Chơng 5 Phân tích khí 5.1. Khái niệm và phơng pháp phân tích 5.1.1. Khái niệm Trong luyện kim, nhiều quá trình công nghệ đợc tiến hành trong môi trờng khí mà thành phần của chúng ảnh hởng lớn đến hiệu quả quá trình và chất lợng sản phẩm. Phân tích khí nhằm xác định thành phần của một hay một số chất trong hỗn hợp khí tác động lớn tới quá trình, các thành phần khí cần phân tích thờng là O 2 , CO, SO 2 , CO 2 , H 2 , 5.1.2. Phơng pháp phân tích Để phân tích khí có thể dùng nhiều phơng pháp khác nhau, có thể phân thành ba nhóm: + Phân tích hóa học. + Phân tích điện. + Phân tích quang phổ. Phơng pháp phân tích hóa học có u điểm là cho kết quả chính xác nhng thời gian phân tích lâu, dụng cụ cồng kềnh và dễ vỡ, thờng chỉ áp dụng trờng hợp đòi hỏi kết quả phân tích chính xác cao. Phơng pháp phân tích điện, tuy cho kết quả chính xác thấp nhng thời gian phân tích nhanh đáp ứng kịp thời yêu cầu công nghệ. Trong chơng này chủ yếu trình bày các phơng pháp ứng dụng nhiều trong công nghiệp nh phơng pháp phân tích điện và phân tích quang phổ. 5.2. Phơng pháp phân tích điện Phơng pháp phân tích điện bao gồm: phân tích theo độ dẫn nhiệt, theo độ từ thẩm, theo khả năng hấp thụ bức xạ ánh sáng của chất khí cần phân tích. 5.2.1. Phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí Phơng pháp phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí dựa vào sự khác nhau về độ dẫn nhiệt của các chất khí. Một chất khí ở điều kiện nhất định có một độ dẫn nhiệt nhất định và độ dẫn nhiệt của hỗn hợp phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của các cấu tử. Bảng 5.1 cho độ dẫn nhiệt tơng đối của một số chất khí so với không khí. Phơng pháp này thờng dùng để phân tích khí CO 2 , đôi khi dùng để phân tích khí SO 2 . -78- Bảng 5.1. Độ dẫn nhiệt tơng đối của các chất khí Chất khí Không khí O 2 CO 2 SO 2 CO H 2 CH 4 Hơi nớc / kk 1 1,01 0,6 0,34 0,96 7,0 1,27 1,3 Thiết bị phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí có bộ phận cơ bản là một buồng đo có dạng hình trụ bên trong căng một sợi dây bạch kim (hình 5.1). 1 2 D d Hình 5.1 Thiết bị đo khí theo độ dẫn nhiệt 1) Buồng đo 2) Dây bạch kim Khi cho dòng không khí chuyển động chậm đi qua buồng đo, cấp điện để nung nóng dây bạch kim sao cho nhiệt độ dây , khi đó nhiệt độ thành buồng đo là t C100t o d = b . Khi phân tích, cho dòng khí cần phân tích chuyển động qua buồng đo, do độ dẫn nhiệt của khí cần phân tích khác không khí nên nhiệt độ dây bạch kim thay đổi. Căn cứ độ sai lệch của nhiệt độ dây có thể xác định đợc thành phần khí phân tích. Độ dẫn nhiệt của khí xác định theo công thức: t.l.2 d D ln.Q = (5.1) Trong đó: D - đờng kíng buồng đo. d - đờng kính dây bạch kim. l - chiều dài dây. t - độ chênh lệch giữa nhiệt độ dây và nhiệt độ thành bình: bd ttt = (5.2) Loại bỏ các đại lợng ổn định ta có quan hệ )t(f d = . -79- Từ (5.1) và (5.2) ta có: bd t l2 d D lnQ t + = (5.3) Khi nhiệt độ dây thay đổi (thờng trong phạm vi 5 o C) thì điện trở của dây R d thay đổi theo, để đo nhiệt độ dây ngời ta dùng cầu cân bằng (hình 5.2). Cầu cân bằng gồm hai điện trở so sánh R 4 và R 2 , các điện trở R 1 và R 3 là hai buồng đo. Điện trở R p là điện trở điều chỉnh dòng đi qua các biến trở, R 0 là điện trở điều chỉnh điểm 0. R 0 R 4 R 2 R 3 R 1 R p E G Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống phân tích khí CO 2 Phơng pháp này thờng dùng phân tích khí CO 2 , giới hạn đo 0 - 20 % CO 2 . 5.2.2. Phân tích theo sự cháy của cấu tử cần phân tích Phơng pháp phân tích khí theo sự cháy của cấu tử cần phân tích đợc dùng để phân tích tổng lợng khí (CO + H 2 ). Sơ đồ nguyên lý của thiết bị trình bày trên hình 5.3. ở đây R 3 là buồng đo có dây bạch kim đợc nung nóng lên tới nhiệt độ 300 - 400 o C. mA R 0 R 4 R 2 R 3 R 1 R p E G Hình 5.3 Sơ đồ hệ thống đo hỗn hợp khí CO + H 2 -80- Nguyên lý hoạt động: Khí cần phân tích đợc dẫn qua buồng đo R 3 , nhờ xúc tác bạch kim, xẩy ra phản ứng: CO + H 2 + O 2 CO 2 + H 2 O + Q Nếu hàm lợng (CO + H 2 ) thay đổi 1% thì nhiệt độ dây thay đổi 125 - 150 o C. Thiết bị phân tích khí loại này cho kết quả chính xác không cao, sai số thờng > 2,5%. 5.2.3. Phân tích khí theo độ từ thẩm của khí Phơng pháp phân tích khí theo độ từ thẩm của khí dựa trên tính chất từ của các loại khí. Chất khí nào có độ từ thẩm lớn sẽ bị nam châm hút, còn chất khí nào có độ từ thẩm thấp không chịu tác động của từ trờng. Phơng pháp này thờng dùng để phân tích thành phần oxy trong hỗn hợp. Bảng 5.2 Độ từ thẩm của chất khí (à) . Khí O 2 NO K.khí NO 2 C 2 H 2 He H 2 N 2 Cl 2 CO à 192 60,0 30,8 9 1 -0,0083 -0,164 -0,154 -0,6 0,84 Sơ đồ thiết bị phân tích trình bày trên hình 5.4a. U c 0,8V U s R k R R 6 R 7 R 1 R 2 20V ĐC 2 1 R 6 R 7 34 A a) b) Hình 5.4 Sơ đồ thiết bị phân tích khí theo độ từ thẩm 1) Sơ đồ cấu tạo buồng đo b) Sơ đồ hệ thống đo Thiết bị đo gồm buồng đo hình tang trống (1) có hai cửa, cửa trên để dẫn khí vào, cửa dới để dẫn khí ra. Trong buồng đo bố trí màn chắn (2), điện trở R 6 và R 7 -81- bằng dây bạch kim, nam châm (3) và cực từ giả (4) có hình dáng giống với nam châm (3) nhằm tạo ra sự đối xứng về truyền nhiệt. Nguyên lý hoạt động: dòng khí cần phân tích đợc dẫn vào buồng đo bị tấm chắn (2) tách thành hai dòng. Dòng khí bên trái không chịu tác động của nam châm đi dọc thành buồng đo tới cửa ra. Dòng khí bên phải chịu lực hút của nam châm (3) đi qua điện trở R 6 đã đợc nung nóng sau đó tới cửa ra. Do dòng khí lạnh liên tục đi qua, nhiệt độ điện trở R 6 giảm. Căn cứ vào độ chênh nhiệt độ của điện trở R 6 và R 7 có thể xác định đợc thành phần của khí cần phân tích. Để đo độ chênh nhiệt độ dây sử dụng hệ thống đo có sơ đồ nh hình 5.4b. Phần (A) là buồng đo, R là biến trở đo, K là bộ khuếch đại, (ĐC) là động cơ xoay chiều liên kết động với kim chỉ và con chạy của biến trở đo R. Các điện trở R 6 và R 7 của buồng đo đợc nung nóng từ nguồn điện 20V. Khi cha cho dòng khí đi qua, nhiệt độ của hai điện trở R 6 và R 7 bằng nhau do đó điện trở của chúng bằng nhau, điều chỉnh R để cho . Khi đó cs UU = 0UUU cs = = , động cơ (ĐC) đứng yên và kim chỉ chỉ 0. Khi cho dòng khí đi qua, nhiệt độ của điện trở R 6 giảm xuống, U c thay đổi và Sc UU 0UUU cs = , chênh áp qua khuếch đại (K) cấp điện cho động cơ (ĐC), động cơ quay kim chỉ và dịch con chạy của biến trở (R) cho đến khi . cs UU = Độ chính xác của kết quả phân tích phụ thuộc vào khoảng hàm lợng oxy, trong khoảng từ 0 - 10% hoặc từ 0 - 21% sai số 0,5%O 2 , còn trong khoảng từ 0 - 100% sai số 1,25%O 2 . 5.2.4. Phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ Phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ dựa trên hiện tợng hấp thụ có chọn lọc các tia bức xạ của các chất khí, đặc biệt là bức xạ hồng ngoại. Phơng pháp này chủ yếu dùng phân tích khí CO 2 . Sơ đồ nguyên lý của thiết bị trình bày trên hình 5.5. Nguyên lý hoạt động: khi phân tích, dây điện trở (3) đợc nung nóng đến nhiệt độ 700 - 800 o C để tạo ra ánh sáng đỏ, đĩa (5) trên đó có các lỗ trống quay với vận tốc n = 6 vòng/s. Luồng bức xạ gồm các bức xạ mà tất cả các chất khí không cần phân tích hấp thụ (ký hiệu bằng mũi tên tô đậm) và các bức xạ chỉ bị chất khí phân tích hấp thụ (ký hiệu bằng mũi tên không tô đậm) qua gơng cầu (4) và các lỗ trống -82- của đĩa quay tạo ra xung ánh sáng đi xuống các buồng chứa khí. Khi đi qua các bình chứa khí do bình chế tạo bằng florin nên hầu nh bình không hấp thụ ánh sánh đỏ. Luồng bức xạ bên trái đi qua buồng (8) chứa không khí sạch nên không bị hấp thụ, luồng bức xạ bên phải đi qua buồng (9) chứa chất khí phân tích một phần bức xạ bị hấp thụ. Khi đi qua buồng (10) tất cả bức xạ mà các chất khí không cần phần tích hấp thụ sẽ bị hấp thụ hoàn toàn. Nh vậy sau khi đi qua buồng (10) luồng bức xạ bên trái và bên phải chỉ còn những bức xạ mà chất khí phân tích hấp thụ nhng cờng độ khác nhau. Nhờ hệ thống gơng phản xạ hai luồng bức xạ trên đợc hớng vào hai mặt của một micrôvôn, do năng lợng bức xạ của hai luồng khác nhau nên tạo ra tín hiệu sai lệch. Tín hiệu sai lệch sau khi đợc khuếch đại nhờ bộ khuếch đại (13) làm dịch chuyển con chạy biến trở để thay đổi dòng điện cung cấp cho dây nicrôm (3)và cấp tín hiệu cho đồng hồ đo (14). Toàn bộ hệ thống đợc đặt trong buồng điều nhiệt. 8 9 10 10 14 12 13 3 4 2 6 7 5 4 3 1 11 Hình 5.5 Sơ đồ thiết bị phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ 1) Nguồn điện 2) ổn áp 3) Dây điện trở nicrôm 4) Gơng cầu 5) Đĩa quay 6) Động cơ điện 7) Chỉnh lu cơ khí 8) Bình chứa khí sạch 9) Bình chứa khí cần phân tích 10) Bình chứa các khí không cần phân tích 11) Hệ thống gơng phản xạ 12) Micrôvôn 13) Bộ khuếch đại 14) Đồng hồ đo thứ cấp -83- 5.3. Phơng pháp quang phổ định lợng Thiết bị phân tích khí bằng quang phổ gồm buồng ion hóa (1), buồng từ trờng (3), cảm biến (5), bộ khuếch đại (6) và dụng cụ đo (7). Hai thành buồng ion hóa đợc đặt dới một điện áp U r . R 6 7 5 4 2 3 1 e r 4 r 3 B r 2 r 1 E Hình 5.6 Sơ đồ thiết bị phân tích khí bằng quang phổ 1) Buồng inon hóa 2) Buồng từ trờng 3&4) Khe hở 5) Cảm biến 6) Khuếch đại 7) Dụng cụ đo Nguyên lý hoạt động: khí phân tích đợc chứa vào buồng (1) dới áp suất thấp, bị bắn phá bởi dòng điện tử (e) và bị ion hóa. Dới tác dụng của điện trờng E r do điện áp U r gây ra, các ion chất khí chuyển động về phía thành dới của buồng và có một luồng đi qua khe hở (2) vào buồng từ trờng (3) theo quán tính. Dới tác dụng của từ trờng vuông góc ( B r ), các ion chuyển động theo những quỹ đạo cong với bán kính cong (r) khác nhau, phụ thuộc vào cờng độ điện trờng E r , cờng độ từ trờng ( B r ), cũng nh khối lợng (m) và điện tích (e) của ion, trong đó m và e là hai nhân tố thuộc bản chất chất khí. Bằng cách thay đổi E r và B r ta có thể hớng những chùm ion khác nhau đi qua khe hở (4) tới cảm biến (5). Tín hiệu từ cảm biến (5) qua bộ khuếch đại (6) đợc đa tới dụng cụ đo (7). -84- . 5. 2 Sơ đồ hệ thống phân tích khí CO 2 Phơng pháp này thờng dùng phân tích khí CO 2 , giới hạn đo 0 - 20 % CO 2 . 5. 2.2. Phân tích theo sự cháy của cấu tử cần phân tích Phơng pháp phân tích. thay đổi 1 25 - 150 o C. Thiết bị phân tích khí loại này cho kết quả chính xác không cao, sai số thờng > 2 ,5% . 5. 2.3. Phân tích khí theo độ từ thẩm của khí Phơng pháp phân tích khí theo. Phơng pháp phân tích Để phân tích khí có thể dùng nhiều phơng pháp khác nhau, có thể phân thành ba nhóm: + Phân tích hóa học. + Phân tích điện. + Phân tích quang phổ. Phơng pháp phân tích hóa