструму 9, а гілки термопари розташовані в пористій замінній оболонці 10, вибірково проникній для вуглеводнів. Приклад 1. Розглянемо роботу вимірювача при визначенні концентрації газоліну в азербайджанській нафті. Пориста діелектрична трубка 3 (фіг.1) виготовлена зі склотканини і забезпечує дифузію через пори газоліну (молекулярна вага  =105-108) і керосину (  =150-160), але не пропускає важкі фракції (  =230-270). Оболонка 10 зроблена з тканини, через яку дифундують молекули газоліну (тканина виготовлена за нанотехнологією). Холодний блок 4 має температуру Тх навколишнього середовища. Через комутатор 5 і провідники 11 від джерела струму 9 подають електрострум до гарячого блока 7 і доводять його температуру до температури початку википання газоліну з нафти Тг=60-70 °С. Вимірюють потенціометром 6 початкову термо-е.р.с. Еc термопари, коли порошки 1-2 сухі. Після цього вмочують термопару в 1 UA 101628 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 нафту, концентрація газоліну в якій визначається, і витягують з нафти. Вимірюють нову термое.р.с. Еc, коли вона вийде в стан адсорбційної рівноваги внаслідок завершення адсорбції тих молекул газоліну, що продифундували через оболонку 10. Товщина оболонки підбирається при виготовленні термопари такою, щоб порошки адсорбували молекули на лінійній частині залежності величини адсорбції від концентрації. Тоді відповідність термо-е.р.с. істинній концентрації газоліну в нафті забезпечується коефіцієнтом α, що входить у вираз (1). Після вимірювання концентрації газоліну в даному сорті нафти оболонку 10 миють газоліном. Потім через перемикач 5 і провідники 8 від джерела струму 9 вздовж порошків 1-2 пропускають електрострум, нагріваючи порошки так, щоб відбулась швидка десорбція газоліну. Після остигання термопари вона готова до аналізу на газолін наступної нафти. Концентрацію газоліну G визначають за алгебраїчною формулою (1): G  (EG  EC ) , (1) де  - коефіцієнт, чисельно рівний концентрації газоліну в нафті, коли внаслідок адсорбції ЕG – Еc змінилась на 1 мкВ/град. Його визначають, зануривши термопару в нафту з відомим значенням G. град Для азербайджанської нафти   1,8 % в усьому діапазоні мкВ концентрацій газоліну. мкВ Після вимірювання трьох зразків сирої нафти одержуємо усереднене значення мкВ/град. Підставивши це значення в (1), знаходимо, що EG  EC  (8  1) ( П  18(EG  EC )  18 (8  1)  (13  16) % . За даними [1], в російській нафті вміст легких , , вуглеводнів (газолін і легкий лігроїн) становить 14,9 % (аналіз здійснено методом інфрачервоної спектроскопії). Нафтородовища інших країн дають нафту з G=5-59 %. Таке розмаїття сортів нафти підтверджує необхідність вимірювання вмісту різних фракцій перед переробкою нафти. Приклад 2. Для визначення концентрації керосину в сирій нафті виконують ті ж операції, що наведені у прикладі 1. Але використовують оболонку 10 з матеріалу, крізь пори якого дифундують молекули газоліну і керосину. Всю термопару прогрівають до 150 °С для того, щоб газолін випарувався з шару нафти, що змочує оболонку 10. Після остигання термопари до початкової температури вимірюють ЕG-ЕC і визначають концентрацію керосину за формулою (1), використовуючи α, характерне для керосину. Приклад 3. При використанні вимірювача в пожежній сигналізації, його розташовують у місці, де очікують підвищену концентрацію у повітрі пари легких вуглеводнів. Коли концентрація газової суміші почне наближатися до критичного небезпечного рівня, зросте термо-е.р.с. (ЕG-ЕC) і на виході потенціометру 6 виникне електричний сигнал, від якого спрацює сирена, наприклад. Перевага заявленого вимірювача як сигналізатора перед іншими пожежними сигналізаторами в тому, що він спрацьовує до виникнення пожежі, в той час, як більшість сигналізаторів [6, 7] спрацьовують тоді, коли виник дим, або коли підвищилась температура чи з'явилось світло у місці загорання. Адсорбент має в 5-7 разів кращу чутливість у порівнянні з чутливістю вимірювача прототипа [5]. Його обслуговувати може технік середньої кваліфікації. Отже, задача винаходу виконана. Джерела інформації 1. Фоелькенінг Йоуакім, US, Ходжес Майкл, GB. Процес оцінки сировини, що містить вуглеводні, та сирої нафти. Патент України № 87833, кл. G01N33/26, опуб. 25.08.2009, Бюл.№16. 2. Батлер Грехем, GB, Коувз Джон Вілл'ям, GB, Гріноу Пол, GB, Гадд Ніколас Джон, GB, Ходжес Майкл Грехем, GB. Спосіб оцінки нафто заводської сировини. Патент України № 88480, кл. G01N33/26, опуб. 26.10.2009, Бюл.№20. 3. Гадд Ніколас Джон, GB, Ходжес Майкл, GB, Батлер Грехем, GB, Фоелькенінг Йоуакім, US. Портативний пристрій для аналізу сировини для рафінування або продукту процесу рафінування. Патент України № 89060, кл. G01N33/26, опуб. 25.12.2009, Бюл.№24, 2009. 4. Батлер Грехем, GB, Коувз Джон Вілл'ям, GB, Гріноу Пол, GB, Гадд Ніколас Джон, GB, Ходжес Майкл Грехем, GB. Спосіб оцінки впливу нафтозаводської сировини на процес нафтопереробки. Патент України № 89205, кл. G01N33/26, опуб. 11.01.2010, Бюл.№1, 2010. 5. Семко Л.С., Кручек Я.И., Горбик П.П. Газосенсорные композиционные материалы на основе графитов, полимеров, оксидов титана и кремния. Физико-химия наноматериалов и супрамолекулярных структур. - К.: Наукова думка, 2007. - Т.2. - С. 159-191. 6. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. - М.: Мир, 1968. - 260 с. 7. Фатеев В.М., Лапин СМ. Пиротехника. - К.: Пульсары, 2006. - Т.3. - 170 с. 2 UA 101628 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Вимірювач концентрації вуглеводнів нафти, що складається з V-подібної термопари, робочі кінці якої затиснуті в холодному блоці і через перемикач сполучені з потенціометром, а вершина термопари затиснута в гарячому блоці, який відрізняється тим, що одна гілка термопари виконана з порошку вуглецевих нанотрубок, а друга - з графітового порошку, засипаних в пористу діелектричну трубку, кінці термопари сполучені додатково через перемикач з джерелом електроструму, а гілки термопари розташовані в пористій замінній оболонці, вибірково проникній для вуглеводнів. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3