氢气分析仪预处理系统和校准

氢气分析仪预处理系统和校准

在涉及气体的工业过程中，例如在能源工业、过程工程、生产或化学工业中，其目标是优化、提供质量保证或避免危险，将设备集成到测量系统、采样和处理中使用在线氢气分析仪可实现很优的过程控制。在此上下文中的术语“在线”是指工艺管线中的氢气浓度变化与测量信号变化之间的延迟非常短，以致测量信号始终表示瞬时浓度，以便其仍然可以被适当抵消。这也意味着分析是连续的，因为氢气浓度的相关变化不会被掩盖，甚至不会被发现。此类氢气分析仪装置可通过直接暴露于工艺气体（通常通过使用过滤或玻璃料）或通过直接通过工艺气体发送光束（例如用于现场光度计）在现场操作。二种可能性是移除气体，运输气体，必要时对其进行调节，然后进行分析。之后，它可以被反馈或丢弃。这种方法称为抽取式氢气气体分析。

两种方法都有其合理性和具体的优缺点。现场氢气分析通常是快速的，不会被处理破坏，并且通常需要较少的附加成分。另一方面，对选择性、对工艺条件的耐受性和现场调整的要求往往难以管理。氢气抽取分析的优点是能够调节样品进行分析，例如去除干扰成分，如灰尘和水蒸气。压力和温度可以达到更容易分析的水平。当然，如果被测氢气样品调节过程中的程序伪造了测量值，例如，测量组件在用于干燥气体的冷却器中被部分清洗，则此优势也可能有害。我们将在下面的段落中重点介绍抽取氢气浓度分析。

2、抽取式氢气浓度分析
2.1、采样位置：规划可以从定义采样点开始，这当然会受到测量任务本身的影响。首先，必须澄清相关氢气气体样品是否实际存在于提取地点。在那里，应完成所有混合过程和化学反应。冷却器或分离器后面的取样点特别适用于分析测量，其中物料平衡中的平均值比确定瞬时波动更重要。在大多数情况下，被测介质处于易于处理的状态，以便在这些位置移除。
在较大的氢气气体通道中，层内的浓度分布也可能发生在流动的横向。外围电流或例如平静区中的气体可能不具有代表性，并可能导致错误分析。此时，可能需要在初步试验期间通过扫描线横截面来确定代表性样品的合适位置。
2.2、移除装置：常用的是气体取样探头。它们提供了预分离的选项：例如，由于其惯性，可通过逆流萃取将颗粒、液滴和气溶胶排除在分析系统之外。另一方面，如果你想在样品中含有这样的物质，你必须用流动的方法等抽取。过滤器通常安装在探头内部，可与探头一起加热，以避免出现烟灰。在许多简单的应用中，使用T形件，T形件与主流成直角或锐角，以收集无问题的样气。
2.3、促进和传输氢气：在旁路布置中向氢气分析仪供应气体特别容易，旁路布置通过主流中的扼流圈产生旁路气流。如图1所示。安装有三通阀，用于供给和排出标定气体。溢流配有过滤器。如有必要，也可在氢气分析仪进气口前集成柱冷却器。
图1

如果气体输送没有超压，则使用样气泵。如果使用脉冲泵，由于湍流引起的信号噪声，甚至由于压力和流量相关性引起的信号偏移，存在过度脉动将使测量值失真的风险。因此，通常有必要通过在泵和分析仪之间集成限流元件将氢气分析仪与泵浪涌分离。如果泵在压力侧通过针阀节流，如图2所示，则不应使用会产生高压的泵，因为这可能导致不必要的反应，如冷凝。简单的磁性活塞泵特别适用于从大气压力下的系统中移除。当然，变量泵也可以用来调整没有压力峰值的适当流量。通过确定层流限制器上的压降，测量并（如有必要）监测流量并正确调整针阀（见图2）。

如果工艺气体相对于氢气分析仪出口处于足够的超压下，则应控制流量。如果压力过高或波动，则需要使用压力调节器或闭环流量控制来降低和稳定压力。使用FTC320EX氢气分析仪带流量装置，这种闭环控制特别简单，该氢气分析仪测量当前气体流量并为保持流量恒定的比例阀生成输出信号。该设置如图3所示。
如果需要在相同但较高的压力下进行 气体去除和重新进料，则可使用所谓的气体循环器。在这些装置中，气路完全封装，因此具有耐压性。它们的进料旋转阀由磁耦合驱动。测量FTC320EX氢气分析仪和FTC150氢气传感器的可承受高达20巴的压力。
2.4、被测氢气样品预处理：为了使样品能够进行连续和永 久的分析，通常需要对样品进行处理；这称为样品预处理，通常包括去除干扰成分。必须进行所有形式的分离和制备，以便样品仍能代表工艺管线中的气体成分。如果由于样品制备程序导致气体成分发生变化，则必须进行必要的再现，以获得代表工艺线中氢气浓度的正确校正值。例如，必须考虑使用气体冷却器减少的总气体体积，以校正测量值。被测氢气样品制备采用物理和化学方法。
物理过程包括：

• 冷却或加热
• 减压或增压
• 具有规定孔径的机械过滤
• 具有活性表面的过滤，如疏水层和疏油层
• 凝固
• 惯性或重力分离，如旋风分离器
• 渗透，例如干燥
• 挡板沉积

对于颗粒分离，常用的是机械过滤器和样气冷却器，用于去除可冷凝成分。
化学过程可以通过催化、化学键合或吸附将有问题的物质完全从样气中去除。这包括例如：

• 不同气体用不同尺寸的分子筛
• 油蒸气、重烃和氯化烃用活性炭
• 用于二氧化碳的钠石灰（钠、氢氧化钙）
• 一氧化碳氧化钙
• 硅胶保湿剂
• SOx用碳酸钠
• 用于H2S的Bog铁矿石

应注意的是，这些化合物是消耗品，必须在其容量能力结束前进行交换或再处理。

2.5、氢气分析仪的校准：为确保分析质量，必须使用校准气体检查氢气分析仪，必要时重新调整氢气分析仪。进料标定气体时，请记住冷却器、过滤器、吸收和释放可能会改变气体成分，因为它们可能会解吸水分。在样品制备过程中，应采用与样品气相同的处理方调节气体。这种情况如图2所示，其中校准气体在样气冷却器之前输入。如果预计在调整过程期间，气路将变干，则应以湿润状态供应标定氢气气体。如果导致污染，则在调整过程中暂停将气体再循环到工艺中。补偿压力影响对于许多在恒定压力条件下不进行的测量和调整是必要的。为了评估这一点，应注意光度计的读数与压力大致成比例变化。在大气条件下，50 hPa的压力变化也会导致读数变化约5%。对于基于热导率原理的测量氢气分析仪仪器，通常不需要在800 hPa（绝 对压力）以上的范围内进行压力补偿。因此，具有集成IR测量的FTC 400（如图4所示）配备有压力补偿装置。它在测量和调整过程中也处于激活状态，以便根据标准压力校正显示的测量值。

2.6、响应时间：在气体分析技术中，通常将分析系统的响应时间指定为T90时间。它是指从待测量的突然逐步变化到显示终值的90%所需的时间点之间的时间。在此定义中，T90时间包含死区时间，死区时间有时单独指定。死区时间是指从待测量的逐步变化到终值读数的10%所经过的时间。如果需要测量系统的快速响应，取样点不应不必要地远离反应区下游。此外，样品流量必须足够大，以保持样品在处理系统中的停留时间足够短。在分析管道中，通常存在塞流，其特征是气体以v=（dV/dt）/Q的速度传播，其中dV/dt表示每次的样本量，Q表示管道的横截面。因此，用于短响应时间的小管截面也是有用的。对于流量范围约为1l/min的管道，我们建议使用内径为2 mm的1/8〃管道。横截面中的大膨胀，例如通过泵、冷却器、分离器和过滤器，通常表现为混合反应器，根据经验法则，需要4倍于其体积的混合反应器才能将入口浓度的逐步变化传递到输出终值的90%。如果可能，重要的是要避免在氢气分析仪上游的取样路径中出现此类“混合反应器”，或至少使其变小。一些极性气体表现出吸附在表面的倾向，特别是与水（湿度）分结合时。这可能导致色谱效应。因此，应使用惰性光滑材料。加热管道也可以减少这种影响。图4显示了具有ZUI小响应时间的样品气的优化设置。有时，如果存在长样气路径且可获得高流速，则“快速回路”是有用的（见图5）。对于分析而言，过大的样本量从主流中提取，并送入靠近氢气分析仪的过滤器中。然后从过滤器中提取合适的样本流进行分析。从而将粉尘、气溶胶和液体分离。分离出的物料通过快速循环流去除；这种设置也称为“横流过滤”

2.7、管路材质：不锈钢部件，如LF316Ti，适用于防渗透、耐压和相对耐腐蚀的布置。HASTELLOY®等其他更耐腐蚀的合金可用于高侵蚀性气体。PTFE或PFA特别惰性，但渗透性很强，因此不适用于氧气的微量气体分析。这或多或少适用于所有聚合物。

氢气分析仪防冷凝和灰尘处理选项

当干燥剂或其他干燥设备和颗粒过滤失效或效率低时，被测气体可能冷凝或大的颗粒物进入分析仪，造成分析仪损坏。FTC320氧中氢分析仪内部传感器采用一层PTFE涂层保护热导传感器。防止冷凝和灰尘的保护措施：样品气体中的冷凝物通常会立即导致传感器元件的故障，从而导致装置的故障。灰尘、污垢、颗粒或碎屑也会损坏传感器元件。疏水过滤器将热导气体传感器元件与样品流分离。过滤器的孔径在μm范围内，不渗透冷凝物和灰尘。样品气体的原子和分子通过扩散进行 气体交换，几乎没有时间延迟。如果冷凝水进入带有薄膜的设备，测量会在几分钟内受损，但传感器可以非常有效地防止完全损坏。冷凝液蒸发后，设备准备再次测量。松散的污垢无法到达传感器元件。

氢气分析仪的校准

新的FTC320氢气分析仪标定出厂后，达到用户安装现场，由于现场的采样系统的压力、流量、湿度都发生了变化，如果进行精 确测量，需要把分析仪连接测试采样系统，在现场进行二次标定，消除现场参数影响。对于小量程的氧气中氢气准确测量，例如：0-2%Vol. H2/O2，需要时常通入100%

O2的纯氧气进行零点校准。