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氯气氯化氢中微量水的测量方法和研究

2021-02-09568

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氯气氯化氢中微量水的测量方法和研究

一、水分的测量与控制

       氯气透平压缩机对于氯碱生产过程的平稳控制至关重要,目前德国西门子(KK&K)压缩机在中国氯碱行业得到了广泛的应用。为防止湿氯气对压缩机造成破坏性的腐蚀,对进入压缩机的氯气含水量进行监测并对压缩机的联锁保护是十分重要的措施。目前国内德国西门子(KK&K)压缩机用户大多随氯气压缩机引进德国DKS公司的AQUATRACE或MT1000微量水分析仪。很多用户还对压缩机的出口的氯气采用德国MZD SMART微量水分分析测量,及时监测预冷器是否泄露。避免由于电导率和pH/ORP监控冷却水中的氯离子的测量滞后,从而避免氯压机进水事故造成的严重损失。

      由于氯气含水量通常低于40ppm,报警值为150ppm,通常使用0~500ppm量程。在线测量水分测量的方法有两种:直接测量法和间接测量法。直接测量法有电解法、激光法和光纤法,间接测量法有露点冷镜法、露点电容法。

1、电解法(五氧化二磷P2O5)

      传感器支柱上镀有平行的螺旋形铂金层作为电极,铂金层之间涂有水化的五氧化二磷薄膜,五氧化二磷有很强的吸水性,当氯气定流量通关过传感器流通池时,其中水分全部被吸收,产生磷酸溶液,反应式如下:

P2O5+3H2O→2H3PO4

       与此同时,在两铂金层间加上直流电压,即产生电解反应,分解出氧和氯,五氧化二磷还原,反应式如下:

4H3PO4→6H2+3O2+2P2O5 

       由法拉第电解定律知:电解1摩尔当量物质所需电量为96500库仑,这也是电解9.01克水所需的电量,由此可见,铂丝电极间的电解电流量是定量气体中水分含量的线性函数。

       根据国际和国家标准,对于氯气中微量水测量,电解法为法定仲裁法。

       由法拉第电解定律知:电解1摩尔当量物质所需电量为96500库仑,这也是电解9.01克水所需的电量,由此可见,铂丝电极间的电解电流量是定量气体中水分含量的线性函数。

2、激光法

       这种方法是使某一特定波长范围的光通过样气,并且把检测到的光谱和参考光谱相比较,这样就会测量到一些相对变化或者某些波长的光谱被吸收的情况。吸收量与样气中水分含量是成比例的。不适合有杂质颗粒污染场合。

       气体成分需要非常洁净。小量程为0~10ppm,精度高,适合用于电子行业;不适合有杂质颗粒污染或重复性及精度高的场合。由于氯气和氯化氢具有强腐蚀性,而且在化工工艺过程中,氯气和氯化氢气体管道并不如电子行业那么洁净,而且由于工艺设备金属管道也会受到氯气和氯化氢气体腐蚀产生杂质,故有些激光法分析仪需要吹扫气防止氯气和氯化氢腐蚀来保护激光镜片检测单元的同时保持洁净,很显然,如果吹扫气的水分或洁净度发生变化,必然引起最后测量结果的误差。又某德国厂家激光分析仪大量程为0~100,000或200,000ppm,精度为2%或10ppm(以大者为准),重复性为0.25%或50ppm(以大者为准),最低检测下限或分辨率为1ppm或5ppm;某日本厂家激光分析仪大量程为0~30,000ppm,线性度为1%FS,即300ppm重复性为2%。很显然激光法不适合应用于氯气/氯化氢化工工艺过程检测

3、光纤法

     光纤湿度传感器的表面为具有不同反射系数的氧化硅和氧化锆构成的层叠结构,通过先进的热固化技术,使传感器表面的孔径控制在0.3nm, 0.28nm的水分子可以渗入。控制器发射出一束790~820nm的近红外光,通过光纤电缆传送给传感器,进入到传感器的水分子会改变光的反射系数,从而引起波长的变化,该变化量与介质的水分含量成相应的比例关系。通过测量接收到的光的波长,就可以得到介质的露点及水分含量。精度高,免维护,非常稳定,可测量含H2S、HCL等的腐蚀性介质,传输光纤易折断,需要保护。不适合有杂质颗粒污染场合。

4、露点法

       当一定体积的气体在恒定的压力下均匀降温时, 气体和气体中水分的分压保持不变, 直至气体中的水分达到饱和状态, 该状态下的温度就是气体水分子数达到动态平衡时的温度来确定气体的露点。由露点根据温度和压力得到相对湿度来间接测量水分,但受到压力和温度的影响很大。

4.1 冷镜法

      金属镜面冷凝的形成由仪器仪表直接观察或电子识别。当冷凝在露点形成时,镜面处的温度和压力要经过精密测量,水分含量就可以通过水蒸汽压力和标准数据表计算出来。这时需要注意的是,水分有两个露点:水的露点和碳氢化合物的露点。精度高,不耐腐蚀,响应快,气体需要很洁净。不适合有杂质颗粒污染或有腐蚀的场合。

4.2 电容法

      电容传感器由一层三氧化二铝(AL2O3)分隔开的一个铝盘和一层金或薄膜电容,当气体通过传感器时,根据电容量从而测量出水分含量。价格便宜,不耐腐蚀,极易漂移,必须定期校准,后期维护费用高。不适合有杂质颗粒污染或有腐蚀的场合。


二、采样系统

       采样系统的设计对于氯气、氯化氢气体中水分含量测量的准确性和可靠性非常重要。采样系统元件和材质,需要注意:

1、材料:PTFE、PVDF或PFA等防腐材料。

2、取样管线越短越好。

3、减压器:压力过高时采用减压器。

4、采样泵:负压或压力过低时采用采样泵。

5、过滤器:在样气不是很脏的情况下,尽量不使用过滤器。


三、维护

       水分仪精度会受到杂质或采样系统等条件影响,需要及时对水分仪维护。一些仪表可以就地校验和维护,而有些仪表的维护和校验必须是返回到厂家进行。


五、结论

       绝大多数的测量问题都在采样系统,尤其是采样系统的泄露,仪器的精确度和可靠性取决于设备选型、采样系统设计、操作人员的培训以及仪器的定期维护。




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