Giáo trình Kiểm nhiệt tự động hóa - Phân tích khí

Ch−ơng 5 Phân tích khí 5.1. Khái niệm và ph−ơng pháp phân tích 5.1.1. Khái niệm Trong luyện kim, nhiều quá trình công nghệ đ−ợc tiến hành trong môi tr−ờng khí mà thành phần của chúng ảnh h−ởng lớn đến hiệu quả quá trình và chất l−ợng sản phẩm. Phân tích khí nhằm xác định thành phần của một hay một số chất trong hỗn hợp khí tác động lớn tới quá trình, các thành phần khí cần phân tích th−ờng là O2, CO, SO2, CO2, H2, … 5.1.2. Ph−ơng pháp phân tích Để phân tích khí có thể dùng nhiều ph−ơng pháp khác nhau, có thể phân thành ba nhóm: + Phân tích hóa học. + Phân tích điện. + Phân tích quang phổ. Ph−ơng pháp phân tích hóa học có −u điểm là cho kết quả chính xác nh−ng thời gian phân tích lâu, dụng cụ cồng kềnh và dễ vỡ, th−ờng chỉ áp dụng tr−ờng hợp đòi hỏi kết quả phân tích chính xác cao. Ph−ơng pháp phân tích điện, tuy cho kết quả chính xác thấp nh−ng thời gian phân tích nhanh đáp ứng kịp thời yêu cầu công nghệ. Trong ch−ơng này chủ yếu trình bày các ph−ơng pháp ứng dụng nhiều trong công nghiệp nh− ph−ơng pháp phân tích điện và phân tích quang phổ. 5.2. Ph−ơng pháp phân tích điện Ph−ơng pháp phân tích điện bao gồm: phân tích theo độ dẫn nhiệt, theo độ từ thẩm, theo khả năng hấp thụ bức xạ ánh sáng… của chất khí cần phân tích. 5.2.1. Phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí Ph−ơng pháp phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí dựa vào sự khác nhau về độ dẫn nhiệt của các chất khí. Một chất khí ở điều kiện nhất định có một độ dẫn nhiệt nhất định và độ dẫn nhiệt của hỗn hợp phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của các cấu tử. Bảng 5.1 cho độ dẫn nhiệt t−ơng đối của một số chất khí so với không khí. Ph−ơng pháp này th−ờng dùng để phân tích khí CO2, đôi khi dùng để phân tích khí SO2. - 78 - Bảng 5.1. Độ dẫn nhiệt t−ơng đối của các chất khí Chất khí Không khí O2 CO2 SO2 CO H2 CH4 Hơi n−ớc λ/λkk 1 1,01 0,6 0,34 0,96 7,0 1,27 1,3 Thiết bị phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí có bộ phận cơ bản là một buồng đo có dạng hình trụ bên trong căng một sợi dây bạch kim (hình 5.1). 1 2 D d Hình 5.1 Thiết bị đo khí theo độ dẫn nhiệt 1) Buồng đo 2) Dây bạch kim Khi cho dòng không khí chuyển động chậm đi qua buồng đo, cấp điện để nung nóng dây bạch kim sao cho nhiệt độ dây , khi đó nhiệt độ thành buồng đo là t C100t od = b. Khi phân tích, cho dòng khí cần phân tích chuyển động qua buồng đo, do độ dẫn nhiệt của khí cần phân tích khác không khí nên nhiệt độ dây bạch kim thay đổi. Căn cứ độ sai lệch của nhiệt độ dây có thể xác định đ−ợc thành phần khí phân tích. Độ dẫn nhiệt của khí xác định theo công thức: t.l.2 d D ln.Q ∆π=λ (5.1) Trong đó: D - đ−ờng kíng buồng đo. d - đ−ờng kính dây bạch kim. l - chiều dài dây. t∆ - độ chênh lệch giữa nhiệt độ dây và nhiệt độ thành bình: bd ttt −=∆ (5.2) Loại bỏ các đại l−ợng ổn định ta có quan hệ )t(f d=λ . - 79 - Từ (5.1) và (5.2) ta có: bd tl2 d D lnQ t +λπ= (5.3) Khi nhiệt độ dây thay đổi (th−ờng trong phạm vi ±5oC) thì điện trở của dây Rd thay đổi theo, để đo nhiệt độ dây ng−ời ta dùng cầu cân bằng (hình 5.2). Cầu cân bằng gồm hai điện trở so sánh R4 và R2, các điện trở R1 và R3 là hai buồng đo. Điện trở Rp là điện trở điều chỉnh dòng đi qua các biến trở, R0 là điện trở điều chỉnh điểm 0. R0 R4 R2 R3 R1 Rp E G Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống phân tích khí CO2 Ph−ơng pháp này th−ờng dùng phân tích khí CO2, giới hạn đo 0 - 20 % CO2. 5.2.2. Phân tích theo sự cháy của cấu tử cần phân tích Ph−ơng pháp phân tích khí theo sự cháy của cấu tử cần phân tích đ−ợc dùng để phân tích tổng l−ợng khí (CO + H2). Sơ đồ nguyên lý của thiết bị trình bày trên hình 5.3. ở đây R3 là buồng đo có dây bạch kim đ−ợc nung nóng lên tới nhiệt độ 300 - 400oC. mA R0 R4 R2 R3 R1 Rp E G Hình 5.3 Sơ đồ hệ thống đo hỗn hợp khí CO + H2 - 80 - Nguyên lý hoạt động: Khí cần phân tích đ−ợc dẫn qua buồng đo R3, nhờ xúc tác bạch kim, xẩy ra phản ứng: CO + H2 + O2 → CO2 + H2O + Q Nếu hàm l−ợng (CO + H2) thay đổi 1% thì nhiệt độ dây thay đổi 125 - 150oC. Thiết bị phân tích khí loại này cho kết quả chính xác không cao, sai số th−ờng > 2,5%. 5.2.3. Phân tích khí theo độ từ thẩm của khí Ph−ơng pháp phân tích khí theo độ từ thẩm của khí dựa trên tính chất từ của các loại khí. Chất khí nào có độ từ thẩm lớn sẽ bị nam châm hút, còn chất khí nào có độ từ thẩm thấp không chịu tác động của từ tr−ờng. Ph−ơng pháp này th−ờng dùng để phân tích thành phần oxy trong hỗn hợp. Bảng 5.2 Độ từ thẩm của chất khí (à) . Khí O2 NO K.khí NO2 C2H2 He H2 N2 Cl2 CO à 192 60,0 30,8 9 1 -0,0083 -0,164 -0,154 -0,6 0,84 Sơ đồ thiết bị phân tích trình bày trên hình 5.4a. Uc ∼ 0,8V Us Rk R R6 R7 R1 R2 ∼ 20V ĐC 2 1 R6 R7 34 A a) b) Hình 5.4 Sơ đồ thiết bị phân tích khí theo độ từ thẩm 1) Sơ đồ cấu tạo buồng đo b) Sơ đồ hệ thống đo Thiết bị đo gồm buồng đo hình tang trống (1) có hai cửa, cửa trên để dẫn khí vào, cửa d−ới để dẫn khí ra. Trong buồng đo bố trí màn chắn (2), điện trở R6 và R7 - 81 - bằng dây bạch kim, nam châm (3) và cực từ giả (4) có hình dáng giống với nam châm (3) nhằm tạo ra sự đối xứng về truyền nhiệt. Nguyên lý hoạt động: dòng khí cần phân tích đ−ợc dẫn vào buồng đo bị tấm chắn (2) tách thành hai dòng. Dòng khí bên trái không chịu tác động của nam châm đi dọc thành buồng đo tới cửa ra. Dòng khí bên phải chịu lực hút của nam châm (3) đi qua điện trở R6 đã đ−ợc nung nóng sau đó tới cửa ra. Do dòng khí lạnh liên tục đi qua, nhiệt độ điện trở R6 giảm. Căn cứ vào độ chênh nhiệt độ của điện trở R6 và R7 có thể xác định đ−ợc thành phần của khí cần phân tích. Để đo độ chênh nhiệt độ dây sử dụng hệ thống đo có sơ đồ nh− hình 5.4b. Phần (A) là buồng đo, R là biến trở đo, K là bộ khuếch đại, (ĐC) là động cơ xoay chiều liên kết động với kim chỉ và con chạy của biến trở đo R. Các điện trở R6 và R7 của buồng đo đ−ợc nung nóng từ nguồn điện ∼20V. Khi ch−a cho dòng khí đi qua, nhiệt độ của hai điện trở R6 và R7 bằng nhau do đó điện trở của chúng bằng nhau, điều chỉnh R để cho . Khi đó cs UU = 0UUU cs =−=∆ , động cơ (ĐC) đứng yên và kim chỉ chỉ 0. Khi cho dòng khí đi qua, nhiệt độ của điện trở R6 giảm xuống, Uc thay đổi và ⇒ Sc UU ≠ 0UUU cs ≠−=∆ , chênh áp qua khuếch đại (K) cấp điện cho động cơ (ĐC), động cơ quay kim chỉ và dịch con chạy của biến trở (R) cho đến khi . cs UU = Độ chính xác của kết quả phân tích phụ thuộc vào khoảng hàm l−ợng oxy, trong khoảng từ 0 - 10% hoặc từ 0 - 21% sai số ±0,5%O2, còn trong khoảng từ 0 - 100% sai số ±1,25%O2. 5.2.4. Phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ Phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ dựa trên hiện t−ợng hấp thụ có chọn lọc các tia bức xạ của các chất khí, đặc biệt là bức xạ hồng ngoại. Ph−ơng pháp này chủ yếu dùng phân tích khí CO2. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị trình bày trên hình 5.5. Nguyên lý hoạt động: khi phân tích, dây điện trở (3) đ−ợc nung nóng đến nhiệt độ 700 - 800oC để tạo ra ánh sáng đỏ, đĩa (5) trên đó có các lỗ trống quay với vận tốc n = 6 vòng/s. Luồng bức xạ gồm các bức xạ mà tất cả các chất khí không cần phân tích hấp thụ (ký hiệu bằng mũi tên tô đậm) và các bức xạ chỉ bị chất khí phân tích hấp thụ (ký hiệu bằng mũi tên không tô đậm) qua g−ơng cầu (4) và các lỗ trống - 82 - của đĩa quay tạo ra xung ánh sáng đi xuống các buồng chứa khí. Khi đi qua các bình chứa khí do bình chế tạo bằng florin nên hầu nh− bình không hấp thụ ánh sánh đỏ. Luồng bức xạ bên trái đi qua buồng (8) chứa không khí sạch nên không bị hấp thụ, luồng bức xạ bên phải đi qua buồng (9) chứa chất khí phân tích một phần bức xạ bị hấp thụ. Khi đi qua buồng (10) tất cả bức xạ mà các chất khí không cần phần tích hấp thụ sẽ bị hấp thụ hoàn toàn. Nh− vậy sau khi đi qua buồng (10) luồng bức xạ bên trái và bên phải chỉ còn những bức xạ mà chất khí phân tích hấp thụ nh−ng c−ờng độ khác nhau. Nhờ hệ thống g−ơng phản xạ hai luồng bức xạ trên đ−ợc h−ớng vào hai mặt của một micrôvôn, do năng l−ợng bức xạ của hai luồng khác nhau nên tạo ra tín hiệu sai lệch. Tín hiệu sai lệch sau khi đ−ợc khuếch đại nhờ bộ khuếch đại (13) làm dịch chuyển con chạy biến trở để thay đổi dòng điện cung cấp cho dây nicrôm (3)và cấp tín hiệu cho đồng hồ đo (14). Toàn bộ hệ thống đ−ợc đặt trong buồng điều nhiệt. 8 9 10 10 14 12 13 3 4 2 6 7 5 4 3 1 11 Hình 5.5 Sơ đồ thiết bị phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ 1) Nguồn điện 2) ổn áp 3) Dây điện trở nicrôm 4) G−ơng cầu 5) Đĩa quay 6) Động cơ điện 7) Chỉnh l−u cơ khí 8) Bình chứa khí sạch 9) Bình chứa khí cần phân tích 10) Bình chứa các khí không cần phân tích 11) Hệ thống g−ơng phản xạ 12) Micrôvôn 13) Bộ khuếch đại 14) Đồng hồ đo thứ cấp - 83 - 5.3. Ph−ơng pháp quang phổ định l−ợng Thiết bị phân tích khí bằng quang phổ gồm buồng ion hóa (1), buồng từ tr−ờng (3), cảm biến (5), bộ khuếch đại (6) và dụng cụ đo (7). Hai thành buồng ion hóa đ−ợc đặt d−ới một điện áp U r . R 6 7 5 42 3 1 e r4 r3 B r2 r1 E Hình 5.6 Sơ đồ thiết bị phân tích khí bằng quang phổ 1) Buồng inon hóa 2) Buồng từ tr−ờng 3&4) Khe hở 5) Cảm biến 6) Khuếch đại 7) Dụng cụ đo Nguyên lý hoạt động: khí phân tích đ−ợc chứa vào buồng (1) d−ới áp suất thấp, bị bắn phá bởi dòng điện tử (e) và bị ion hóa. D−ới tác dụng của điện tr−ờng E r do điện áp U r gây ra, các ion chất khí chuyển động về phía thành d−ới của buồng và có một luồng đi qua khe hở (2) vào buồng từ tr−ờng (3) theo quán tính. D−ới tác dụng của từ tr−ờng vuông góc (B r ), các ion chuyển động theo những quỹ đạo cong với bán kính cong (r) khác nhau, phụ thuộc vào c−ờng độ điện tr−ờng E r , c−ờng độ từ tr−ờng (B r ), cũng nh− khối l−ợng (m) và điện tích (e) của ion, trong đó m và e là hai nhân tố thuộc bản chất chất khí. Bằng cách thay đổi E r và B r ta có thể h−ớng những chùm ion khác nhau đi qua khe hở (4) tới cảm biến (5). Tín hiệu từ cảm biến (5) qua bộ khuếch đại (6) đ−ợc đ−a tới dụng cụ đo (7). - 84 -