氯堿工業

在氯堿生產中,氯壓機密封氣的氧含量控制至關重要。 氧氣與氯氣或氫氣接觸可能引發爆炸,因此要嚴格控制密封氣(通常為氮氣)中的氧含量。傳統的氧含量測定方法包括吸收法和氣相色譜法,這些方法存在操作復雜、成本高或響應速度慢等缺點。 便攜式微量氧分析儀以其高精度、低成本及操作簡便的特點,成為工業現場氧含量測定的理想工具。

1　 便攜式微量氧分析儀的工作原理與結構

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(陽極)和電解液構成的封閉式化學電池。 氣體中的氧通過高分子薄膜擴散進入電池,在陰極氧被還原,在陽極鉛被氧化。 電池反應產生的電流即傳感器輸出信號大小與氣體中的氧含量成正比。 電池產生的電子由電路引出,然后進行補償修正放大,即可測出被測氣體中的氧含量。 反應式如下:

陰極　 O2 + 2H2O + 4e →4OH -;

陽極　 2Pb + 4OH -→2PbO + 2H2O + 4e;

完整化學反應　 O2 + 2Pb →2PbO。

1. 2　 便攜式微量氧分析儀結構

傳感器:核心部件,常用電化學傳感器或光學傳感器,能夠快速響應微量氧變化。

信號處理單元:將傳感器信號轉換為可讀數據。

顯示屏:實時顯示氧質量分數或體積分數。

電源模塊:支持電池供電,適合現場使用。

采樣系統: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　 傳統氧含量測定方法

2. 1　 吸收法

吸收法適用于分離空氣制取的氣態氮或液態氮,主要用作保護氣、置換氣、低溫儲藏,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定氧含量,將所取一定量的樣品氣在密閉的吸收瓶內與吸收液進行反應,因氧被吸收而導致樣品氣體體積的減少量即為氧含量。 該方法成本低,但操作復雜,耗時長,且精度有限。

圖 2　 奧氏氣體分析儀一代自動排液程序邏輯

2. 2　 氣相色譜法

氣相色譜法適用于空氣分離或經凈化得到的主要用作保護氣、置換氣、反應氣等的氣態或液態的純氮、高純氮和超純氮,采用帶有氧化鋯檢測器和氫火焰離子化檢測器的氣相色譜儀(圖 3 )測定氮中的氫、氧、一氧化碳、甲烷和二氧化碳。 氣相色譜法對微量氧的測定,具有高精度和高靈敏度,但設備昂貴,操作復雜,且需專業人員操作,適合實驗室環境。

圖 3　 氣相色譜儀工作原理

3　 便攜式微量氧分析儀的優勢

3. 1　 氧氣傳感器精度高、響應速度快

便攜式微量氧分析儀能夠快速、準確地測定微量氧含量,響應時間短,適合實時監測。 因為擴散到傳感器中的氧分子的速率由聚四氟乙烯膜控制,所有的擴散過程都對溫度、壓力及相對濕度敏感。溫度特性:傳感器的信號輸出將隨溫度的變化而變化。 這個變化( 2. 5% / ℃)是相對穩定的。 使用熱敏電阻的溫度補償電路以 + 5% / ℃或更高的精度抵消了這一影響,并產生了與溫度無關的輸出函數。 如果在相同溫度下進行校準和取樣,或者在校準后立即進行測量,則沒有錯誤。 很小的溫度變化(10 ~ 15 ℃)產生小于 + 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。 輸出信號與混合氣體中氧氣的分壓成線性比例關系,大氣壓力的任何變化都會導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得到補償時,分析儀的讀數才是正確的。 如果樣品壓力被控制為恒定的,那么分析儀應該在與測量的壓力和流量相似的情況下進行校準樣品氣體。 如果使用單獨的傳感器測量壓力,那么氧濃度可以根據采樣氣體的絕對壓力計算出來。 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 的流量不會引起氧讀數的顯著變化。然而, 流量超過 0. 141 5 m3/ h 可能會產生背壓和錯誤的氧氣讀數,為了達到最佳性能,建議氣體流量為0. 056 6 m3/ h或 1 L / min。

響應時間:傳感器的響應時間取決于所測量樣品氣體的濃度等諸多因素,當氧傳感器在微量范圍內達到平衡,那么它對氧濃度變化的響應時間非常快。 如果將其暴露在體積分數超過 1% 的氧氣中,可能導致傳感器的液體電解質暫時飽和,需要額外的時間才能達到平衡,并再次獲得快速的響應。

可供參考的響應時間如下:

從 1%下降到 0. 1%時,　 　 　 　 少于 180 s;

從 0. 1%下降到 0. 00l%時, 少于 10 min;

從 10 × 10 - 6下降至小于 10 - 6時,少于 10 h。

濕度影響:傳感器的輸出與氧氣的相對濕度成比例。 氧傳感器適用于樣品氣體相對濕度在 0 ~99%之間的非冷凝的場合。 除稀釋氣體外,非冷凝的濕度對傳感器的性能沒有影響。 然而,應該注意的是,水蒸氣產生壓力的方式與樣品氣流中的氧氣相同。 在絕對壓強恒定的氣體樣品中,濕度越大,氧氣組分的分壓就越小。在測量樣品氣體中的氧氣時,如果以體積分數或質量分數計算,那么還必須考慮相對濕度的影響。 如果相對濕度從校準之日起一般保持不變,則由相對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,然后對樣品氣體進行加濕,傳感器輸出信號要略低于先前的輸出信號。 這是由樣品氣體中的氧氣被水蒸氣稀釋造成的。 在同時存在濕和干氣流的系統中, 這一特性非常重要。 此外,高濕度的氣流可能會在傳感器上凝結而最終影響性能。

傳感器影響因素:傳感器的化學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,根據電解質的化學特性,傳感器還是對一些高濃度的腐蝕性氣體極其敏感。 表 1 列出了各種氣體對傳感器的影響。

表 1　 各種氣體對傳感器的影響

干擾等級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 的干擾等級被認為是 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相當于 300 × 10 - 6(正常氧信號為 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成本顯著降低,維護成本低,無復雜機械結構,傳感器壽命長,且無需頻繁更換耗材(如干燥劑、電解液等) ,適合大規模應用。 當氧傳感器暴露于微量氧中時,通常在 2 年壽命內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到正常狀態,從而延長傳感器的使用壽命。 便攜式微量氧分析儀采用低功耗設計,支持電池供電,適合無穩定電源的野外或工業現場,長期使用電費成本趨近于 0.能耗小。 便攜式微量氧分析儀節省人力成本,快速檢測減少實驗室送樣流程,避免專職人員值守,尤其適用于多點位巡檢(如電解槽、空壓站等) 。

3. 3　 操作簡便

便攜式微量氧分析儀即開即用,不必預熱或復雜初始化,開機后可直接進入測量模式,提升緊急檢測效率(如化工生產突發情況) 。 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,支持多語言界面,降低非技術人員操作門檻。 內置自檢與校準程序,減少人工干預,避免手動校準的煩瑣步驟。 多數品牌和型號的便攜式微量氧分析儀可在 1~ 3 min 內輸出結果,尤其適合生產線實時監控,避免停機等待。

3. 4　 多功能性

除氧含量測定外,部分便攜式微量氧分析儀還可測量其他氣體參數,滿足多種工業需求,寬量程覆蓋,檢測范圍從 10 - 6級微量氧分到百分比級高濃度氧含量,滿足多樣場景使用,同時具備很好的數據擴展性,內置存儲與藍牙/ Wifi 傳輸功能,支持生成趨勢分析報告,或對接 LIMS 系統(實驗室信息管理系統) 。 大部分便攜式微量氧分析儀環境適應性強,有耐高溫、抗腐蝕設計,可在石化、制藥等惡劣環境中穩定工作,部分型號兼容防爆要求。

4　 應用實例

采用 INNOKIE 便攜式微量氧分析儀對氯壓機密封氣氮氣中氧含量進行監測。

4. 1　 標定

首先確認四通閥置于 BYPASS 狀態、流量調節針型閥關閉,長按電源鍵 3 s 左右開機,連接氧含量為 5 × 10 - 6的標準氣體,吹掃分析儀管路 3 ~ 5 min后,將四通閥打開至 SAMPLE 狀態,等待數據穩定,進入標定界面,選擇低點標定,將標準氣體濃度值輸入目標值,按√確認,完成標定。 退出標定界面,將四通閥調至 BYPASS 狀態,關閉流量調節針型閥。

4. 2　 樣品測定

首先確認四通閥置于 BYPASS 狀態、流量調節針型閥關閉,長按電源鍵 3 s 左右開機,連接預處理后的采樣氣體(建議采樣氣體溫度為 5 ~ 45 ℃,氣體壓力為34. 48 ~ 68. 95 kPa)至設備進氣口,調節流量為 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,等待數據穩定,記錄測量值,或者保存測量值,測試完畢,將四通閥調至BYPASS 狀態,關閉流量調節針型閥,長按電源鍵3 s左右關機,斷開采樣管線。 平行測定結果見表 2.

表 2　 平行測定結果

表 2 平行測定結果表明:儀器能夠實時、準確地測定氧含量,確保氯壓機密封氣中氧含量低于 10 ×10 - 6.滿足安全生產要求。 與傳統方法相比,便攜式微量氧分析儀顯著提高了檢測效率,降低了成本。

5　 結論

便攜式微量氧分析儀在氯壓機密封器氧含量測定中表現出高精度、低成本及操作簡便的優勢,適合工業現場應用。 相比傳統的吸收法和氣相色譜法,便攜式微量氧分析儀在效率和經濟性方面更具競爭力,是氯堿工業中氧含量測定的理想選擇。