第6部分 过程成分分析技术(新)

第6部分过程成分分析技术6.1概述6.2热导式气体分析仪6.3磁性氧量分析仪6.4氧化锆氧量分析仪6.5红外线气体分析仪6.6气相色谱仪6.7过程物性测量分析技术6.8应用实例检测技术与仪表6.1概述6.1.1过程成分分析的作用检定或测量物质的组成和特性,研究物质的结构。温度、压力、流量等测量和控制—间接；成分分析—直接测量和控制：随时监视物料（原料、半成品、成品）成分及其含量；成分分析,提高和保证产品质量、降低原材料消耗、提高劳动生产率。6.1概述成分分析主要应用于：〈1〉工艺监督分析生产过程的有关物质成份；及时地控制和调节；稳定生产和提高生产效率。例：连续测量进入氨合成塔气体的组成,及时调节氢和氮的含量,使之保持最佳比值,获得最佳的氨合成率,提高产氨量。〈2〉节约能源用于监视燃烧过程，降低能耗，节约燃料。例：实时分析烟气成分〈二氧化碳和氧的含量〉，判断燃烧状况，使系统经济运行。6.1概述〈3〉污染监测监视排放物，防止有害成分超标。例：化工生产中排放出来的污水、残渣、烟气对大气、水源和农田等都会造成污染,所以有必要对排放物及时进行分析和处理。〈4〉安全生产确保生产安全和防止设备事故。例：锅炉给水和蒸汽中含盐量及二氧化硅等，会形成水垢和腐蚀设备，造成受热面过热、降低强度引起不安全问题，需对锅炉给水或蒸汽中的盐量、二氧化硅等进行分析，确保锅炉的安全运行。6.1.2过程成分分析仪的类型有：实验室和工业用两种。实验室用：人工取样,间断分析，结果较准确；工业用：完全自动分析，精度略低。按测量原理来分：（1）电化学式：如电导式、电位式等；（2）热学式：如热导式气体分析仪等；（3）磁学式：如磁性氧量分析仪；核磁共振波谱仪等；（4）光学式：如吸收式、发射式光学分析仪等；（5）射线式：如X射线分析仪，γ射线分析仪等；（6）传质式：如色谱分析仪；（7）电子光学及离子光学式：如质谱仪等；（8）物性分析：如水分仪、湿度计、密度计、酸度计等。6.1概述自动取样，连续分析6.1概述按所测参数：气体分析仪；物性分析仪。6.1.3过程成分分析测量系统的组成4个基本组成部分：1、取样及预处理系统功能：取出有代表性的介质样品并作必要的预处理。例：对烟尘量很大的样品采用水洗出去杂质、过滤腐蚀性气体。6.1概述2、检测器检测器〈也称发送器、传感器〉：把成分或物质性质变换为电信号。3、测量及信号处理系统作用：转换、放大、线性化、变换为统一信号和数字信号等；并不失真地送显示。4、显示装置显示分析结果（模拟显示、数字显示和图象显示）。气体体积百分含量与气体导热系数λ有关。1、原理热量传递：导热换热、对流换热和辐射换热。由分子振动引起，物体密度不同，导热换热能力也不同。用傅立叶定理来描述：1.6tSxTQ可知：物体间导热换热量△Q的大小与：两物体间接触面积△S、接触时间△t、沿热传导方向上的温度梯度△T/△x、物体的导热系数λ成正比；负号表示热量从高温传向低温。6.2热导式气体分析仪金属强于非金属，固体强于流体和气体，气体导热能力最弱工程上用相对导热系数：各种气体的导热系数与相同条件下空气导热系数的比值—该气体的相对导热系数（简称导热系数）。气体的导热系数随温度的升高而增大；也会随气体压力变化而变化；常压下，压力变化不大时，导热系数无明显变化。部分气体的相对导热系数如表6.1。6.2热导式气体分析仪气体密度不同6.2热导式气体分析仪从表中可知：氢气（H2）的导热系数特别大（是一般气体的7倍多）；CO2、SO2、Ar等气体的导热系数比一般气体要小；多数无机气体的导热系数与空气相近，近似为1；热导式气体分析器可分析混合气体中H2、CO2、SO2、NH3和Ar等气体的含量或它们中杂质含量。用热导式气体分析仪测量需考虑的因素：①多组分混合气体平均导热系数λm如何确定？②λm与被测组分的浓度Ci间有怎样的关系？③这种函数关系的确定有何先决条件？6.2热导式气体分析仪彼此间不起化学反应的多组分混合气体，平均导热系数λm可近似用叠加法计算，即2.61niiimCλm—混合气体的平均导热系数；λi—第i组分气体的导热系数；Ci—第i组分气体的体积百分比含量。设待测组分i＝1，体积百分比含量C1。若背景气体的导热系数基本相同，即：λ2≈λ3≈…≈λn，又有C1+C2+…+Cn＝1则：3.6)()1()(1212121132211CCCCCCCnm除待测组分外的其余气体6.2热导式气体分析仪上式表明：待测组分浓度C1与多组分混合气体平均导热系数λm有关。λm与C1要为单质函数，应满足：①背景气体的导热系数要基本相同（即λ2≈λ3≈…≈λn，近似程度越高，仪器的测量精度就越高。若有个别气体的λ值与其它背景气体相差较远，则为干扰成分，分析前要去除）。②待测气体的导热系数λ1和背景气体的导热系数λ2有较大差别，即d（λm/C1）＝λ1－λ2≠0，差别越大，灵敏度越高。用热导式气体分析器测H2含量时灵敏度最高。6.2热导式气体分析仪2、热导池的原理和结构热导池（分析器的核心）：把多组分混合气体的平均导热系数λm的大小转化为电阻值的变化。图6.1。金属圆柱形腔体中，垂直悬挂一铂丝热敏电阻；电阻的有效长度为l，半径为rn，0℃时的电阻值R0；热导池腔体内半径为rc；热敏电阻通电流I，在电流作用下有一平衡温度tn；热导池腔体采取恒温措施，设其壁温为tc。6.2热导式气体分析仪流量恒定且很小的被测气体从下往上流；恒定电流I产生的热量向四周散发；主要以气体导热换热的方式沿气室壁传出。如测氢气含量，氢气含量，λm，电阻丝产生的热量通过气样传导到热导池壁的热量，电阻丝的平衡温度tn，电阻值Rn。测热丝阻值Rn来测量（氢）气的含量；单位时间内从电阻丝传给热导池中被测气体的热量Q1：4.61n)(21nccnmrrttlQ流速极小，忽略直接带走的热量6.2热导式气体分析仪又知电阻丝的发热量：5.624.022nRIQ热平衡时，有Q1＝Q2：6.6ln)(224.02nccnmnrrttlRI阻值随温度变化：7.6)1(0nntRR式（6.6）代入式（6.7）：8.6)]2)/(1n24.0(1[20mnncCnRIlrrtRR6.2热导式气体分析仪，并忽略高阶无穷小量，则：)/(1n224.01ncrrlK9.61)1(2020mCnkRItRR表明：气样的平均导热系数λm与热导池在平衡温度时的热丝阻值Rn间的近似值关系。当R0、α、tc、I、k为常数时，Rn与λm成单值函数。一般，热导池结构和工作参数：l＝50~60mm，rn＝0.01~0.03mm，rc＝4~6mm，R0＝15Ω，I＝100mA，tc＝50~60℃。6.2热导式气体分析仪在热导池设计中注意：热量只能以导热换热的方式传递，∴最大限度地防止以下三种换热方式。1)对流换热：热导池直径rc很小，气样以扩散方式进入热导池，流速极慢，减小对流换热。2)电阻丝向外的辐射换热：将电阻丝和热导池壁之间的温差△t＝tn－tc限制在200℃以下。3)电阻丝沿轴向方向上的热传导：一般要求l/rn=2000~3000，使沿轴向的导热量«径向的导热量，忽略不计。6.2热导式气体分析仪电阻丝的结构及支撑方式有：弓形、V形和直线形三种。如图12.2。6.2热导式气体分析仪热导池结构可以分：直通式、对流式、扩散式和对流扩散式，如图12.3（a）~（d）。6.2热导式气体分析仪直通式：图12.3（a），气室与主气路并列，之间有节流孔，气样大部从主气路通过，少部从气室通过。反应迅速，滞后小，但易受样气流量、压力波动的影响。对流式：图12.3（b），气室与主气路下端连通，不分流，气室与循环管形成一热对流回路。反应慢，滞后大，但气流波动影响小。6.2热导式气体分析仪扩散式：图12.3（c），靠扩散方式进入气室，与主气路气体有热交换。适于测质量小的气体，气体流量波动影响较小。对流扩散式：图12.3（d），在扩散式结构的基础上增加一个支气路，形成分流以减小滞后。气样先扩散到气室，后由支气路排出，避免了气样倒流，又保证气样有一定流速。综合了对流式和扩散式的优点，广泛采用的结构形式。6.2热导式气体分析仪3、测量桥路气样浓度↑↓→热导池检测器→电阻丝阻值↑↓，→电桥来测量。测量电路分：单桥测量电路和双桥测量电路。图12.4双臂串并联方式不平衡电桥（单桥）。两个工作热导池和两个参比热导池；气样依次流过两个工作池；参比池内密封固定浓度的测量下限气体。6.2热导式气体分析仪当气样中被测气体浓度为下限时，各池导热换热条件相同，电阻值相同，电桥平衡，Uo＝0V；若U0≠0V，调电位器W0，使为0V；当气样中含被测组分浓度↑，导热换热条件不同，平衡被破坏，则U0：10.6)(222ABmsmsABmsmsoURRRRURRRRU设测量室阻值变化△Rm，输出电压变化量△Uo：ABmsmsmmsmmsoURRRRRRRRRRU)()(6.2热导式气体分析仪电桥平衡时有Rs＝Rm，所以ABmsmABmmsmmsoURRRURRRRRRU2而Rm2Rs，略去分母中的△Rm得：ABsmoURRU2（6.11）四个热导池在同一块导热性能良好的铜块上，使其池壁温tc相同。池内壁和气路内壁镀镍或金，防腐。剖面形状如图12.5。6.2热导式气体分析仪双桥检测电路；克服电源波动的影响，如图12.6。6.2热导式气体分析仪双桥检测电路：测量电桥I；参比电桥Ⅱ。测量电桥I是双臂串并联型不平衡电桥；参比电桥Ⅱ：R5和R7的热导池内密封上限气样；R6和R8热导池内封下限气样；U1＝U2，为两电桥的工作电压Uab和Uef；两电桥的输出端电压分别为Ucd和Ugh。6.2热导式气体分析仪参比桥Ⅱ，R5＝R7，R6＝R8，输出一固定电压Ugh。测量桥，R2=R4固定（下限浓度）；R1、R3阻值随被测气体浓度变化，输出电压Ucd，极性和Ugh相反；Ucd、Ugh差送放大器，使可逆电机推动滑线电阻RAB滑点C左右滑动；RAB上标尺直接刻度被测气体的浓度。当为浓度下限，Ucd为零，要△U=0，UAB=Ugh，C停在标尺A处，指示下限值；当为浓度上限，Ucd＝Ugh，要△U=0，C停留在标尺B点，指示上限值；当浓度为某一中间值，要△U=0，C停在标尺中间某位置。采用差动测量方式，有效克服电源电压波动和环境温度变化带来的影响。6.2热导式气体分析仪4、热导式气体分析仪的应用及使用条件用于：①燃烧过程中，分析烟气中CO2含量；②合成氨厂中，测定循环气中H2含量；③分析硫酸及磷肥生产中SO2含量；④测定空气中H2和CO2含量及特殊气体中H2含量；⑤测量Cl2生产中含氢量，确保安全生产；⑥制氢、制氧中，测纯氢中含氧量及纯氧中含氢量；⑦有机工业生产，测碳氢化合物中H2含量等。6.2热导式气体分析仪理论上，热导式分析仪只能正确测定二元混合气体的组分含量，分析三元或以上混合气体，必须满足：①混合气体中某种组分含量基本恒定，或变化很小；②被测组分导热系数与其它各组分导热系数相差较大，且其余组分导热系数基本相同或很接近；③背景气体平均导热率保持恒定，才能正确测量。6.2热导式气体分析仪QRD-1102C型热导式氢分析器QRD-101防爆型热导式氢分析器6.3磁性氧量分析仪磁性氧量分析仪：利用氧气有比其它气体高得多的磁化率这一特性进行测量。按仪器结构不同可分：热磁式氧分析仪和磁力机械式氧分析仪。1、热磁式氧分析仪测量原理任何物质处于外磁场中均会被磁化，微观看磁化就是物质分子磁矩沿着同一方向排列。物质被磁化的程度用磁化强度M表示：M＝kH（6.12）M—磁化强度；H—外磁场强度；k—介质的磁化率。6.3磁性氧量分析仪设介质本身的磁感应强度B为：HH