СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ pH МАЛОБУФЕРНЫХ ПРЕДЕЛЬНО РАЗБАВЛЕННЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ТИПА КОНДЕНСАТА

Изобретение относится к теплоэнергетике и может применяться для автоматического контроля водного теплоносителя на ТЭС и ЛЭС.

Известен способ измерения pH среды путем измерения ЭДС пары электродов, контактирующих с контролируемым раствором, для автоматического определения значений pH в широких пределах (7,5-13,0) (авторское свидетельство СССР №123751, МПК G01N 27/416, 1959 г.).

Недостатком указанного способа является невозможность его использования для предельно разбавленных растворов в слабощелочной и слабокислой среде при протоке пробы.

Известен «Способ и устройство для измерения pH слабощелочных растворов» (Патент на изобретение РФ №2456578, МПК G01N 21/27, 2012 г.), включающий экстраполяцию спектрофотометрических измерений от многих чувствительных элементов - индикаторов pH. Сначала посредством индикаторов, контактирующих с раствором и имеющих известную величину pH, строят калибровочную кривую, а затем измеряют pH испытуемого раствора, используя калибровочную кривую.

Недостатком указанного способа является использование многочисленных колориметрических индикаторов pH и измерения pH - отклика колориметром или спектрофотометром, что в условиях оперативного химического контроля качества пара, конденсата пара и питательной воды энергоблока ТЭС и АЭС с протоком проб представляется малопригодным.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в создании способа определения pH малобуферных предельно разбавленных водных растворов типа конденсата, который обеспечит точное и быстрое определение pH, эффективного по затратам и легкого в использовании.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что способ определения pH малобуферных предельно разбавленных водных растворов типа конденсата включает последовательные операции подготовки проточной пробы путем охлаждения пробы до 10-50°C и понижения давления до атмосферного, кондуктометрического измерения электропроводности (χ^t) и температуры (t) прямой пробы, пропуск пробы через H-катионитовую колонку, кондуктометрического измерения электропроводности (χ^t _H) и температуры (t_H) H-катионированной пробы, приведения измеренных величин электропроводности к температуре 25°C (χ, χ_H), проверки на достоверность, определения разности значений электропроводностей прямой и H-катионированной пробы (χ- χ_H) и расчет значения pH решением системы уравнений ионных равновесий водного раствора.

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения pH малобуферных предельно разбавленных водных растворов типа конденсата.

На фиг. 2 приведены кривые, отвечающие значениям удельной электропроводности и pH при изменении концентрации водных растворов NaOH (C=1·10^-7÷1·10^-6 г-моль/л) и HCl (C=1·10^-7÷5·10^-7 г-моль/л) для различных температур.

Устройство, реализующее предлагаемый способ определения pH малобуферных предельно разбавленных водных растворов типа конденсата, содержит устройство подготовки пробы 1, кран 2, кондуктометр с блоком датчиков 3, установленных перед H-катионитовой колонкой 5 с блоком датчиков 4, установленных после H-катионитовой колонки 5. Блоки 3 и 4 содержат датчики измерения удельной электрической проводимости (электропроводности) и датчики температуры пробы и подключены к обрабатывающему блоку 6.

Способ реализуется следующим образом. Пробу пара, конденсата пара или питательной воды энергоблока с параметрами рабочей среды непрерывным потоком подают на устройство подготовки пробы 1, где охлаждают оборотной водой до 10-50°C и снижают давление до атмосферного. Краном 2 устанавливают расход пробы в пределах паспортных значений используемого кондуктометра, через блоки датчиков 3, 4 которого и H-катионитовую колонку 5, расположенную в потоке пробы между указанными датчиками, непрерывным потоком пропускают охлажденную пробу - предельно разбавленный малобуферный водный раствор. Блоки датчиков 3 и 4 измеряют удельную электрическую проводимость (электропроводность) и температуру пробы до и после H-катионитовой колонки 5, а измеренные значения с заданной дискретностью поступают в обрабатывающий блок 6, где производят обработку сигналов до количественного значения pH контролируемой пробы.

Обработку измеренных значений проводят следующим образом. Приводят к температуре 25°C, как требуют нормы контроля рабочей среды энергетических котлов (Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей российской федерации. СО 153-34.20.501-2003. СПО ОРГРЭС. М., 2003), согласно следующим уравнениям:

χ=χ^t/(1+0,02·(t-25));

χ_H=χ^t _H/(1+0,015(t-25)).

Проверяют достоверность приведенных результатов измерений на соответствие максимальному диапазону изменения величины удельной электропроводности (мкСм/см):

0,056<χ<10,

0,056<χ_H<10.

Находят разность значений: χ-χ_H и определяют реакцию среды контролируемой пробы:

если χ-χ_H≥0, то pH≥7 в присутствии подщелачивающего агента или без него:

если χ-χ_H<0, то pH<7 в присутствии подкисляющего агента.

Таким образом, определяют однозначную зависимость между удельной электропроводностью и величиной pH малобуферного предельно разбавленного водного раствора согласно графикам, приведенным на фиг. 2.

Для чистой воды при температуре 25°C удельная электропроводность связана с концентрацией ионов водорода, определяющих значение pH, следующим выражением:

,

где измерена в мкСм/см, а концентрация ионов

( ) в мкмоль/дм³.

Из кривых, приведенных на фиг. 2, виден характер зависимости χ - pH как для чистой воды, так и для чистой воды при добавлении малых количеств кислоты или щелочи.

Конденсат пара и питательная вода энергетических блоков ТЭС и АЭС является чистой водой, содержащей очень малые количества солей, обычно угольной кислоты или продуктов термолиза органических примесей и (или) подщелачивающего агента, обычно аммиака в форме гидроксида аммония с нормируемой величиной χ_H менее 0,3 мкСм/см.

Количественное значение величины pH определяется численным решением системы следующих уравнений ионных равновесий такого малобуферного предельно разбавленного водного раствора:

- Уравнения, описывающие диссоциацию слабых электролитов в анализируемой воде:

- Уравнение электронейтральности для анализируемой воды:

- Уравнение электропроводности для анализируемой воды:

- Уравнения, описывающие диссоциацию слабых электролитов в H-фильтрате:

- Уравнение электронейтральности для H-фильтрата:

- Уравнение электропроводности для H-фильтрата:

- Балансовое уравнение форм состояния углекислоты:

В уравнения (1)÷(10) входят следующие величины:

- входные данные - показатели приборов АХК:

χ, χ_H - соответственно измеряемые удельные электропроводности в анализируемой воде и H-фильтрате, См/см, приведенные к 25°C;

- выходные данные - концентрации ионов в анализируемой воде:

[H⁺], [ ], [ ], [ ], [OH^-] - концентрации соответствующих ионов в анализируемой воде, моль/дм; [Na⁺]_усл - суммарная концентрация катионов натрия, кальция и магния в анализируемой воде в пересчете на ионы натрия, моль/дм³; [Cl^-]_усл. - суммарная концентрации анионов сильных кислот (хлоридов, сульфатов и нитратов) в пересчете на хлориды, моль/дм³; [H⁺]_H, [Na⁺]_H, , , [OH^-], [Cl^-]_H - концентрации соответствующих ионов в фильтрате H-фильтра, моль/дм³;

- параметры (внутренние характеристики математической модели):

K_W, K_I, K_II, KNH4OH - концентрационные константы ионных равновесий воды, углекислоты по первой и второй ступеням и аммиака; , и т.д. - предельные подвижности (или эквивалентные электропроводности) соответствующих ионов, См·см²/г-экв.

В качестве примера в табл.1 приведены результаты аналитических измерений по схеме фиг. 1 и определения по предложенному способу значений pH предельно разбавленных водных растворов как с дозировкой аммиака (поз. 1-3), так и без дозировки аммиака (поз. 4-7). Использование предложенного способа для питательной воды энергоблоков ТЭС с прямоточными котлами сверхкритического давления (СКД) приведены в табл.2.

Таким образом, предлагаемый способ определения pH малобуферных предельно разбавленных водных растворов типа конденсата, который обеспечивает точное и быстрое определение pH, эффективного по затратам и легкого в использовании.