Контроль состава и влажности газов

 

Для правильного проведения различных технологических про­цессов необходимо определять содержание в газовой смеси углекислого газа, оксида углерода, водорода, кислорода, сероводо­рода, метана, хлора и других компонентов. Кроме того, воздух производственных помещений контролируют на содержание ядовитых и взрывоопасных примесей.

Состав газа выражают в процентах от общего объема газовой смеси. Приборы для контроля состава газовой смеси подразделяют на переносные неавтоматические газоанализаторы, используемые в лабораторной практике, а также для контрольных измерений и проверки стационарных автоматических газоанализаторов (в дан­ном учебнике не рассматриваются), и стационарные авто­матические, применяемые в промышленных условиях. По принципу действия стационарные газоанализаторы подразделяют на химические, электрические, магнитные и оптико-акустические. Последние применяют редко, поэтому они в учебнике не рас­сматриваются.

Химические газоанализаторы для определения процентного со­держания отдельных компонентов в анализируемой газовой смеси основаны на поглощении компонентов газовой смеси соответству­ющими химическими реактивами. По сокращению объема смеси определяют процентное содержание в ней компонента. Горючие газы (например, сернистые) выделяют из смеси методом дожигания с последующим поглощением продуктов их сгорания реактивами.

Автоматический химический газоанализатор (рис. 1.23) предназ­начен для определения содержания углекислого газа СО₂ в газовой смеси.

Рис. 1.23. Автоматический химический газоанализатор: 1 - электрический привод; 2 - редуктор; 3 - плунжер; 4 - цилиндр; 5 - волюметр; 6, 16, 17 - клапаны; 7- увлажнитель; 8 - фильтр; 9, 14 - колокола; 10 - диаграммная лента; 11 - перо; 12 - винт; 13 - воронка; 15 - поглощающий сосуд

Электрический привод 1 через редуктор 2 периодически перемещает вверх и вниз плунжер 3 в цилиндре 4. Перемещаясь вниз, плунжер вытесняет ртуть в сообщающийся с ним сосуд — волюметр 5 (сосуд для первичного отмеривания анализируемого газа) — и в выхлопной клапан 17. При повышении уровня ртути газ из волюметра вытесняется и через клапан 16 поступает в сосуд 15 с раствором щелочи, которая поглощает из него весь диоксид углерода, остальной газ удаляется в атмосферу через клапан 17.

Когда ртуть в волюметре 5 поднимется до суженной части и перекроет клапан 17, анализируемый газ из верхней части, имеющей определенный объем, пропускается через сосуд 15 и поступает под колокола 9 и 14 измерительной части прибора, находящиеся в жидкости. Первым поднимается колокол 14, наполняемый посто­янным объемом газа. Остаток газа поступает под колокол 9, уровень поднятия которого зависит от объема газа, оставшегося непогло­щенным. Количество этого остатка характеризуется прямой линией на диаграммной ленте 10, которая перемещается часовым механизмом. Высота отрезка прямой линии, записанной пером 11 на диаграммной ленте от нулевой линии, указывает концентрацию диоксида углерода CО₂ в анализируемой газовой смеси.

При ходе плунжера 3 вверх ртуть в клапане 17 и волюметре 5 опускается и засасывается новая порция газовой смеси, которая последовательно пропускается через фильтр 8, увлажнитель 7 и клапан 6. Одновременно открывается клапан 17, через который газ из-под колоколов 9 и 14 удаляется в атмосферу. Плунжер 3, достигнув верхнего положения, направляется вниз, и цикл изме­рения повторяется. Высоту подъема колокола 14 регулируют винтом 12. Жидкость в камеры колоколов 14 и 9 и волюметр 5 заливают через воронки 13.

Автоматические химические газоанализаторы имеют ряд недо­статков, основными из которых являются периодичность действия и значительный расход реактивов, теряющих после

нескольких анализов свою поглотительную способность, вследствие чего их приходится заменять новыми.

Электрические газоанализаторы на диоксид углерода. Действие газоанализаторов на диоксид углерода основано на сравнении теп­лопроводности газовой смеси и воздуха при одинаковой темпера­туре. Теплопроводность газовой среды зависит от содержания в ней СО₂ , которое определяют измерением сопротивления нагретых проводников, помещенных в воздушную и газовую среды.

Определение содержания в газах суммы оксида углерода и водорода основано на измерении сопротивления электрического проводника, изменяющегося вследствие его нагревания при сго­рании этих газов. Эти газоанализаторы применяют редко, поэтому в данном учебнике их не рассматривают.

При наличии в дымовых газах водорода и диоксида серы электрические газоанализаторы дают значительную погрешность. Поэтому в некоторых приборах этого типа предусматривается до­полнительная электропечь для дожигания несгоревшего водорода, а диоксид серы из анализируемой смеси удаляют с помощью сернистого фильтра.

Для правильной работы газоанализатора температура анализируемой смеси должна быть близка к температуре поме­щения, в котором установлен преобразователь прибора. Перед поступлением в преобразователь газовая смесь охлаждается в холодильнике, а образу­ющийся при этом конденсат удаляется в конденсаци­онный сосуд.

Комплект типовой установки электрического газоанализатора на диоксид углерода показан на рис. 1.24.

Рис. 1.24. Типовая установка электрического газоанализатора на диоксид углерода: 1 - керамический фильтр; 2 - газозаборная трубка; 3 - газовый кран: 4, 5 - водяной и ватный фильтры; 6 - печь для дожигания водорода; 7 - холодильник; 8 - преоб­разователь для анализа газа на содержание СО₂ ; 9 - показывающий прибор; 10 -источник питания; 11 - миллиамперметр; 12 - водяной предохранитель; 13 - водо­струйный насос-эжектор; 14 - U-образный манометр; 15 - отвод для заливки воды; 16 - дренажный сосуд

Электрохимические газоанализаторы на кислород. Действие их основано на электрохимической реакции, вызывающей образование тока в электролите при взаимодействии кислорода газовой смеси с электродом. Ток, протекающий по внешней цепи электролита, пропорционален концентрации кислорода в газовой смеси. В сос­таве газовой смеси не должно быть электрохимически активных газов (хлора, оксидов азота, сероводорода).

Электрохимический газоанализатор ГЛ-5108 (рис. 1.25) состоит из преобразователя, увлажнителя с гидрозатвором, реакционной камеры теплообменника со сборником конденсата, электролизера, электроблока и вторичного прибора.

Рис. 1.25. Электрохимический газоанализатор на кислород типа 171-5108: 1 - баллон с водородом; 2 - ареометр; 3 - кран-переключатель; 4 - реактор; 5 -теплообменник со сборником конденсата; 6 - контрольный электролизер; 7 - преобразователь; 8 - увлажнитель; 9 - электролизер; 10 - реакционная камера с измери­тельным патроном и анодом; 11 - гидрозатвор; 12 - бак с дистиллированной водой

В преобразователе анализируемая или контрольная газовая смесь проходит через гальваническую камеру, состоящую из ув­лажнителя 8, предназначенного для сокращения концентрации электролита в реакционной камере, и реакционной камеры, запол­ненной электролитом. В камере находится измерительный патрон с серебряным катодом и свинцовым анодом, с которыми взаимо­действует кислород газовой смеси.

После преобразователя 7 газ проходит через гидрозатвор 11, сообщающийся с баком 12 дистиллированной воды, и через кран-переключатель 3 возвращается в технологическую газовую линию. Гидрозатвор защищает реакционную камеру 10 от попадания в нее атмосферного кислорода.

В корпусе размещены под­дон для слива электролита из преобразователя гальванической камеры и нагреватель. В состав электроблока входят стаби­лизатор напряжения, усилитель или компенсационный мост.

Магнитные газоанализаторы на кислород применяют для не­прерывного определения про­центного содержания кислорода в продуктах горения промыш­ленных печей и топок, в систе­мах воздушно-кислородного дутья мартеновских и других печей, а также в газовой смеси на кислородных станциях. Рабо­та этих приборов основана на так называемом парамагнитном свойстве кислорода втягиваться в магнитное поле в отличие от других газов (диамагнитных), обладающих значительно мень­шей магнитной восприимчивос­тью. Магнитные газоанали­заторы измеряют не саму магнитную восприимчивость, а ее изменение при повышении темпе­ратуры.

В основе преобразователя (рис. 1.26) газоанализатора — схема моста с двумя платиновыми резисторами: активным 1 и сравнитель­ным 2. Два других плеча образуются из двух секций обмотки трансформатора, питающего схему. Резисторы помещены в камеры постоянного магнита NS, установленного таким образом, что в магнитном поле находится только активный резистор, а сравнитель­ный находится вне его.

Анализируемая газовая смесь проходит через камеру с постоян­ной скоростью. Вследствие этого платиновые проволоки в двух плечах моста нагреваются электрическим током до определенной одинаковой температуры. Часть потока газовой смеси, содержащей кислород, притягивается магнитным полем к нагретому активному резистору. Кислород, нагреваясь, теряет свои магнитные свойства и выходит из камеры с общим потоком газа. Камера непрерывно пополняется новыми порциями анализируемой смеси.

Рис. 1.26. Электрическая схема (а) и общий вид (б) преобразователя маг­нитного газоанализатора на кисло­род: 1 - активный платиновый резистор; 2 -сравнительный платиновый резистор; NS- постоянный магнит; ИП - измери­тельный прибор

В результате температура активного резистора понижается. Сте­пень его охлаждения будет тем больше, чем выше процентное содержание кислорода в анализируемой смеси. С понижением температуры понижается и его электрическое сопротивление, вследствие чего нарушается равновесие измерительного моста: в диагонали его появляется напряжение разбаланса, соответствующее процентному содержанию кислорода в газовой смеси. Разбаланс измеряется автоматическим электронным потенциометром ИП, отградуированным в процентах содержания кислорода.

Кроме преобразователя и автоматического потенциометра в комплект газоанализатора входят стабилизатор напряжения, холодильник, конденсационный сосуд, керамический и контроль­ный фильтры, гидрокомпрессор (только для приборов со шкалой 0... 10% кислорода), а также шланги, трубы и арматура.

Хроматографы. Хроматографией называют разделение газовой смеси на отдельные компоненты при ее движении через слой поглотителя (сорбента).

Определенное количество контролируемой газовой смеси вместе с газом-носителем пропускают через поглотитель, находящийся в разделительной колонке. Так как адсорбционные свойства компо­нентов газовой смеси различные, то и скорости их прохождения через разделительную колонку разные. Это приводит к разделению анализируемой газовой смеси на отдельные компоненты, которые и выходят из колонки в виде так называемой бинарной смеси с газоносителем.

Из колонки бинарная смесь попадает в измерительную ячейку (камеру) детектора, через другую его ячейку — сравнительную — непрерывно проходит чистый газ-носитель. Принцип действия детектора основан на разной теплопроводности анализируемой газовой смеси и чистого газа-носителя.

В качестве чувствительных элементов детектора используют терморезисторы, размещенные в каждой из двух ячеек детектора (измерительной и сравнительной). При пропускании через обе ячейки газа одного и того же состава температура нагрева обоих терморезисторов будет одинаковой; при пропускании через ячейки газов разного состава температура нагрева терморезисторов, а сле­довательно, и их электрическое сопротивление будут разными. Если терморезисторы включить в схему электрического уравновешенного моста постоянного тока, то при пропускании газов разного состава равновесие моста нарушится. Разбаланс моста пропорционален концентрации отдельных компонентов в смеси пробы газа, что фиксируется на картограмме регистрирующего прибора.

Автоматический хроматограф (рис. 1.27) — прибор для периоди­ческих анализов газовых смесей на технологических установках. Контролируемый газ из пробоотборной линии 1 проходит через редукторы 2 и 3 низкого давления, в которых его давление понижа­ется до 0,12... 0,15 МПа.

Рис. 1.27. Схема автома­тического хроматографа (а) и общий вид преоб­разователя хроматогра­фа, конструктивно объе­диненного с блоком под­готовки газов (б): 1 - пробоотборная линия; 2, 3, 19 - редукторы; 4, 18 -ротаметры; 5, 6 - фильтры; 7, 17, 20 - дроссели; 8 -трехходовой кран; 9 - пробоотборный кран; 10 - раз­делительная колонка; 11 -детектор; 12, 14- термопреобразователи сопротивления; 13 - автоматический электронный потенциометр; 15 - электронный усилитель; 16 - электронагреватель; 21 - баллон с азотом

Между редукторами расположен регулируемый дроссель 20, позволяющий сбрасывать газ в атмосферу, если это необходимо для поддержания постоянного давления на входе в редуктор 3 низкого давления. Газ, выходящий из редуктора J, поступает в один из двух фильтров 5 или 6 с поглотителем для удаления влаги и сернистых соединений. Фильтры работают поочередно.

Из фильтров газ через дроссель 7 тонкой регулировки расхода и трехходовой кран 8 попадает в пробоотборный кран 9, пропуска­ющий газ в преобразователь (на схеме не показан). Кран 9 устроен таким образом, что скорость протекания газа соответствует до­пустимому расходу, который в хроматографе должен составлять 2... 5 л/ч. Расход газа контролируется ротаметром 4.

Отмеренную пробу контролируемого газа вносит в разделитель­ную колонку 10 поток газа-носителя (азота), находящегося в баллоне 21 в сжатом виде. Азот проходит через редуктор 19 и дроссель 17, откуда поступает в сравнительную ячейку (камеру) детектора 11, а из нее в пробоотборный кран 9, откуда через ротаметр 18 сбрасы­вается в атмосферу.

Пробоотборный кран 9 перестанавливается электродвигателем в два положения. В первом положении газ-носитель, пройдя через кран, вытесняет пробу контролируемого газа, находящуюся в дозировочной трубке (на рисунке не показана), и подает ее в колонку для анализа. Во втором положении газ-носитель проходит через измерительную ячейку детектора, разделительную колонку, кран 8 и выходит через ротаметр 18 в атмосферу.

Когда через ячейки проходит газ одного состава, температура обоих терморезисторов детектора одинакова. Мост в этом случае находится в равновесии. Если через измерительную ячейку проходит газ-носитель, содержащий какой-либо компонент контролируемого газа, то температура в ней повышается, так как теплопроводность чистого азота выше теплопроводности газовой смеси. Поэтому отдача теплоты терморезистором понижается, а температура его и электрическое сопротивление увеличивается. Мост выходит из рав­новесия, что фиксируется в виде пики на картограмме регистрирующего прибора—автоматического электронного потенциометра 13. Площадь пики характеризует количество ком­понента в анализируемой смеси.

Температура в преобразователе поддерживается регулятором, включающим и выключающим электронагреватель 16. Измеряют температуру термопреобразователи сопротивления 12 и 14.

Преимущество хроматографов перед другими видами газоа­нализаторов в том, что они позволяют определять процентный состав многих компонентов пробы газовой смеси.

Психрометры. Действие таких приборов основано на психро­метрическом эффекте, который заключается в том, что при испа­рении воды с увлажненной поверхности тела последнее охлаждается.

Простейший психрометр состоит из двух термометров: сухого и влажного. Измерение относительной влажности сводится к опреде­лению разности температур сухого и влажного термометров, а эта разность зависит от относительной влажности, барометрического давления, температуры окружающей среды и скорости обтекания ею влажного термометра.

Психрометры дают возможность производить как местное, так и дистанционное измерение относительной влажности. В промышленности для измерения относительной влажности воздуха и газов применяют автоматические психрометрические влагомеры.

Автоматический психрометрический влагомер состоит из первичного прибора (преобразователя) и вторичного (электронного автоматического моста переменного тока).

Корпус первичного прибора — цилиндрической формы, в пе­редней его части предусмотрен фланец для крепления вторичного прибора. Сухой и влажный термопреобразователи сопротивления установлены в двух каналах теплоизоляционной втулки, запрессо­ванной в металлический цилиндр, находящийся в корпусе первичного прибора. Внутри корпуса находится резервуар с водой для смачивания хлопчатобумажного чехла, надетого на влажный термопреобразователь. Контролируемый воздух или газ проходит в первичный прибор через отверстия в задней части корпуса. Скорость потока воздуха или газа регулируют, меняя число отверстий, для чего часть отверстий закрывают с помощью рукоятки. Для устра­нения механических примесей в контролируемом газе служат фильтры, которые представляют собой обоймы, заполненные кок­сом. Фильтры помещены в гнезде теплоизоляционной втулки.

Для измерения влажности воздуха применяют вытяжное устрой­ство, состоящее из крыльчатки и электродвигателя переменного тока напряжением 200 В. Воздух просасывается через каналы вы­тяжного устройства, в которых установлены термопреобразователи, и выходит из отверстий в задней стенке корпуса первичного прибора.

Первичный прибор психрометра устанавливают горизонтально по уровню. Бачок с дистиллированной водой с примесью сулемы располагают на высоте 250... 500 мм над резервуаром преобразова­теля. Бачок герметически закрыт крышкой и имеет два ниппеля для соединения соответственно с нижним и верхним ниппелями резервуара первичного прибора. При уменьшении уровня воды в резер­вуаре (за счет ее испарения с поверхности влажного термопреобразователя) обнажается нижний конец трубки, опущен­ной в резервуар первичного прибора, и в верхнюю полость бака проникает воздух. Это приводит к увеличению давления в бачке с водой и к повышению уровня воды в резервуаре.

Первичный прибор соединяют с вытяжным устройством резиновой трубкой, проложенной горизонтально. Вытяжное ус­тройство устанавливают на расстоянии 100... 150 мм от преобразо­вателя и на одном уровне с ним.

Измерительное устройство (рис. 1.28) вторичного прибора состоит из двух мостов: I и II. В одно из плеч моста I включен сухой термопреобразователь сопротивления R_тс , а в одно из плеч моста II — влажный термопреобразователь сопротивления R_TM .

Рис. 1.28. Принципиальная схема измерительного устройства вторичного прибора психрометра: R_тс - сухой термопреобразователь сопротивления; R_тм – влажный термопреобразова­тель сопротивления; R_p - реохорд; R_т - подгоночный резистор; R_л - уравнительный резистор; R_H - резистор, определяющий начало шкалы; R_n - резистор, определяю­щий конец шкалы; г_н , г_п , г₂ , г₄ - подгоночные резисторы; R1-R4 - постоянные резисторы плеч моста; R_d- добавочный резистор; R_b , R_{b 1} - балластные резисторы; R_щ - шунтовый резистор; В - однополюсный выключатель; П - предохранитель; У -электронный усилитель; РД - реверсивный двигатель; СД - синхронный двигатель; Ср_.Д и Сⁱ р_.Д - емкости в цепи реверсивного двигателя

На вершинах а и b диагонали моста I возникает разность потенциалов, пропорциональная температуре сухого термопреобра­зователя сопротивления. Разность потенциалов, возникающая на вершинах а и с диагонали моста II, пропорциональная температуре влажного термопреобразователя сопротивления. Следовательно, падение напряжения между вершинами b и с двойного моста пропорционально разности температур сухого и влажного термо­преобразователей сопротивления, т. е. психрометрической разности температур.

Посредством движка реохорда Rp, перемешаемого реверсивным электродвигателем РД, автоматически устанавливается равновесие измерительной схемы. Таким образом, положение движка реохорда служит мерой психрометрической разности температур, харак­теризующей относительную влажность измеряемой среды.

При измерении относительной влажности на вершинах b и с двойного моста появляется напряжение разбаланса, которое усиливается электронным усилителем У до значения, необходимого для работы реверсивного электродвигателя. Вал электродвигателя, вращаясь, приводит в движение через зубчатую передачу рычаг, перемещающий движок по реохорду. Движение рычага передается через механическую передачу перу прибора и стрелке, которая перемещается по шкале. При наступлении равновесия вращение реверсивного электродвигателя прекращается.

 

Вопросы по первой главе

1. Назовите принципы измерения температуры.

2. Какие из них применятся для автоматизации процесса измерения?

3. Назовите принципы измерения давления, перепада и вакуума.

4. Как измеряют расход и количество?

5. Назовите принципы измерения уровня.

6. Назовите принципы измерения концентрации растворов.

7. Что такое рН – метр?

8. Назовите принципы измерения состава и влажности газа.

9. Чем измеряют содержание диоксида углерода?

10. Чем измеряют содержание кислорода?

11. Что измеряет хроматограф?

12. Что измеряет психрометр?

 

---

Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 627; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!