Методы контроля газовой фазы NOx, CO, SOx

                САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

                                       «Методы контроля газовой фазы NOx, CO, SOx» 
 
 
 

             Выполнил студент группы :                                               

           Проверил преподаватель:                                                               
 
 
 
 
 
 

                                                                          Санкт-Петербург

                                                                                      г.

ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Приборы, измеряющие содержание (концентрацию) одного или нескольких компонентов в газовых смесях . Каждый газоанализатор предназначен для измерения концентрации только определенных компонентов на фоне конкретной газовой смеси в нормированных условиях. Наряду с использованием отдельных газоанализаторов создаются системы газового контроля, объединяющие десятки таких приборов. В большинстве случаев его работа  невозможна без ряда вспомогательных устройств, обеспечивающих создание необходимых температуры и давления, очистку газовой смеси от пыли и смол, а в ряде случаев и от некоторых мешающих измерениям компонентов и агрессивных веществ. Газоанализаторы классифицируют по принципу действия на пневматические, магнитные, электрохимические, полупроводниковые и др. Ниже излагаются физ. основы и области применения наиболее  распространенных газоанализаторов.  

Термокондуктометрические  газоанализаторы. Их действие основано на зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава. Для большинства практически важных случаев справедливо уравнение:

гдеλ  -теплопроводность смеси,λi - теплопроводность i - того компонента, Ci - eгo концентрация, n-число компонентов.  

Термокондуктометрические газоанализаторы не обладают высокой избирательностью и используются, если контролируемый компонент по теплопроводности существенно отличается от остальных, например для определения концентраций Н 2, Не, Аг, СО 2 в газовых смесях, содержащих N2, О 2 и др. Диапазон измерения - от единиц до десятков процентов по объему.  

Изменение состава  газовой смеси приводит к изменению  ее теплопроводности и, как следствие, температуры и электрического сопротивления нагреваемого током металлического или полупроводникового терморезистора, размещенного в камере, через которую пропускается смесь. При этом:

где a-конструктивный параметр камеры, R1 и 2- > сопротивление  терморезистора в случае пропускания  через него тока I при теплопроводности газовой среды соотв- и ,λ -температурный коэффециент электрического сопротивления терморезистора.

Рис. 1. Термокондуктометрические газоанализатор: 1 -источник стабилизированного напряжения; 2-вторичный прибор; R1 и R3 - рабочие терморезисторы; R2 и R4 -сравнит. терморезисторы; R0 и  потенциометры; вход и выход анализируемой газовой смеси показаны стрелками>.  

На рис. 1 приведена схема, применяемая во многих термокондуктометрических  газоанализаторов  чувствительные элементы R1 и R3 (рабочие терморезисторы) омываются анализируемой смесью; сравнит. терморезисторы 2 и R4 помещены в герметичные ячейки, заполненные сравнит. газом точно известного состава. Потенциометры 0 и  предназначены для установки нулевых показаний и регулировки диапазона измерения. Мера концентрации определяемого компонента – электрический  ток, проходящий через , который измеряется вторичным (т. е. показывающим или регистрирующим) прибором. Термокондуктометрические газоанализаторы широко применяют для контроля процессов в производстве H2SO4, NH3, HNO3, в металлургии и др.  

Термохимические газоанализаторы.

 В этих  приборах измеряют тепловой эффект хим. реакции, в которой участвует определяемый компонент. В большинстве случаев используется окисление компонента кислородом воздуха; катализаторы - марганцевомедный (гопкалит) или мелкодисперсная Pt, нанесенная на поверхность пористого носителя. Изменение температуры при окислении измеряют с помощью металлической или полупроводникового терморезистора. В ряде случаев поверхность платинового терморезистора используют как катализатор. Величина связана с числом молей мокислившегося компонента и тепловым эффектом соотношением: , где k-коэф., учитывающий потери тепла, зависящие от конструкции прибора.  

Схема (рис. 2) включает измерит. мост с постоянными резисторами (1 > и 4 )и двумя терморезисторами, один из которых (2 )находится в атмосфере сравнит. газа, а второй (3 )омывается потоком анализируемого газа. Напряжение U вых в диагонали моста пропорционально концентрации определяемого компонента. Для устойчивой работы газоанализатора  исключают влияние температуры среды (термостатированием или термокомпенсацией), стабилизируют напряжение, поддерживают постоянным расход газа, очищают его от примесей, отравляющих катализатор (С12, НС1, H2S, SO2 и др.).

Рис. 2. Термохимический  газоанализатор: 1- источник стабилизированного напряжения; 2-вторичный прибор; R1 и R4 - постоянные резисторы; R2 и R3 -соответсвенно, сравнительный и рабочий терморезисторы>.  

Большинство термохимических  используют в качестве газосигнализаторов горючих газов и паров (Н 2, углеводороды и др.) в воздухе при содержании 20% от их ниж. КПВ, а также при электролизе воды для определения примесей водорода в кислороде (диапазон измерения 0,02-2%) и кислорода в водороде (0,01-1%).  

Магнитные газоанализаторы.

Применяют для  определения О 2. Их действие основано на зависимости магнитной восприимчивости газовой смеси от концентрации О 2, объемная магнитная восприимчивость которого на два порядка больше, чем у большинства остальных газов. Такие Г. позволяют избирательно определять О 2 в сложных газовых смесях. Диапазон измеряемых концентраций 10-2 - 100%. Наиб. распространены магнитомеханические и термомагнитные газоанализаторы.  

В магнитомеханических Г. (рис. 3) измеряют силы, действующие в неоднородном  магнитном  поле на помещенное в анализируемую смесь тело (обычно ротор). Сила F, выталкивающая тело из магнитного поля, определяется выражением:

где  æ -объемная магнитной восприимчивость соотв. анализируемой смеси и тела, помещенного в газ, V-объем тела, H-напряженность магн. поля. Обычно мерой концентрации компонента служит вращающий момент, находимый по углу поворота ротора. Показания магнитомеханических газоанализаторов  определяются магнитными  свойствами анализируемой газовой смеси и зависят от температуры и давления, поскольку последние влияют на объемную магнитную восприимчивость газа.  

Более точны  газоанализаторы, выполненные по компенсационной  схеме. В них момент вращения ротора, функционально связанный с концентрацией О 2 в анализируемой смеси, уравновешивается известным моментом, для создания которого используются магнитоэлектрическую  или электростатическую системы. Роторные газоанализаторы ненадежны в промышленных условиях, их сложно юстировать.

Рис. 3. Магнитные газоанализатор: 1-ротор; 2-полюсы магнита; 3-растяжка; 4-зеркальце; 5-осветитель; 6-шкала вторичного прибора.  
 

Термомагнитные  газоанализаторы.

Действие термомагнитных  газоанализаторов  основано на термомагнитной конвекции газовой смеси, содержащей О 2, в неоднородных магнитном и температурном полях. Часто применяют приборы с кольцевой камерой (рис. 4), которая представляет собой полое металлическое кольцо. Вдоль его диаметра установлена тонкостенная стеклянная трубка, на которую намотана платиновая спираль, нагреваемая электрическим током. Спираль состоит из двух секций - R1 и 2, > первая из которых помещается между полюсами магнита. При наличии в газовой смеси О 2 часть потока направляется через диаметральный канал, охлаждая первую секцию платиновой спирали и отдавая часть тепла второй. Изменение сопротивлений 1 и 2 вызывает изменение выходного напряжения U, пропорциональное содержанию О 2 в анализируемой смеси.

Рис. 4. Термомагнитные газоанализатор: 1 -кольцевая камера; 2-стеклянная трубка; 3-постоянный магнит; 4-источник стабилизированное напряжения; 5-вторичный прибор; Rt и R2 -соотв. рабочий и сравнит. терморезисторы (секции платиновой спирали); R3 и R4 -постоянные резисторы>.  

Пневматические  газоанализаторы.

Их действие основано на зависимости плотности  и вязкости газовой смеси от ее состава. Изменения плотности и  вязкости определяют измеряя гидромеханические параметры потока. Распространены пневматические газоанализаторы трех типов.  

Газоанализаторы с дроссельными преобразователями измеряют гидравлическое сопротивление дросселя (капилляра) при пропускании через него анализируемого газа. При постоянном расходе газа перепад давления на дросселе - функция плотности (турбулентный дроссель), вязкости (ламинарный дроссель) или того и другого параметра одновременно.

Струйные  газоанализаторы.

Струйные газоанализаторы  измеряют динамический напор струи газа, вытекающего из сопла. Содержат два струйных элемента типа "сопло-приемный канал" (рис. 5). Для подачи анализируемого и сравнит. газов служит эжектор 2. Давление на выходе из элементов поддерживается регулятором 4. Равенство давлений газов на входе в элементы обеспечивается соединит. каналом 5 и настройкой вентиля 6. Разница динамических давлений (напоров), воспринимаемых трубками 1б,- функция отношения  и мера концентрации определяемого компонента газовой смеси. Струйные Г. используют, напр., в азотной пром-сти для измерения содержания Н 2 в азоте (диапазон измерения 0-50%), в хлорной пром-сти - для определения С12 (0-50 и 50-100%). Время установления показаний этих газоанализаторов  не превышает нескольких секунд, поэтому их применяют также в газосигнализаторах довзрывных концентраций газов и паров некоторых веществ (напр., дихлорэтана, винилхлорида) в воздухе промышленных помещений.

Рис. 5. Пневматический струйный газоанализатор: 1 - элемент "сопло-приемный канал"; 1а-сопло; 1б-приемная трубка; 2-эжсктор; 3-вторичный прибор; 4 -регулятор давления; 5 -соединит, канал; 6-вентиль.

Пневмоакустические газоанализаторы.

Пневмоакустические газоанализаторы содержат два свистка (рис. 6) с близкими частотами (3-5 кГц), через один из которых проходит анализируемый газ, через второй - сравнительный. Частота биений звуковых колебаний в смесителе частот зависит от плотности анализируемого газа. Биения (частота до 120 Гц) усиливаются и преобразуются в пневматические колебания усилителем. Для получения выходного сигнала (давления) служит частотно-аналоговый преобразователь.

Рис. 6. Пневмоакустические газоанализатор: 1 -свисток; 2-смеситель частот; 3 - усилитель - преобразователь ; 4 - частотно-аналоговый преобразователь; 5-вторичный прибор.  

Пневматические  газоанализаторы  не обладают высокой избирательностью. Они пригодны для анализа смесей, в которых изменяется концентрация только одного из компонентов, а соотношение между концентрациями других остается постоянным. Диапазон измерения - от единиц до десятков процентов. Пневматические газоанализаторы  не содержат электрических элементов и поэтому могут использоваться в помещениях любой категории пожаро- и взрывоопасности. Элементы схемы, контактирующие с газами, выполнены из стекла и фторопласта, что позволяет анализировать весьма агрессивные газы (хлор-, серосодержащие и др.).  

Инфракрасные  газоанализаторы.

 Их действие  основано на избирательном  поглощении молекулами газов и паров ИК-излучения в диапазоне 1-15 мкм. Это излучение поглощают все газы, молекулы которых состоят не менее чем из двух различных атомов. Высокая специфичность молекулярных спектров поглощения различных газов обусловливает высокую избирательность таких газоанализаторов. И их широкое применение в лабораториях и промышленности. Диапазон измеряемых концентраций 10-3 -100%. В дисперсионных газоанализаторов используют излучение одной длины волны, полученное с помощью монохроматоров (призмы, дифракционной решетки). В недисперсионных газоанализаторов, благодаря особенностям оптической схемы прибора (применению светофильтров, спец. приемников излучения и т. д.), используют немонохроматические излучение. В качестве примера на рис. 7 приведена Наиб. распространенная схема такого газоанализатора. Излучение от источника последовательно проходит через светофильтр и рабочую кювету, в которую подается анализируемая смесь, и попадает в спец. приемник. Если в анализируемой смеси присутствует определяемый компонент, то в зависимости от концентрации он поглощает часть излучения, и регистрируемый сигнал пропорционально изменяется. Источником излучения обычно служит нагретая спираль с широким спектром излучения, реже - ИК-лазер или светодиод, испускающие излучение в узкой области спектра. Если используется источник немонохроматичского излучения, избирательность определения достигается с помощью селективного приемника.

Рис. 7. Недисперсионный инфракрасный газоанализатор: 1-источник излучения; 2-светофильтр; 3-модулятор; 4 и 4'-соотв. рабочая и сравнит. (внизу) кюветы; 5-приемник излучения; 6-усилитель; 7-вторичный прибор.  

Наиболее распространены газоанализаторы с газонаполненным оптико-акустическим приемником. Последний представляет собой герметичную камеру с окном, заполненную именно тем газом, содержание которого нужно измерить. Этот газ, поглощая из потока излучения определенную часть с характерным для данного газа набором спектральных линий, нагревается, вследствие чего давление в камере увеличивается. Посредством мех. модулятора поток излучения прерывается с определённой частотой. В результате с этой же частотой пульсирует давление газа в приемнике. Амплитуда пульсации давления - мера интенсивности поглощенного газом излучения, зависящая от того, какая часть характерного излучения поглощается тем же газом в рабочей кювете. Др. компоненты смеси излучение на этих длинах волн не поглощают. Т. обр., амплитуда пульсации давления в приемнике излучения - мера кол-ва определяемого компонента в анализируемой смеси, проходящей через рабочую кювету. Изменение давления измеряют обычно конденсаторным микрофоном или микроанемометром (датчиком расхода газа). Заменяя газ в приемнике излучения оптико-акустического  газоанализатора, можно избирательно измерять содержание различного компонентов смесей.  

В инфракрасных газоанализаторах используют также неселективные приемники излучения - болометры, термобатареи, полупроводниковые элементы. Тогда в случае источников с широким спектром излучения избирательность определения обеспечивают применением интерференционных и газовых фильтров. Для повышения точности и стабильности измерения часть потока излучения обычно пропускают через сравнит. кювету, заполненную газом, не поглощающим регистрируемое излучение, и измеряют разность или отношение сигналов, полученных в результате прохождения излучения через рабочую и сравнит. кюветы.  

Инфракрасные  газоанализаторы  широко используют для контроля качества продукции, анализа отходящих газов, воздуха помещений. С их помощью определяют, напр., СО, СО 2, NH3, СН 4 в технологии  газах производства синтетического аммиака, пары ряда р-рителей в воздухе промышленных  помещений, оксиды азота, SO2, СО и углеводороды в выхлопных газах автомобилей и т. д.  

Ультрафиолетовые  газоанализаторы. Принцип их действия основан на избирательном поглощении молекулами газов и паров излучения в диапазоне 200-450 нм. Избирательность определения одноатомных газов весьма велика. Двух- и многоатомные газы имеют в УФ-области сплошной спектр поглощения, что снижает избирательность их определения. Однако отсутствие УФ-спектра поглощения у N2, O2, СО 2 и паров воды позволяет во многих практически важных случаях проводить достаточно селективные измерения в присутствии этих компонентов. Диапазон определяемых концентраций обычно 10-2-100% (для паров Hg ниж. граница диапазона 2,5-10-6%).  

Схема ультрафиолетового  газоанализатора  аналогична схеме, приведенной на рис. 7. Имеются также приборы с двумя детекторами излучения без модулятора, в которых световые потокине прерываются. В качестве источников излучения обычно применяют ртутные лампы низкого (= 253,7 нм) и высокого (спектр с большим набором линий) давлений, газоразрядные лампы с парами др. металлов (=280, 310 и 360 нм), лампы накаливания с вольфрамовой нитью, водородные и дейтериевые газоразрядные лампы. Приемники излучения - фотоэлементы и фотоумножители. При использовании неселективного источника излучения избирательность измерения в большинстве приборов обеспечивают с помощью оптического фильтров (стеклянных или интерференционных).  

Ультрафиолетовые  Г. применяют гл. обр. для автоматического контроля содержания С12, О 3, SO2, NO2, H2S, C1O2, дихлорэтана, в частности в выбросах промышленных предприятий, а также для обнаружения паров Hg, реже Ni (СО)4, в воздухе промышленных помещений.  

Люминесцентные  газоанализаторы.

 В хемилюминесцентных . измеряют интенсивность люминесценции, возбужденной благодаря хим. реакции контролируемого компонента с реагентом в твердой, жидкой или газообразной фазе. Пример – взаимодействие NO с О 3, используемое для определения оксидов азота:  

N0 + 03 -> N02+ + 02 -> N02 + hv + 02  

Схема хемилюминесцентного газоанализаторы с газообразным реагентом представлена на рис. 8. Анализируемая смесь и реагент через дроссели поступают в реакционную камеру. Побудитель расхода (насос) обеспечивает необходимое давление в камере. При наличии в смеси определяемого компонента излучение, сопровождающее хемилюминесцентную реакцию, через светофильтр подается на катод фотоумножителя, который расположен в непосредственном близости к реакционной  камере. Электрический сигнал с фотоумножителя, пропорциональный концентрации контролируемого компонента, после усиления поступает на вторичный прибор. При измерении слабых световых потоков, возникающих при малых концентрациях определяемого компонента, фотокатод охлаждают электрический микрохолодильниками с целью уменьшения темнового (фонового) тока.

Рис. 8. Хемилюминесцентный газоанализатор: 1-рсакц. камера; 2-светофильтр; 3 - фотоумножитель; 4-вторичный прибор; 5-побудитель расхода газа; 6-дроссели.  

Для измерения  содержания NO2 в приборе предусмотрен конвертер, где NO2 превращается в NO, после  чего анализируемая смесь направляется в реакционную камеру. При этом выходной сигнал пропорционален суммарному содержанию NO и NO2. Если же смесь поступает, минуя конвертер, то по выходному сигналу находят концентрацию только NO. По разности этих сигналов судят о содержании NO 2 в смеси.  

Высокая избирательность хемилюминесцентных газоанализаторов обусловлена специфичностью выбранной реакции, однако сопутствующие компоненты в смеси могут изменять чувствительность прибора. Такие газоанализаторы применяют для определения NO, NO2, NH3, O3 в воздухе в диапазоне 10-7-1%.  

В флуоресцентных газоанализаторах измеряют интенсивность флуоресценции (длина волны ), возникающей при воздействии на контролируемый компонент УФ-излучения (с частотой v1).