Устройство для измерения углеводородов в инертных бескислородных газах

Предлагаемая полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в приборах для газового анализа, в криогенной технике, а также для технологического контроля на производствах, связанных с изготовлением и использованием газовых смесей.

Цель полезной модели - упрощение конструкции устройства для измерения концентрации углеводорода известного химического состава в инертных безкислородных газах.

Предлагаемое устройство состоит из двух кулонометрических твердоэлектролитных ячеек, конструктивно выполненных на трубке из твердого электролита состава 0,852ZrО₂+0,15Y ₂O₃ и нагревателя, создающего в рабочей части ячеек постоянную температуру (1023±20) К. Температура рабочей части ячеек измеряется с использованием в качестве термочувствительного элемента электродов первой ячейки, а регулирование температуры осуществляется внешним регулятором температуры.

К электродам ячеек подключаются внешние источники постоянного тока и измеритель тока, причем к внутреннему электроду первой ячейки должен быть подключен "плюс" источника, а к наружному электроду -"минус". При такой полярности источника питания заданием величины тока переноса кислорода в поток анализируемого газа из окружающего воздуха дозируется с заведомым избытком кислород в количестве, необходимом для полного окисления углеводорода. Во второй ячейке под действием напряжения обратной полярности непрореагировавший кислород извлекается из анализируемого газа и поступает в атмосферный воздух.

Измерив расход анализируемого газа и разность токов первой и второй ячеек, можно рассчитать концентрацию углеводорода известного химического состава по формуле:

,

где - концентрации углеводорода в анализируемом газе, кг/м ³;

I - ток переноса кислорода, израсходованного на окисление углеводорода, А;

- молярная масса кислорода, кг/моль;

4F - количество электричества, необходимое для электрохимического переноса одного моля кислорода, Кл/моль;

Q - расход анализируемого газа, м³/с;

n - число атомов углерода в химической формуле углеводорода;

m - число атомов водорода в химической формуле углеводорода.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежом.

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения и может быть использована в приборах для газового анализа, в криогенной технике, а также для технологического контроля на производствах, связанных с изготовлением и использованием газовых смесей.

Известен датчик для определении концентраций горючих газов и паров: метана, водорода, этилена, пропана, коксового газа, этилового спирта, диэтилового эфира (В.П.Тхоржевский "Автоматический анализ газов и жидкостей на химических предприятиях", М., Химия, 1976 г.).

При определении концентрации углеводородов используется термохимический метод, который основан на измерении полезного теплового эффекта химической реакции, в которой участвует углеводородный компонент газовой смеси. В датчике осуществляется термокаталитический процесс, при котором проходит реакция окисления определяемого компонента в присутствии катализатора. Тепловой эффект реакции, который прямо пропорционален концентрации компонента, изменяет температуру чувствительного элемента, размещенного в измерительной камере. В качестве чувствительного элемента используется нагретая платиновая нить, которая одновременно является и катализатором. В сравнительной камере датчика находится воздух, не содержащий определяемый компонент. Для установки прибора на нуль имеется дополнительный штуцер, который служит для подачи чистого воздуха. Переключение газовых потоков - анализируемой смеси и воздуха - производится трехходовым краном. При измерении используется мостовая схема, ток разбаланса которой пропорционален концентрации измеряемого компонента.

К недостаткам рассмотренного датчика относятся:

- обязательное присутствие в анализируемой газовой среде кислорода для осуществления реакции окисления;

- необходимость проведения периодической калибровки датчика;

- в датчике имеется трехходовой кран, что затрудняет автоматизацию процесса измерений.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, реализующее схему измерений объемной доли углеводородной примеси известного состава в инертных безкислородных газах (Патрушев Ю.Н., Семчевский А.К., Пирог В.П. "Применение твердоэлектролитных ячеек для измерения концентраций углеводородов", Приборы, 2003, №8, с.42, 43).

Газовая схема состоит из двух последовательно соединенных твердоэлектролитных ячеек.

В первой ячейке в анализируемый поток газа кулонометрически "накачивается" с заведомым избытком кислорода для полного окисления углеводорода до воды и углекислого газа. Во второй ячейке под действием напряжения обратной полярности избыток кислорода "откачивается". По разности токов переноса в первой и второй ячейках при стабильном расходе анализируемого газа определяется концентрация углеводорода.

Данное устройство имеет недостаток, связанный со сложностью конструкции, в состав которой входят две твердоэлектролитных ячейки, два нагревателя, две термопары.

Целью предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции устройства для измерения концентрации углеводорода известного химического состава в инертных безкислородных газах.

На фигуре приведен чертеж предлагаемого устройства.

Поток анализируемого газа, концентрацию углеводорода в котором необходимо измерить, подается на штуцер 1 "ВХОД ГАЗА" и далее через керамическую трубку 2 поступает в рабочую область первой кулонометрической твердоэлектролитной ячейки 3 (КТЭЯ-1), омывая

внутренний электрод 4 ячейки. Затем анализируемый газ проходит рабочую область второй кулонометрической твердоэлектролитной ячейки 5 (КТЭЯ-2), контактирует с внутренним электродом 6 и далее через отверстие в установочном узле и штуцер 7 "ВЫХОД ГАЗА" выходит в окружающую среду.

В качестве материала для изготовления ячеек используется твердый электролит состава 0,85ZrO ₂+0,15Y₂O₃. Трубка из твердого электролита 8 помещена в нагреватель 9 для разогрева рабочей области ячеек до температуры от 1000 до 1200 К, обеспечивающей кислородоионную проводимость твердого электролита. С внешней стороны трубки расположены электроды 10 (КТЭЯ-1) и 11 (КТЭЯ-2). Внутренние электроды КТЭЯ-1 и КТЭЯ-2 выведены на контакты 12 и 13, а наружные - на контакты 14 и 15 соответственно. Трубка 8 загерметизирована в установочных узлах 16 и 17.

К контактам 12 и 14 КТЭЯ-1 последовательно подключаются (на фигуре не показаны) источник постоянного тока напряжением 0,6 В и измеритель тока, причем к внутреннему электроду (контакт 12) должен быть подключен "плюс" источника, а к наружному электроду (контакт 14) - "минус". При такой полярности источника питания заданием величины тока переноса кислорода в КТЭЯ-1 из окружающего воздуха в поток анализируемого газа дозируется кислород в количестве, необходимом для полного окисления углеводорода до воды и углекислого газа, при этом вводится заведомый избыток кислорода. А в КТЭЯ-2 под действием напряжения обратной полярности этот избыток кислорода из анализируемого газа и поступает в атмосферный воздух. При высокой температуре ячейки и при избытке кислорода углеводородная смесь полностью окисляется по реакции:

где n - число атомов углерода в химической формуле углеводорода;

m - число атомов водорода в химической формуле углеводорода.

Таким образом, концентрация кислорода, затрачиваемая на окисление углеводорода, в соответствии с законом Фарадея будет равна:

где - концентрация кислорода, кг/м³;

I₁ - ток переноса кислорода в КТЭЯ-1, А;

I₂ - ток переноса кислорода в КТЭЯ-2, А;

- молярная масса кислорода, кг/моль;

4F - количество электричества, необходимое для электрохимического переноса одного моля кислорода, Кл/моль;

Q - расход анализируемого газа, м³/с.

Тогда после подстановки (2) в (1) концентрация углеводорода в газе будет равна:

где - концентрации углеводорода в анализируемом газе, кг/м ³;

I - ток переноса кислорода, израсходованного на окисление углеводорода, А.

Это выражение является статической характеристикой устройства, если известен химический состав углеводорода.

Для подтверждения промышленной применимости полезной модели приведен пример ее конкретной реализации, который не исчерпывает технической сущности заявляемого решения.

Устройство функционирует следующим образом. С помощью нагревателя в рабочей области КТЭЯ-1 и КТЭЯ-2 создается температура 1000-1200 К. В качестве термочувствительного элемента используются электроды КТЭЯ-1, на контакты 12 и 14 которой для исключения явления поляризации подается напряжение частотой 20÷30 кГц от внешнего генератора. Разделение сигналов температуры (переменное напряжение) и тока переноса кислорода (сигнал постоянного тока) осуществляется входным устройством регулятора температуры.

Температура в рабочей области КТЭЯ-1 устанавливается равной (1023±20) K. Температура КТЭЯ-2 принимает близкое к установленной температуре значение, т.к. электроды КТЭЯ-1 и КТЭЯ-2 находятся в одной температурной зоне.

Для измерения концентрации углеводорода в анализируемом газе к штуцеру "ВХОД ГАЗА" подключается переменный дроссель тонкой регулировки, с помощью которого устанавливается расход газа Q через устройство, например (1,67±0,0167) см³/с.

Измерив ток переноса кислорода через КТЭЯ-1 и КТЭЯ-2 по формуле (3) рассчитываем концентрацию углеводорода.

Экспериментально подтверждена возможность измерения концентрации углеводородов в инертных безкислородных газах с использованием предлагаемого устройства.

Устройство для измерения углеводородов в инертных безкислородных газах, содержащее нагреватель, две кулонометрические твердоэлектролитные ячейки, отличающееся тем, что кулонометрические твердоэлектролитные ячейки конструктивно выполнены на трубке из твердого электролита состава 0,85ZrO₂+0,15Y₂ O₃, а концентрация углеводорода известного химического состава рассчитывается по формуле

где - концентрации углеводорода в анализируемом газе, кг/м ³;

I - ток переноса кислорода, израсходованного на окисление углеводорода, А;

- молярная масса кислорода, кг/моль;

4F - количество электричества, необходимое для электрохимического переноса одного моля кислорода, Кл/моль;

Q - расход анализируемого газа, м³/с;

n - число атомов углерода в химической формуле углеводорода;

m - число атомов водорода в химической формуле углеводорода.