氫氣分析儀預(yù)處理系統(tǒng)和校準(zhǔn)

在涉及氣體的工業(yè)過程中，例如在能源工業(yè)、過程工程、生產(chǎn)或化學(xué)工業(yè)中，其目標(biāo)是優(yōu)化、提供質(zhì)量保證或避免危險(xiǎn)，將設(shè)備集成到測量系統(tǒng)、采樣和處理中使用在線氫氣分析儀可實(shí)現(xiàn)很優(yōu)的過程控制。在此上下文中的術(shù)語“在線”是指工藝管線中的氫氣濃度變化與測量信號(hào)變化之間的延遲非常短，以致測量信號(hào)始終表示瞬時(shí)濃度，以便其仍然可以被適當(dāng)?shù)窒＿@也意味著分析是連續(xù)的，因?yàn)闅錃鉂舛鹊南嚓P(guān)變化不會(huì)被掩蓋，甚至不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。此類氫氣分析儀裝置可通過直接暴露于工藝氣體（通常通過使用過濾或玻璃料）或通過直接通過工藝氣體發(fā)送光束（例如用于現(xiàn)場光度計(jì)）在現(xiàn)場操作。二種可能性是移除氣體，運(yùn)輸氣體，必要時(shí)對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行分析。之后，它可以被反饋或丟棄。這種方法稱為抽取式氫氣氣體分析。

兩種方法都有其合理性和具體的優(yōu)缺點(diǎn)?，F(xiàn)場氫氣分析通常是快速的，不會(huì)被處理破壞，并且通常需要較少的附加成分。另一方面，對選擇性、對工藝條件的耐受性和現(xiàn)場調(diào)整的要求往往難以管理。氫氣抽取分析的優(yōu)點(diǎn)是能夠調(diào)節(jié)樣品進(jìn)行分析，例如去除干擾成分，如灰塵和水蒸氣。壓力和溫度可以達(dá)到更容易分析的水平。當(dāng)然，如果被測氫氣樣品調(diào)節(jié)過程中的程序偽造了測量值，例如，測量組件在用于干燥氣體的冷卻器中被部分清洗，則此優(yōu)勢也可能有害。我們將在下面的段落中重點(diǎn)介紹抽取氫氣濃度分析。

2、抽取式氫氣濃度分析
2.1、采樣位置：規(guī)劃可以從定義采樣點(diǎn)開始，這當(dāng)然會(huì)受到測量任務(wù)本身的影響。首先，必須澄清相關(guān)氫氣氣體樣品是否實(shí)際存在于提取地點(diǎn)。在那里，應(yīng)完成所有混合過程和化學(xué)反應(yīng)。冷卻器或分離器后面的取樣點(diǎn)特別適用于分析測量，其中物料平衡中的平均值比確定瞬時(shí)波動(dòng)更重要。在大多數(shù)情況下，被測介質(zhì)處于易于處理的狀態(tài)，以便在這些位置移除。
在較大的氫氣氣體通道中，層內(nèi)的濃度分布也可能發(fā)生在流動(dòng)的橫向。外圍電流或例如平靜區(qū)中的氣體可能不具有代表性，并可能導(dǎo)致錯(cuò)誤分析。此時(shí)，可能需要在初步試驗(yàn)期間通過掃描線橫截面來確定代表性樣品的合適位置。
2.2、移除裝置：常用的是氣體取樣探頭。它們提供了預(yù)分離的選項(xiàng)：例如，由于其慣性，可通過逆流萃取將顆粒、液滴和氣溶膠排除在分析系統(tǒng)之外。另一方面，如果你想在樣品中含有這樣的物質(zhì)，你必須用流動(dòng)的方法等抽取。過濾器通常安裝在探頭內(nèi)部，可與探頭一起加熱，以避免出現(xiàn)煙灰。在許多簡單的應(yīng)用中，使用T形件，T形件與主流成直角或銳角，以收集無問題的樣氣。
2.3、促進(jìn)和傳輸氫氣：在旁路布置中向氫氣分析儀供應(yīng)氣體特別容易，旁路布置通過主流中的扼流圈產(chǎn)生旁路氣流。如圖1所示。安裝有三通閥，用于供給和排出標(biāo)定氣體。溢流配有過濾器。如有必要，也可在氫氣分析儀進(jìn)氣口前集成柱冷卻器。
圖1

如果氣體輸送沒有超壓，則使用樣氣泵。如果使用脈沖泵，由于湍流引起的信號(hào)噪聲，甚至由于壓力和流量相關(guān)性引起的信號(hào)偏移，存在過度脈動(dòng)將使測量值失真的風(fēng)險(xiǎn)。因此，通常有必要通過在泵和分析儀之間集成限流元件將氫氣分析儀與泵浪涌分離。如果泵在壓力側(cè)通過針閥節(jié)流，如圖2所示，則不應(yīng)使用會(huì)產(chǎn)生高壓的泵，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致不必要的反應(yīng)，如冷凝。簡單的磁性活塞泵特別適用于從大氣壓力下的系統(tǒng)中移除。當(dāng)然，變量泵也可以用來調(diào)整沒有壓力峰值的適當(dāng)流量。通過確定層流限制器上的壓降，測量并（如有必要）監(jiān)測流量并正確調(diào)整針閥（見圖2）。

如果工藝氣體相對于氫氣分析儀出口處于足夠的超壓下，則應(yīng)控制流量。如果壓力過高或波動(dòng)，則需要使用壓力調(diào)節(jié)器或閉環(huán)流量控制來降低和穩(wěn)定壓力。使用FTC320EX氫氣分析儀帶流量裝置，這種閉環(huán)控制特別簡單，該氫氣分析儀測量當(dāng)前氣體流量并為保持流量恒定的比例閥生成輸出信號(hào)。該設(shè)置如圖3所示。
如果需要在相同但較高的壓力下進(jìn)行 氣體去除和重新進(jìn)料，則可使用所謂的氣體循環(huán)器。在這些裝置中，氣路完全封裝，因此具有耐壓性。它們的進(jìn)料旋轉(zhuǎn)閥由磁耦合驅(qū)動(dòng)。測量FTC320EX氫氣分析儀和FTC150氫氣傳感器的可承受高達(dá)20巴的壓力。
2.4、被測氫氣樣品預(yù)處理：為了使樣品能夠進(jìn)行連續(xù)和永 久的分析，通常需要對樣品進(jìn)行處理；這稱為樣品預(yù)處理，通常包括去除干擾成分。必須進(jìn)行所有形式的分離和制備，以便樣品仍能代表工藝管線中的氣體成分。如果由于樣品制備程序?qū)е職怏w成分發(fā)生變化，則必須進(jìn)行必要的再現(xiàn)，以獲得代表工藝線中氫氣濃度的正確校正值。例如，必須考慮使用氣體冷卻器減少的總氣體體積，以校正測量值。被測氫氣樣品制備采用物理和化學(xué)方法。
物理過程包括：

• 冷卻或加熱
• 減壓或增壓
• 具有規(guī)定孔徑的機(jī)械過濾
• 具有活性表面的過濾，如疏水層和疏油層
• 凝固
• 慣性或重力分離，如旋風(fēng)分離器
• 滲透，例如干燥
• 擋板沉積

對于顆粒分離，常用的是機(jī)械過濾器和樣氣冷卻器，用于去除可冷凝成分。
化學(xué)過程可以通過催化、化學(xué)鍵合或吸附將有問題的物質(zhì)完全從樣氣中去除。這包括例如：

• 不同氣體用不同尺寸的分子篩
• 油蒸氣、重?zé)N和氯化烴用活性炭
• 用于二氧化碳的鈉石灰（鈉、氫氧化鈣）
• 一氧化碳氧化鈣
• 硅膠保濕劑
• SOx用碳酸鈉
• 用于H2S的Bog鐵礦石

應(yīng)注意的是，這些化合物是消耗品，必須在其容量能力結(jié)束前進(jìn)行交換或再處理。

2.5、氫氣分析儀的校準(zhǔn)：為確保分析質(zhì)量，必須使用校準(zhǔn)氣體檢查氫氣分析儀，必要時(shí)重新調(diào)整氫氣分析儀。進(jìn)料標(biāo)定氣體時(shí)，請記住冷卻器、過濾器、吸收和釋放可能會(huì)改變氣體成分，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)解吸水分。在樣品制備過程中，應(yīng)采用與樣品氣相同的處理方調(diào)節(jié)氣體。這種情況如圖2所示，其中校準(zhǔn)氣體在樣氣冷卻器之前輸入。如果預(yù)計(jì)在調(diào)整過程期間，氣路將變干，則應(yīng)以濕潤狀態(tài)供應(yīng)標(biāo)定氫氣氣體。如果導(dǎo)致污染，則在調(diào)整過程中暫停將氣體再循環(huán)到工藝中。補(bǔ)償壓力影響對于許多在恒定壓力條件下不進(jìn)行的測量和調(diào)整是必要的。為了評估這一點(diǎn)，應(yīng)注意光度計(jì)的讀數(shù)與壓力大致成比例變化。在大氣條件下，50 hPa的壓力變化也會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)變化約5%。對于基于熱導(dǎo)率原理的測量氫氣分析儀儀器，通常不需要在800 hPa（絕 對壓力）以上的范圍內(nèi)進(jìn)行壓力補(bǔ)償。因此，具有集成IR測量的FTC 400（如圖4所示）配備有壓力補(bǔ)償裝置。它在測量和調(diào)整過程中也處于激活狀態(tài)，以便根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)壓力校正顯示的測量值。

2.6、響應(yīng)時(shí)間：在氣體分析技術(shù)中，通常將分析系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間指定為T90時(shí)間。它是指從待測量的突然逐步變化到顯示終值的90%所需的時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間。在此定義中，T90時(shí)間包含死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間有時(shí)單獨(dú)指定。死區(qū)時(shí)間是指從待測量的逐步變化到終值讀數(shù)的10%所經(jīng)過的時(shí)間。如果需要測量系統(tǒng)的快速響應(yīng)，取樣點(diǎn)不應(yīng)不必要地遠(yuǎn)離反應(yīng)區(qū)下游。此外，樣品流量必須足夠大，以保持樣品在處理系統(tǒng)中的停留時(shí)間足夠短。在分析管道中，通常存在塞流，其特征是氣體以v=（dV/dt）/Q的速度傳播，其中dV/dt表示每次的樣本量，Q表示管道的橫截面。因此，用于短響應(yīng)時(shí)間的小管截面也是有用的。對于流量范圍約為1l/min的管道，我們建議使用內(nèi)徑為2 mm的1/8〃管道。橫截面中的大膨脹，例如通過泵、冷卻器、分離器和過濾器，通常表現(xiàn)為混合反應(yīng)器，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，需要4倍于其體積的混合反應(yīng)器才能將入口濃度的逐步變化傳遞到輸出終值的90%。如果可能，重要的是要避免在氫氣分析儀上游的取樣路徑中出現(xiàn)此類“混合反應(yīng)器”，或至少使其變小。一些極性氣體表現(xiàn)出吸附在表面的傾向，特別是與水（濕度）分結(jié)合時(shí)。這可能導(dǎo)致色譜效應(yīng)。因此，應(yīng)使用惰性光滑材料。加熱管道也可以減少這種影響。圖4顯示了具有ZUI小響應(yīng)時(shí)間的樣品氣的優(yōu)化設(shè)置。有時(shí)，如果存在長樣氣路徑且可獲得高流速，則“快速回路”是有用的（見圖5）。對于分析而言，過大的樣本量從主流中提取，并送入靠近氫氣分析儀的過濾器中。然后從過濾器中提取合適的樣本流進(jìn)行分析。從而將粉塵、氣溶膠和液體分離。分離出的物料通過快速循環(huán)流去除；這種設(shè)置也稱為“橫流過濾”

2.7、管路材質(zhì)：不銹鋼部件，如LF316Ti，適用于防滲透、耐壓和相對耐腐蝕的布置。HASTELLOY®等其他更耐腐蝕的合金可用于高侵蝕性氣體。PTFE或PFA特別惰性，但滲透性很強(qiáng)，因此不適用于氧氣的微量氣體分析。這或多或少適用于所有聚合物。

氫氣分析儀防冷凝和灰塵處理選項(xiàng)

當(dāng)干燥劑或其他干燥設(shè)備和顆粒過濾失效或效率低時(shí)，被測氣體可能冷凝或大的顆粒物進(jìn)入分析儀，造成分析儀損壞。FTC320氧中氫分析儀內(nèi)部傳感器采用一層PTFE涂層保護(hù)熱導(dǎo)傳感器。防止冷凝和灰塵的保護(hù)措施：樣品氣體中的冷凝物通常會(huì)立即導(dǎo)致傳感器元件的故障，從而導(dǎo)致裝置的故障。灰塵、污垢、顆?；蛩樾家矔?huì)損壞傳感器元件。疏水過濾器將熱導(dǎo)氣體傳感器元件與樣品流分離。過濾器的孔徑在μm范圍內(nèi)，不滲透冷凝物和灰塵。樣品氣體的原子和分子通過擴(kuò)散進(jìn)行 氣體交換，幾乎沒有時(shí)間延遲。如果冷凝水進(jìn)入帶有薄膜的設(shè)備，測量會(huì)在幾分鐘內(nèi)受損，但傳感器可以非常有效地防止完全損壞。冷凝液蒸發(fā)后，設(shè)備準(zhǔn)備再次測量。松散的污垢無法到達(dá)傳感器元件。

氫氣分析儀的校準(zhǔn)

新的FTC320氫氣分析儀標(biāo)定出廠后，達(dá)到用戶安裝現(xiàn)場，由于現(xiàn)場的采樣系統(tǒng)的壓力、流量、濕度都發(fā)生了變化，如果進(jìn)行精 確測量，需要把分析儀連接測試采樣系統(tǒng)，在現(xiàn)場進(jìn)行二次標(biāo)定，消除現(xiàn)場參數(shù)影響。對于小量程的氧氣中氫氣準(zhǔn)確測量，例如：0-2%Vol. H2/O2，需要時(shí)常通入100%

O2的純氧氣進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)。