CN103048220B - 一种对含碘氢碘酸料液的浓度进行在线显示的容器 - Google Patents
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Abstract
一种对含碘氢碘酸料液的浓度进行在线显示的容器，属于化工设备技术领域。本发明提供的含碘氢碘酸容器的罐体上带有恒电流电解-电渗析装置，该装置上整合了料液密度测定仪器。通过实时测定所存储料液的密度值和料液流经恒电流电解-电渗析池时的槽电压值，可以快速地计算出料液浓度，在上位计算机的辅助下，可以实现容器内料液浓度的在线测定，有利于对相关生产工艺的控制。本发明提供的含碘氢碘酸的容器解决了常规含碘氢碘酸容器在确定料液浓度时面临的取样过程危险、测定过程繁琐、操作耗时、无法在线监控等问题。
Description
技术领域
本发明涉及化工设备领域，尤其涉及一种能够在线显示料液浓度的含碘氢碘酸(即碘化氢-碘-水三元溶液，HI-I2-H2O)的容器。
背景技术
含碘氢碘酸料液(即碘化氢-碘-水三元溶液，HI-I2-H2O)在化学实验室、热化学碘硫循环分解水制氢工艺，以及氢碘酸生产工艺中都会用到。以热化学碘硫循环分解水制氢工艺为例，碘硫循环制氢过程中，依靠Bunsen反应生成的氢碘酸，由于加入了过量的碘，形成了HI-I2-H2O物相。作为一种大规模制氢工艺，碘硫循环制氢过程中将有大量的含碘氢碘酸料液需要存放、处理。准确、及时获知所存储和处理的HI-I2-H2O中各组分的浓度，对相关工艺的研究，乃至对现场工艺流程的控制都非常重要。
对应常规的HI-I2-H2O容器，要想得到其中料液的浓度数据，必须取样分析，一般以滴定法进行化学分析。具体来说是将料液从容器中取出后，以酸碱滴定法来确定HI的浓度，而以硫代硫酸钠溶液滴定法，即碘量法来确定I2的浓度，这样即可获HI-I2-H2O中具体料液组成。而含碘氢碘酸料液具有强烈的腐蚀性，在高温条件下腐蚀性更为强烈，且60℃以上条件下即会有碘蒸汽和HI蒸汽大量挥发，因此料液的转移较为困难，且料液的挥发会造成分析结果的错误。而对上述滴定法来说，虽然具有样品用量少等优点，但由于料液中I2的存在，滴定法的准确度较难保证，这是因为电对I2/I-的标准电位既不高也不低，I2可做为氧化剂而被中强的还原剂所还原，碘离子也可做为还原剂而被中强的或强的氧化剂所氧化，因此待测料液的酸碱度、空气中的氧等因素对滴定过程有较大的干扰，重复性较差，且滴定法需要对所用的滴定液进行预先配制、精确标定和合理保存，方能得到令人满意的结果，因此显得操作繁琐、过程耗时。由于以上原因，常规HI-I2-H2O容器很难满足快捷、实时、在线地获取其中料液的浓度信息。
由Gibbs相律可知，热力学平衡条件下，系统的组分数、相数和自由度数之间的关系：
F＝C-P+2
式中：
F-自由度；
C-系统的组分数。
P-在所选系统中相的数目；
其中自由度F是当系统为平衡状态时，在不改变相的数目情况下，可独立改变的因素(独立变量，如温度、压力、密度等)的个数，而对于HI-I2-H2O这一三组分体系，在常压和给定温度下，
F＝C(3种组分)-P(1相)+0(定温常压，此项值为0)＝2
自由度F为2表明只要确定HI-I2-H2O体系的2个可独立改变的因素(即独立变量)，该体系的所有物化性质(理所当然包括其组成与浓度)即为确定值。因此，我们可选择较为容易采集的2个独立变量，通过它们来确定HI-I2-H2O样品的浓度数据。
HI-I2-H2O料液的密度值是较易测定的参数，有多种成熟的方法和仪器可对其进行实时、在线测定。而实验研究发现，HI-I2-H2O料液流经电解-电渗析(简称EED，下同)池，以直流电源施加恒定的电流强度时测得的槽电压值同样是一个易测量的，并反映HI-I2-H2O料液物化性质的独立变量。HI-I2-H2O的EED原理是：以选择性质子交换膜隔开电解池的阴极区和阳极区，构成电解-电渗析池，当阴、阳两极区都有HI-I2-H2O料液流过时，H+在电场作用下，穿过质子交换膜，由阳极区迁移进入阴极区，同时在两极板上发生如下电极反应：
阳极：2I--2e→I2
阴极：I2+2e→2I-
当施加的电流较小时，上述H+迁移和电极反应对阴、阳极区料液的浓度影响很小，此时如维持电流强度为定值，即采用恒电流电解-电渗析模式，测得的EED池槽电压也近似为定值。上述EED槽电压由以下几个部分组成：1)阴阳两极上电极反应的理论电势；2)HI-I2-H2O料液的欧姆电压降；3)阴阳两极的过电势；4)质子交换膜上的电压降(即H+穿越所要克服的电势)。由于在进行HI-I2-H2O的EED时，阴、阳两极区的料液浓度、流速均相同，且发生相反的电极反应，因此构成槽电压的第1)部分，即理论电势为0；而2)-4)均由HI-I2-H2O料液的物化性质，特别是料液浓度所决定。因此EED槽电压看做反映HI-I2-H2O料液特性的独立变量，同时该变量值可以通过电压测量仪表进行精密准确而又快速的测定。
由以上可知，按照Gibbs相律，可通过HI-I2-H2O料液的密度，以及流经恒电流电解-电渗析池时的槽电压值这两个参数，来确定HI-I2-H2O料液的浓度数据。将测定HI-I2-H2O料液的密度，以及流经恒电流电解-电渗析池时的槽电压值的器件整合至HI-I2-H2O料液容器之上，即可快速获知其中所存储料液的浓度信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种对含碘氢碘酸料液的浓度进行在线显示的容器，通过其上的料液密度测定装置以及恒电流电解-电渗析装置，能够快速、在线地获取所存储料液的浓度信息；克服采用常规容器时，必须从容器中移取料液，并进行化学滴定确定料液浓度时所带来的取样过程危险、测定过程繁琐、操作耗时、无法在线监控等缺点。
本发明的技术方案如下：
一种对含碘氢碘酸料液的浓度进行在线显示的容器，其特征在于：所述容器含有罐体、料液密度测定装置、恒电流电解-电渗析装置和含有计算软件的计算机；所述的恒电流电解-电渗析装置包括电解-电渗析池、槽电压测定装置、温度调节罐以及料液输送管路、恒电流直流电源以及设置在料液输送管路上的输送泵；所述的电解-电渗析池被选择性质子交换膜隔成电解-电渗析池阴极区和电解-电渗析池阳极区；所述料液密度测定装置设置在温度调节罐上，料液密度测定装置和槽电压测定装置通过数据线与计算机相连；输送泵将罐体中的含碘氢碘酸料液经料液输送管路依次输送至温度调节罐、电解-电渗析池阴极区和电解-电渗析池阳极区，然后返回至罐体中；料液密度测定装置和槽电压测定装置分别测定料液的密度以及电解-电渗析池阴、阳两极间的槽电压，并将测定值传送给计算机，计算机利用储存在内的计算软件计算出料液的浓度并实时进行显示。
本发明所述的料液密度测定装置采用静压式密度计、放射性同位素密度计或振动式密度计。
本发明所述的输送泵设置在罐体和温度调节罐之间的料液输送管路上，或设置在温度调节罐与电解-电渗析池阴极区之间的料液输送管路上，或设置在电解-电渗析池阳极区与罐体之间的料液输送管路上。
发明具有以下优点及突出性效果：
采用本发明的含碘氢碘酸的容器，能够实时测定所存储料液的密度值和料液流经恒电流电解-电渗析池时的槽电压值，并从而简洁快速地计算出料液浓度；在计算机的辅助下，可以实现容器内料液浓度的在线测定，非常有利于对相关生产工艺的控制。本发明的含碘氢碘酸的容器克服了采用常规容器时必须从容器中移取料液，并进行化学滴定确定料液浓度时所带来的取样过程危险、测定过程繁琐、操作耗时和无法在线监控等缺点。
附图说明
图1是本发明提供的一种在线显示料液浓度的含碘氢碘酸的容器的结构示意图。
图中：1-罐体；2-密度测定装置；3-选择性质子交换膜；4-电解-电渗析池阴极区；5-电解-电渗析池阳极区；6-恒电流直流电源；7-槽电压测定装置；8-温度调节罐；9-料液输送管路；10-输送泵；11-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程做进一步详细说明。
图1是本发明提供的一种对含碘氢碘酸料液的浓度进行在线显示的容器的结构示意图，所述容器含有罐体1、料液密度测定装置2、恒电流电解-电渗析装置和含有计算软件的计算机11；所述的恒电流电解-电渗析装置包括电解-电渗析池、槽电压测定装置7、温度调节罐8以及料液输送管路9、恒电流直流电源6以及设置在料液输送管路上的输送泵10；所述的电解-电渗析池被选择性质子交换膜3隔成电解-电渗析池阴极区4和电解-电渗析池阳极区5；所述料液密度测定装置2设置在温度调节罐8上，料液密度测定装置2和槽电压测定装置7通过数据线与计算机11相连；输送泵10将罐体中的含碘氢碘酸料液经料液输送管路9依次输送至温度调节罐8、电解-电渗析池阴极区4和电解-电渗析池阳极区5，然后返回至罐体1中；料液密度测定装置2和槽电压测定装置7分别测定料液的密度以及电解-电渗析池阴、阳两极间的槽电压，并将测定值传送给计算机11，计算机利用储存在内的计算软件计算出料液的浓度并实时进行显示。
所述的料液密度测定装置可采用静压式密度计、放射性同位素密度计或振动式密度计。
本发明所述的输送泵可以设置在罐体1和温度调节罐8之间的料液输送管路9上，或设置在温度调节罐与电解-电渗析池阴极区9之间的料液输送管路9上，或设置在电解-电渗析池阳极区5与罐体1之间的料液输送管路9上。
在使用本发明提供的容器前，首先配制一系列具有梯度浓度分布的含碘氢碘酸标准样品，在同一设定温度下，采用密度测定装置测定各标准样品的密度值；使所配制的标准样品逐个流经前面所述的恒电流电解-电渗析池的阴极区4和阳极区5，记录各标准样品流经恒电流电解-电渗析池时的槽电压值；在测定各种含碘氢碘酸标准样品时，料液流速、电解-电渗析池温度、恒电流直流电源的电流强度值均保持相同，其中电解-电渗析池温度与测定标准样品密度值时的温度相同；通过数学拟合，建立含碘氢碘酸料液浓度、密度以及料液流经恒电流电解-电渗析池时的槽电压值三者之间的数学关系式：
ρ＝a1+b1·x+c1·y+d1·x2+e1·y2 (a)
u＝a2+b2·x+c2·y+d2·x2+e2·y2+f·x·y (b)
式中：ρ为含碘氢碘酸的密度值，单位为g/mL；
u为含碘氢碘酸料液流经恒电流电解-电渗析池时的槽电压值，单位为V；
x代表料液中I2对HI的摩尔比值；y代表H2O对HI的摩尔比值，a1、b1、c1、d1、e1、a2、b2、c2、d2、e2和f为数学拟合过程中得到的参数值。
计算机1)中装有依靠ρ、u和数学关系式(a)和(b)求解x、y的计算软件。
当罐体1盛装含碘氢碘酸料液后，料液依靠输送泵10和料液输送管路9，由罐体1输送至温度调节罐8，将料液温度调节至测定标准样品时所采用的温度，而后料液依次流经电解-电渗析池的阳极区5和阴极区4，并返回至罐体1中。在此过程中恒电流直流电源6保持恒定的电流强度输出，恒电流电解-电渗析装置中各部件的温度、料液流速、以及恒电流直流电源输出的电流强度均与测定标准样品时所采用的数值相同，且料液密度测定装置2和槽电压测定装置7分别测定料液的密度以及电解-电渗析池阴、阳两极间的槽电压，并将测定值传送给计算机11，计算机利用计算软件计算出料液的浓度数据。
实施例
依照图1及其原理制造了一个能够在线显示料液浓度的含碘氢碘酸的容器，容积为20L。温度调节罐容积为300mL，内部带有导热油热交换盘管，并配备压力式在线密度计。电解-电渗析池内采用杜邦公司Nafion 117质子交换膜，该膜将阴、阳极区分开，阴、阳两电极的极间距为2mm，电解-电渗析池的有效交换面积为25cm2。另外配有恒电流直流电源，槽电压测定所用的电压表，料液输送蠕动泵以及输送管线。输送管线和电解-电渗析池配有控温装置。上述压力式在线密度计和槽电压测定电压表与上位计算机相连。
在使用上述容器前，配制一系列具有梯度浓度分布的含碘氢碘酸标准样品，测定其在常压、80℃条件下的密度值；在恒电流条件下，测定上述各标准样品流经上述电解-电渗析池时的槽电压值，具体来说，取某一标准样品，在常压、80℃条件下以按照56mL/min的流速输入至前述电解-电渗析池中，该池体温度同样控制为80℃，料液依次流过阳极区和阴极区，此过程中施加恒定的电流强度2.50A，由电压表得到相应的槽电压值。
将所获得的各标准样品的浓度值、密度值，槽电压值进行数学拟合，得到其数学关系式。
以摩尔比HI：I2：H2O＝1:0.5～3.0:5.0～11.0浓度范围为例，所得数学关系式为：
ρ＝2.8536+0.61716*x-0.23535*y-0.0754*x2+0.0089*y2
u＝0.5656+0.08315*x-0.11432*y-0.00467*x2+0.00655*y2-0.00547*x*y
其中，ρ为含碘氢碘酸在80℃下的密度值(单位g/mL)，u为前述条件下含碘氢碘酸料液流经恒电流电解-电渗析池时的槽电压值(单位V)，x代表I2对HI的摩尔比值；y代表H2O对HI的摩尔比值。根据上述关系式，一旦获取ρ和u值，即可计算出x、y的值，也就可计算出HI、I2和H2O各自的摩尔分数，即浓度数据。
上位计算机中装有依靠ρ、u和上述两个数学关系式求解x、y的计算机软件。
采用上述含碘氢碘酸容器存储含碘氢碘酸料液，含碘氢碘酸料液在输送泵作用下以56mL/min的速率由罐体输送至温度调节罐，将料液温度调节至80℃，所配备的压力式在线密度计实时测定料液的密度，而后料液依次流经电解-电渗析池的阳极区和阴极区，并返回至罐体1中。在此过程中恒电流直流电源保持恒定的2.50A电流强度输出，恒电流电解-电渗析装置中各部件的温度均控制为80℃，且料液密度测定装置和槽电压测定装置分别测定料液的密度以及电解-电渗析池阴、阳两极间的槽电压，并将测定值传送给上位计算机，上位计算机计算出料液的浓度数据。
应用例
将1#含碘氢碘酸料液放入上述容器中，计算机依据接收到密度和料液流经恒电流电解-电渗析池时的槽电压值后，给出了料液的浓度信息，通过手工取样进行化学滴定，测出料液浓度作为对比值。向容器中加入一定量的水和碘并搅拌均匀，标记此时的料液为2#，同样由计算机给出料液的浓度信息，并手工取样进行化学滴定，测出料液浓度作为对比值。继续向容器中加入一定量的水和碘并搅拌均匀，标记此时料液为3#，由上位计算机给出料液的浓度信息，并手工取样进行化学滴定，测出料液浓度作为对比值。以上各料液的浓度信息如下表所列，可见利用本发明的容器，能够较为准确地实时监控所存储料液的浓度。
Claims (3)
1.一种对含碘氢碘酸料液的浓度进行在线显示的容器，其特征在于：所述容器含有罐体(1)、料液密度测定装置(2)、恒电流电解-电渗析装置和含有计算软件的计算机(11)；所述的恒电流电解-电渗析装置包括电解-电渗析池、槽电压测定装置(7)、温度调节罐(8)以及料液输送管路(9)、恒电流直流电源(6)以及设置在料液输送管路上的输送泵(10)；所述的电解-电渗析池被选择性质子交换膜(3)隔成电解-电渗析池阴极区(4)和电解-电渗析池阳极区(5)；所述料液密度测定装置(2)设置在温度调节罐(8)上，料液密度测定装置(2)和槽电压测定装置(7)通过数据线与计算机(11)相连；输送泵(10)将罐体中的含碘氢碘酸料液经料液输送管路(9)依次输送至温度调节罐(8)、电解-电渗析池阴极区(4)和电解-电渗析池阳极区(5)，然后返回至罐体(1)中；料液密度测定装置(2)和槽电压测定装置(7)分别测定料液的密度以及电解-电渗析池阴、阳两极间的槽电压，并将测定值传送给计算机(11)，计算机利用储存在内的计算软件计算出料液的浓度并实时进行显示。
2.如权利要求1所述的一种对含碘氢碘酸料液的浓度进行在线显示的容器，其特征在于：所述的料液密度测定装置采用静压式密度计、放射性同位素密度计或振动式密度计。
3.如权利要求1所述的一种对含碘氢碘酸料液的浓度进行在线显示的容器，其特征在于：所述的输送泵(10)设置在罐体(1)和温度调节罐(8)之间的料液输送管路上，或设置在温度调节罐与电解-电渗析池阴极区(4)之间的料液输送管路上，或设置在电解-电渗析池阳极区(5)与罐体之间的料液输送管路上。
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