Bài giảng ĐO LƯỜNG NHIỆT Chương 6 Phân tích thành phần hỗn hợp Bộ môn TĐH&ĐK quá trình Nhiệt – Lạnh

CHƢƠNG VI PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HỖN HỢP Nội dung 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 Khái niệm chung Dụng cụ phân tích khí kiểu hóa học Dụng cụ phân tích khí kiểu nhiệt Dụng cụ phân tích khí kiểu từ Dụng cụ phân tích khí kiểu điện Dụng cụ phân tích khí kiểu quang học Dụng cụ phân tích khí kiểu sắc ký Đo nồng độ muối hòa tan nƣớc (độ dẫn điện) 6.1 Khái niệm chung    Phân tích thành phần hỗn hợp: xác định thành phần chất có hỗn hợp chất khí chất lỏng Mục đích: - Đ/k q trình cơng nghệ ngành cơng nghiệp như: lượng, luyện kim, hóa chất, sản xuất khí, chế biến dầu mỏ,… - Đảm bảo vận hành AT cho đối tượng công nghệ - Bảo vệ môi trường thông qua việc giám sát thành phần có khí thải nước thải Ngun lý: dựa khác biệt t/c lý-hóa chất so với chất khác có hỗn hợp A- PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN KHÍ      Phần lớn dụng cụ phân tích khí tự động CN dùng xác định nồng độ thành phần khí hỗn hợp Hỗn hợp khí coi có thành phần: - Thành phần cần xác định mà nồng độ ảnh hưởng tới t/c lý-hóa hỗn hợp - Thành phần cịn lại mà nồng độ khơng ảnh hưởng tới t/c lý hóa hỗn hợp Các dụng cụ phân tích sử dụng TN xác định thành phần khí khác hỗn hợp Các dụng cụ phân tích chia độ theo % so với thể tích, mg/m3, mg/l ppm (phần triệu: ppm = 0,0001%) Đơn vị % thuận tiện không thay đổi t0 AS thay đổi   Thể tích khí phụ thuộc vào t0 AS nên thƣờng sử dụng đơn vị mg/m3tc thay cho mg/m3 m3tc - thể tích khí đƣợc qui đ/k tiêu chuẩn (0 0C 101.325 Pa) Các dụng cụ phân tích khí đƣợc chia nhóm: - Kiểu khí - Kiểu nhiệt - Kiểu từ - Kiểu điện - Kiểu quang học - Kiểu sắc ký - Kiểu khối - phổ 6.2 Dụng cụ phân tích khí kiểu hóa học  Dụng cụ phân tích khí Orsat - Bình chứa KOH dùng hấp thụ RO2 - Bình chứa KOH + C6H5(OH)3 dùng hấp thụ O2 - Bình chứa NH4Cl + NH3 +CuCl dùng hấp thụ CO 6.3 Dụng cụ phân tích khí kiểu nhiệt    Gồm có kiểu dẫn nhiệt kiểu nhiệt-hóa Dụng cụ phân tích khí kiểu dẫn nhiệt Độ dẫn nhiệt tƣơng đối số chất khí so với kk: Thƣờng sử dụng để xác định nồng độ H2 HT làm mát máy phát CO2 khói thải 6.3 Dụng cụ phân tích khí kiểu nhiệt (tiếp)  Độ dẫn nhiệt hỗn hợp khí: n   1C1  2C2   nCn  iCi i1   CCC  K CK CK  CC 1 CC     K  /  C K         K C coi nhƣ biết, để xác định nồng độ khí mà ta quan tâm cần xác định độ dẫn nhiệt hỗn hợp 6.3 Dụng cụ phân tích khí kiểu nhiệt (tiếp)  Nguyên lý sơ đồ đo lƣờng dụng cụ phân tích (cầu đơn): Q  2 l (tdd  tv ) / ln( D / d ) Q - lƣợng nhiệt truyền từ dây dẫn/giây L, d - chiều dài đƣờng kính dây dẫn D - đƣờng kính buồng đo λ – độ dẫn nhiệt hỗn hợp khí t dd, tv – nhiệt độ dây dẫn vách buồng đo 6.4 Dụng cụ phân tích khí kiểu từ    Nguyên lý: dựa việc đo t/c từ hỗn hợp khí Độ từ cảm thể tích  : t/c từ quan trọng chất khí Gồm có: Khí thuận từ (ái từ) Khí nghịch từ (kháng từ) Độ từ cảm thể tích tƣơng đối số chất khí 100 0C 10 6.4 Dụng cụ phân tích khí kiểu từ (tiếp)    Ơxy khí thuận từ, có độ từ cảm thể tích lớn khác xa so với khí khác PM Độ từ cảm thể tích khí thuận từ (ôxy):   C T 2R C - số Cuiri P,T- áp suất t0 tuyệt đối ôxy M - phân tử lƣợng ôxy R - số chất khí Độ từ cảm thể tích hỗn hợp khí, có ơxy: n   Ci i  Coxy oxy  1Coxy  K i1   - độ từ cảm thể tích trung bình thành phần khí K khơng cần xác định K oxy 11 6.4 Dụng cụ phân tích khí kiểu từ (tiếp)  Nguyên lý làm việc dụng cụ phân tích khí O2 khói kiểu nhiệt - từ (Hình vẽ): 12 6.5 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện Nguyên lý: xác định nồng độ thành phần khí dựa thay đổi t/c điện hỗn hợp 6.5.1 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện hóa  Nguyên lý: thành phần khí đƣợc xác định tƣợng điện-hóa xảy HT điện cực đƣợc nhúng hỗn hợp khí cần phân tích  Đây dụng cụ phân tích khí kiểu điện thông dụng  Ứng dụng: để đo nồng độ nhỏ khí độc hại chứa kk, nồng độ hỗn hợp khí tạp SX khí ứng dụng quan trọng đo %O2 sản phẩm cháy lò hơi, lò nung lò đốt rác thải  Ưu điểm: gọn, ổn định giá thành hợp lý dải sản phẩm rộng  13 6.5.1 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện-hóa (tiếp) Chất điện phân rắn thành phần CB khí kiểu điện-hóa Ƣu điểm: làm việc t0 cao (phản ứng xảy nhanh hơn, làm việc m/t có t0 cao nhƣ khí thải q/t cháy) 1- Nguyên lý làm việc CB O2 sử dụng ZrO2  ZrO2 - zirconia ôxit zircôni chất điện phân rắn, VL gốm có cấu trúc mạng tinh thể  Thơng thƣờng CB có dạng ống hình trụ, bề mặt phía phía ngồi đƣợc phủ lớp mỏng bột (muội) platin xốp, đóng vai trị nhƣ điện cực katốt anốt (Hình vẽ)  14 6.5.1 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện-hóa (tiếp) * Phía cấp kk so sánh thường bịt kín nên gọi phía ống, cịn phía khác để hở trực tiếp tiếp xúc với m/t khí cần đo O2 nên gọi phía ngồi ống 15 6.5.1 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện-hóa (tiếp)   Khi xuất chênh lệch AS riêng phần phía (chênh lệch nồng độ O2), ion ơxy khuyếch tán bên mạng tinh thể, hình thành gradient mật độ Gradient mật độ đƣợc xác định tỷ số AS riêng phần P2 P1, tạo hiệu điện E điện cực Pt (Định luật Nernst) P2 RT E  ln nF P1 R- số chất khí (8,314 J/mol.K) F- số Farađây (96.485 C) n- số điện tử ôxy trao đổi phản ứng (n=4) * Vách ống có mật độ O2 cao, xảy phản ứng hoàn nguyên: O2 + 4e  2O2- (mất điện tử nên tích điện dương) Vách ngồi ống xảy phản ứng ơxy hóa: 2O2-  O2 + 4e (nhận điện tử nên tích điện âm) 16 6.5.1 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện-hóa (tiếp)   Trong hỗn hợp khí, tỷ số AS riêng phần thành phần khí so với tổng AS khối khí tỷ lệ thuận với thành phần thể tích khí khối khí: P1 V1 P2 V2   C1   C2 P V P V C2 RT E  ln Do viết: nF C1 Thay giá trị biết R,F,n C2 (nồng độ ôxy kk 20,8%), chuyển đổi số lôga tự nhiên thành đối số thơng thƣờng, có: E = 0,0338T – 0,0496T.logC1 [mV] - E phụ thuộc lớn vào t0, t0 = const E = f(C1) - E lớn C1 thấp E = C1= C2 17 6.5.1 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện-hóa (tiếp)  Ưu, nhược điểm: - Đòi hỏi sử dụng t0 cao (700 - 750 0C) nên lắp đặt trực tiếp đƣờng khói, khơng cần TB lấy mẫu - Cho số đo liên tục, có đặc tính tần số tốt thay đổi O2, thuận tiện cho việc TĐH - Sự có mặt CO, H2, NH3 làm số dụng cụ đo bị thấp khí có phản ứng với ôxy - Tuổi thọ tƣơng đối ngắn (thƣờng < 18 tháng sử dụng liên tục) do: khuyếch tán Pt qua lớp ZrO2 làm ngắn mạch điện cực, độ không ổn định tăng dần theo thời gian, làm việc chế độ đóng/cắt thƣờng xuyên dẫn đến vết nứt ứng suất t0 - Giá thành thay cao 18 6.5.1 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện-hóa (tiếp)  Sơ đồ HT phân tích O2 khói, sử dụng CB ZrO2: 19 6.5.2 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện trở bán dẫn Nguyên lý: dựa thay đổi điện trở số oxide KL có t/c bán dẫn có mặt chất khí (do xảy phản ứng ôxy hóa khử ôxy)  Sử dụng: xác định thành phần khí CO, NOx, O3, Cl2, H2S số hydrocarbon Vd: - Điện trở chronium titanium oxide Cr2TiO5 tăng có mặt CO hydrocarbon - Điện trở tungsten trioxide WO3 tăng có mặt NOx O3  Để hỗ trợ q/t ơxy hóa/khử CB đƣợc gia nhiệt tới t0 cao m/t  Kết cấu điển hình CB khí kiểu oxide KL: (Hình vẽ)  20 6.5.2 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện trở bán dẫn (tiếp) * Vd: Bộ CB khí CO điển hình có dải t0 m/t từ -20 đến +60 0C, CS vận hành 650 mW R = 53 k đặc trưng kk., 85 k m/t có 100 ppm CO 120 k m/t có 400 ppm CO 21 6.6 Dụng cụ phân tích khí kiểu quang học     Nguyên lý: Xác định nồng độ khí dựa việc đo t/c quang học hỗn hợp khí nhƣ: số khúc xạ, xạ phổ, hấp thụ phổ, mật độ quang,… Ứng dụng: dùng phân tích vi lƣợng khí độc hại dễ nổ m/t khu CN có độ nhạy cao Loại sử dụng nguyên lý hấp thụ NL xạ thành phần khí cần đo vùng hồng ngoại tử ngoại phổ biến CN Định luật Beer-Lambert: I  I0.exp(.c.L) I0 I - cƣờng độ BX đơn sắc buồng có chiều dài L, bên có khí cần xác định có mật độ C HS hấp thụ phổ  22 6.6 Dụng cụ phân tích khí kiểu quang học (tiếp)  Bộ CB nhận biết thông qua: - Các phân tử khí hấp thụ BX, nhận thêm NL, dao động mãnh liệt hơn, t0 chúng tăng tỷ lệ với nồng độ - Các phân tử khí hấp thụ NL tần số riêng, làm suy giảm NL xạ qua 23 6.7 Dụng cụ phân tích khí kiểu sắc ký      Sắc ký KT tách hỗn hợp thành thành phần dựa sở phân bố phân tử chúng pha không trộn lẫn đƣợc Pha tĩnh (chất rắn chất lỏng) có diện tích bề mặt so với thể tích pha bị tách cuối Pha động (chất lỏng chất khí) tạo nên hƣớng chuyển động so với pha tĩnh Hỗn hợp vận chuyển pha động, nhƣng so tƣơng tác với pha tĩnh làm cho thành phần chuyển động với tốc độ khác Trong sắc ký khí q trình chiếm ƣu hấp phụ: tách thành phần khí dựa t/c hấp phụ khác chúng diễn cột sắc ký chứa đầy chất rắn xốp (chất hấp phụ) nhƣ: than hoạt tính, silicagen, alumagen, 24 6.7 Dụng cụ phân tích khí kiểu sắc ký (tiếp)  Sơ đồ nguyên lý dụng cụ phân tích khí dựa nguyên tắc hấp phụ: 25