氯堿工業(yè)

在氯堿生產(chǎn)中,氯壓機(jī)密封氣的氧含量控制至關(guān)重要。 氧氣與氯氣或氫氣接觸可能引發(fā)爆炸,因此要嚴(yán)格控制密封氣(通常為氮?dú)?中的氧含量。傳統(tǒng)的氧含量測(cè)定方法包括吸收法和氣相色譜法,這些方法存在操作復(fù)雜、成本高或響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)。 便攜式微量氧分析儀以其高精度、低成本及操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn),成為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氧含量測(cè)定的理想工具。

1　 便攜式微量氧分析儀的工作原理與結(jié)構(gòu)

1. 1　 工作原理

燃料電池法采用的傳感器系由惰性金屬電極(陰極) 、鉛電極(陽(yáng)極)和電解液構(gòu)成的封閉式化學(xué)電池。 氣體中的氧通過高分子薄膜擴(kuò)散進(jìn)入電池,在陰極氧被還原,在陽(yáng)極鉛被氧化。 電池反應(yīng)產(chǎn)生的電流即傳感器輸出信號(hào)大小與氣體中的氧含量成正比。 電池產(chǎn)生的電子由電路引出,然后進(jìn)行補(bǔ)償修正放大,即可測(cè)出被測(cè)氣體中的氧含量。 反應(yīng)式如下:

陰極　 O2 + 2H2O + 4e →4OH -;

陽(yáng)極　 2Pb + 4OH -→2PbO + 2H2O + 4e;

完整化學(xué)反應(yīng)　 O2 + 2Pb →2PbO。

1. 2　 便攜式微量氧分析儀結(jié)構(gòu)

傳感器:核心部件,常用電化學(xué)傳感器或光學(xué)傳感器,能夠快速響應(yīng)微量氧變化。

信號(hào)處理單元:將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為可讀數(shù)據(jù)。

顯示屏:實(shí)時(shí)顯示氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)。

電源模塊:支持電池供電,適合現(xiàn)場(chǎng)使用。

采樣系統(tǒng):包括采樣探頭和過濾器,確保氣體純凈。

微量氧分析儀的氣體路徑如圖 1 所示。

圖 1　 微量氧分析儀的氣體路徑

2　 傳統(tǒng)氧含量測(cè)定方法

2. 1　 吸收法

吸收法適用于分離空氣制取的氣態(tài)氮或液態(tài)氮,主要用作保護(hù)氣、置換氣、低溫儲(chǔ)藏,采用奧氏氣體分析器(見圖 2) ,利用焦性沒食子酸堿性溶液吸收法測(cè)定氧含量,將所取一定量的樣品氣在密閉的吸收瓶?jī)?nèi)與吸收液進(jìn)行反應(yīng),因氧被吸收而導(dǎo)致樣品氣體體積的減少量即為氧含量。 該方法成本低,但操作復(fù)雜,耗時(shí)長(zhǎng),且精度有限。

圖 2　 奧氏氣體分析儀一代自動(dòng)排液程序邏輯

2. 2　 氣相色譜法

氣相色譜法適用于空氣分離或經(jīng)凈化得到的主要用作保護(hù)氣、置換氣、反應(yīng)氣等的氣態(tài)或液態(tài)的純氮、高純氮和超純氮,采用帶有氧化鋯檢測(cè)器和氫火焰離子化檢測(cè)器的氣相色譜儀(圖 3 )測(cè)定氮中的氫、氧、一氧化碳、甲烷和二氧化碳。 氣相色譜法對(duì)微量氧的測(cè)定,具有高精度和高靈敏度,但設(shè)備昂貴,操作復(fù)雜,且需專業(yè)人員操作,適合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

圖 3　 氣相色譜儀工作原理

3　 便攜式微量氧分析儀的優(yōu)勢(shì)

3. 1　 氧氣傳感器精度高、響應(yīng)速度快

便攜式微量氧分析儀能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)定微量氧含量,響應(yīng)時(shí)間短,適合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 因?yàn)閿U(kuò)散到傳感器中的氧分子的速率由聚四氟乙烯膜控制,所有的擴(kuò)散過程都對(duì)溫度、壓力及相對(duì)濕度敏感。溫度特性:傳感器的信號(hào)輸出將隨溫度的變化而變化。 這個(gè)變化( 2. 5% / ℃)是相對(duì)穩(wěn)定的。 使用熱敏電阻的溫度補(bǔ)償電路以 + 5% / ℃或更高的精度抵消了這一影響,并產(chǎn)生了與溫度無關(guān)的輸出函數(shù)。 如果在相同溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)和取樣,或者在校準(zhǔn)后立即進(jìn)行測(cè)量,則沒有錯(cuò)誤。 很小的溫度變化(10 ~ 15 ℃)產(chǎn)生小于 + 1%的誤差。

圖 4　 傳感器溫度特性曲線

壓力、流量特性:便攜式微量氧分析儀的氧傳感器測(cè)量的是氧氣的分壓,它的輸出受到樣氣壓力的變化和大氣壓力變化的影響。 輸出信號(hào)與混合氣體中氧氣的分壓成線性比例關(guān)系,大氣壓力的任何變化都會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出電流的等效變化。 因此,只有在被分析的氣體總壓力沒有變化或者通過大氣壓力信號(hào)得到補(bǔ)償時(shí),分析儀的讀數(shù)才是正確的。 如果樣品壓力被控制為恒定的,那么分析儀應(yīng)該在與測(cè)量的壓力和流量相似的情況下進(jìn)行校準(zhǔn)樣品氣體。 如果使用單獨(dú)的傳感器測(cè)量壓力,那么氧濃度可以根據(jù)采樣氣體的絕對(duì)壓力計(jì)算出來。 傳感器的輸出 并不直接受樣 氣流量的影 響。 0. 028 3 ~0. 141 5 m3/ h 的流量不會(huì)引起氧讀數(shù)的顯著變化。然而, 流量超過 0. 141 5 m3/ h 可能會(huì)產(chǎn)生背壓和錯(cuò)誤的氧氣讀數(shù),為了達(dá)到最佳性能,建議氣體流量為0. 056 6 m3/ h或 1 L / min。

響應(yīng)時(shí)間:傳感器的響應(yīng)時(shí)間取決于所測(cè)量樣品氣體的濃度等諸多因素,當(dāng)氧傳感器在微量范圍內(nèi)達(dá)到平衡,那么它對(duì)氧濃度變化的響應(yīng)時(shí)間非常快。 如果將其暴露在體積分?jǐn)?shù)超過 1% 的氧氣中,可能導(dǎo)致傳感器的液體電解質(zhì)暫時(shí)飽和,需要額外的時(shí)間才能達(dá)到平衡,并再次獲得快速的響應(yīng)。

可供參考的響應(yīng)時(shí)間如下:

從 1%下降到 0. 1%時(shí),　 　 　 　 少于 180 s;

從 0. 1%下降到 0. 00l%時(shí), 少于 10 min;

從 10 × 10 - 6下降至小于 10 - 6時(shí),少于 10 h。

濕度影響:傳感器的輸出與氧氣的相對(duì)濕度成比例。 氧傳感器適用于樣品氣體相對(duì)濕度在 0 ~99%之間的非冷凝的場(chǎng)合。 除稀釋氣體外,非冷凝的濕度對(duì)傳感器的性能沒有影響。 然而,應(yīng)該注意的是,水蒸氣產(chǎn)生壓力的方式與樣品氣流中的氧氣相同。 在絕對(duì)壓強(qiáng)恒定的氣體樣品中,濕度越大,氧氣組分的分壓就越小。在測(cè)量樣品氣體中的氧氣時(shí),如果以體積分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算,那么還必須考慮相對(duì)濕度的影響。 如果相對(duì)濕度從校準(zhǔn)之日起一般保持不變,則由相對(duì)濕度引起的偏移量將是最小的。 用戶如果將傳感器在干氣中校準(zhǔn),然后對(duì)樣品氣體進(jìn)行加濕,傳感器輸出信號(hào)要略低于先前的輸出信號(hào)。 這是由樣品氣體中的氧氣被水蒸氣稀釋造成的。 在同時(shí)存在濕和干氣流的系統(tǒng)中, 這一特性非常重要。 此外,高濕度的氣流可能會(huì)在傳感器上凝結(jié)而最終影響性能。

傳感器影響因素:傳感器的化學(xué)成分很少受其他氣體的影響,包括制冷劑和烴類化合物。 但是,根據(jù)電解質(zhì)的化學(xué)特性,傳感器還是對(duì)一些高濃度的腐蝕性氣體極其敏感。 表 1 列出了各種氣體對(duì)傳感器的影響。

表 1　 各種氣體對(duì)傳感器的影響

干擾等級(jí)為與無污染氣體混合物相比,含有0 ~2 000 × 10 - 6氧氣的氣體混合物中傳感器輸出的變化率。

如果 Cl2 的干擾等級(jí)被認(rèn)為是 1∶ 2的比例,那么含有 Cl2 加 100 × 10 - 6氧氣的樣品氣體中傳感器的輸出信號(hào)相當(dāng)于 300 × 10 - 6(正常氧信號(hào)為 100 ×10 - 6.另外 200 × 10 - 6為 Cl2 引起的干擾) 。

3. 2　 低成本

相比氣相色譜法,便攜式微量氧分析儀采購(gòu)成本顯著降低,維護(hù)成本低,無復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu),傳感器壽命長(zhǎng),且無需頻繁更換耗材(如干燥劑、電解液等) ,適合大規(guī)模應(yīng)用。 當(dāng)氧傳感器暴露于微量氧中時(shí),通常在 2 年壽命內(nèi)都能提供很好的性能。 定期暴露在含有一定濕度的樣品氣體中,可以幫助電解液中的水濃度恢復(fù)到正常狀態(tài),從而延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。 便攜式微量氧分析儀采用低功耗設(shè)計(jì),支持電池供電,適合無穩(wěn)定電源的野外或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),長(zhǎng)期使用電費(fèi)成本趨近于 0.能耗小。 便攜式微量氧分析儀節(jié)省人力成本,快速檢測(cè)減少實(shí)驗(yàn)室送樣流程,避免專職人員值守,尤其適用于多點(diǎn)位巡檢(如電解槽、空壓站等) 。

3. 3　 操作簡(jiǎn)便

便攜式微量氧分析儀即開即用,不必預(yù)熱或復(fù)雜初始化,開機(jī)后可直接進(jìn)入測(cè)量模式,提升緊急檢測(cè)效率(如化工生產(chǎn)突發(fā)情況) 。 便攜式微量氧分析儀配備觸控屏或一鍵式按鍵,菜單邏輯清晰,支持多語(yǔ)言界面,降低非技術(shù)人員操作門檻。 內(nèi)置自檢與校準(zhǔn)程序,減少人工干預(yù),避免手動(dòng)校準(zhǔn)的煩瑣步驟。 多數(shù)品牌和型號(hào)的便攜式微量氧分析儀可在 1~ 3 min 內(nèi)輸出結(jié)果,尤其適合生產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)控,避免停機(jī)等待。

3. 4　 多功能性

除氧含量測(cè)定外,部分便攜式微量氧分析儀還可測(cè)量其他氣體參數(shù),滿足多種工業(yè)需求,寬量程覆蓋,檢測(cè)范圍從 10 - 6級(jí)微量氧分到百分比級(jí)高濃度氧含量,滿足多樣場(chǎng)景使用,同時(shí)具備很好的數(shù)據(jù)擴(kuò)展性,內(nèi)置存儲(chǔ)與藍(lán)牙/ Wifi 傳輸功能,支持生成趨勢(shì)分析報(bào)告,或?qū)?LIMS 系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)) 。 大部分便攜式微量氧分析儀環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),有耐高溫、抗腐蝕設(shè)計(jì),可在石化、制藥等惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作,部分型號(hào)兼容防爆要求。

4　 應(yīng)用實(shí)例

采用 INNOKIE 便攜式微量氧分析儀對(duì)氯壓機(jī)密封氣氮?dú)庵醒鹾窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4. 1　 標(biāo)定

首先確認(rèn)四通閥置于 BYPASS 狀態(tài)、流量調(diào)節(jié)針型閥關(guān)閉,長(zhǎng)按電源鍵 3 s 左右開機(jī),連接氧含量為 5 × 10 - 6的標(biāo)準(zhǔn)氣體,吹掃分析儀管路 3 ~ 5 min后,將四通閥打開至 SAMPLE 狀態(tài),等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定,進(jìn)入標(biāo)定界面,選擇低點(diǎn)標(biāo)定,將標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值輸入目標(biāo)值,按√確認(rèn),完成標(biāo)定。 退出標(biāo)定界面,將四通閥調(diào)至 BYPASS 狀態(tài),關(guān)閉流量調(diào)節(jié)針型閥。

4. 2　 樣品測(cè)定

首先確認(rèn)四通閥置于 BYPASS 狀態(tài)、流量調(diào)節(jié)針型閥關(guān)閉,長(zhǎng)按電源鍵 3 s 左右開機(jī),連接預(yù)處理后的采樣氣體(建議采樣氣體溫度為 5 ~ 45 ℃,氣體壓力為34. 48 ~ 68. 95 kPa)至設(shè)備進(jìn)氣口,調(diào)節(jié)流量為 0. 056 6 m3/ h,吹掃分析儀管路約 3 min 后,將四通閥打開至 SAMPLE 狀態(tài),等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定,記錄測(cè)量值,或者保存測(cè)量值,測(cè)試完畢,將四通閥調(diào)至BYPASS 狀態(tài),關(guān)閉流量調(diào)節(jié)針型閥,長(zhǎng)按電源鍵3 s左右關(guān)機(jī),斷開采樣管線。 平行測(cè)定結(jié)果見表 2.

表 2　 平行測(cè)定結(jié)果

表 2 平行測(cè)定結(jié)果表明:儀器能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)定氧含量,確保氯壓機(jī)密封氣中氧含量低于 10 ×10 - 6.滿足安全生產(chǎn)要求。 與傳統(tǒng)方法相比,便攜式微量氧分析儀顯著提高了檢測(cè)效率,降低了成本。

5　 結(jié)論

便攜式微量氧分析儀在氯壓機(jī)密封器氧含量測(cè)定中表現(xiàn)出高精度、低成本及操作簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì),適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。 相比傳統(tǒng)的吸收法和氣相色譜法,便攜式微量氧分析儀在效率和經(jīng)濟(jì)性方面更具競(jìng)爭(zhēng)力,是氯堿工業(yè)中氧含量測(cè)定的理想選擇。