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

3 6.1 Khái niệm chung  Phân tích thành phần hỗn hợp: xác định thành phần các chất có trong hỗn hợp của chất khí hoặc chất lỏng.. 4 A- PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN KHÍ  Phần lớn các dụng cụ ph

1

CHƯƠNG VI

PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN

HỖN HỢP

2

6.1 Khái niệm chung

6.2 Dụng cụ phân tích khí kiểu hóa học

6.3 Dụng cụ phân tích khí kiểu nhiệt

6.4 Dụng cụ phân tích khí kiểu từ

6.5 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện

6.6 Dụng cụ phân tích khí kiểu quang học

6.7 Dụng cụ phân tích khí kiểu sắc ký

6.8 Đo nồng độ muối hòa tan trong nước (độ dẫn điện)

Nội dung

3

6.1 Khái niệm chung

 Phân tích thành phần hỗn hợp: xác định thành phần các chất có trong hỗn hợp của chất khí hoặc chất lỏng

 Mục đích:

- Đ/k quá trình công nghệ trong các ngành công nghiệp như:

năng lượng, luyện kim, hóa chất, sản xuất khí, chế biến dầu

mỏ,…

- Đảm bảo vận hành AT cho các đối tượng công nghệ

- Bảo vệ môi trường thông qua việc giám sát các thành phần có trong khí thải hoặc nước thải

 Nguyên lý: dựa trên sự khác biệt về t/c lý-hóa của 1 chất này so

với các chất khác có trong hỗn hợp

4

A- PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN KHÍ

 Phần lớn các dụng cụ phân tích khí tự động trong CN dùng xác định nồng độ của 1 thành phần khí trong hỗn hợp

7

6.3 Dụng cụ phân tích khí kiểu nhiệt

 Gồm có kiểu dẫn nhiệt và kiểu nhiệt-hóa

Dụng cụ phân tích khí kiểu dẫn nhiệt

 Độ dẫn nhiệt tương đối của 1 số chất khí so với kk:

 Thường sử dụng để xác định nồng độ H 2 trong HT làm

mát máy phát hoặc CO 2 trong khói thải

9

 Nguyên lý sơ đồ đo lường của dụng cụ phân tích (cầu đơn):

2 ( dd v) / ln( / )

Q   l t t D d

Q - lượng nhiệt truyền từ dây dẫn/giây

L, d - chiều dài và đường kính dây dẫn

D - đường kính buồng đo

λ – độ dẫn nhiệt của hỗn hợp khí

t dd , t v – nhiệt độ của dây dẫn và vách

buồng đo

10

6.4 Dụng cụ phân tích khí kiểu từ

 Nguyên lý: dựa trên việc đo t/c từ của các hỗn hợp khí

 Độ từ cảm thể tích : 1 trong các t/c từ quan trọng của chất khí Gồm có: Khí thuận từ (ái từ) và Khí nghịch từ (kháng từ)

 Độ từ cảm thể tích tương đối của 1 số chất khí ở 100 0C



P,T- áp suất và t0 tuyệt đối của ôxy

M - phân tử lƣợng của ôxy

12

 Nguyên lý làm việc của dụng cụ phân tích khí O2 trong

khói kiểu nhiệt - từ (Hình vẽ):

13

6.5 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện

 Nguyên lý: xác định nồng độ của thành phần khí dựa trên

sự thay đổi t/c điện của hỗn hợp

6.5.1 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện hóa

 Nguyên lý: thành phần khí đƣợc xác định bằng các hiện

tƣợng điện-hóa xảy ra trong các HT điện cực đƣợc nhúng trong hỗn hợp khí cần phân tích

 Đây là dụng cụ phân tích khí kiểu điện thông dụng nhất

 Ứng dụng: để đo nồng độ rất nhỏ của các khí độc hại

chứa trong kk, nồng độ của hỗn hợp khí tạp khi SX khí

sạch và 1 ứng dụng rất quan trọng là đo %O2 trong các sản phẩm cháy của lò hơi, lò nung và các lò đốt rác thải

 Ưu điểm: gọn, ổn định và giá thành hợp lý trong dải sản

phẩm rộng

14

 Chất điện phân rắn là thành phần chính của bộ CB khí

kiểu điện-hóa Ưu điểm: làm việc ở t0 cao (phản ứng xảy

ra nhanh hơn, có thể làm việc trong m/t có t0 cao như khí thải của q/t cháy)

 ZrO2 - zirconia hoặc ôxit zircôni là chất điện phân rắn, là

VL gốm có cấu trúc mạng tinh thể

 Thông thường bộ CB có dạng 1 ống hình trụ, các bề mặt phía trong và phía ngoài được phủ 1 lớp rất mỏng bột

(muội) platin xốp, đóng vai trò như các điện cực katốt và

anốt (Hình vẽ)

15

* Phía cấp kk so sánh thường bịt kín nên gọi là phía trong ống, còn phía khác để hở và trực tiếp tiếp xúc với m/t khí cần đo O 2 nên gọi là phía ngoài ống

16

 Khi xuất hiện sự chênh lệch AS riêng phần giữa 2 phía (chênh lệch nồng độ O2), các ion ôxy sẽ khuyếch tán bên trong mạng tinh thể, hình thành gradient mật độ

 Gradient mật độ này đƣợc xác định bởi tỷ số AS riêng phần P2 và P1, tạo ra 1 hiệu điện thế E giữa 2 điện cực

Pt (Định luật Nernst)

R- hằng số chất khí (8,314 J/mol.K)

F- hằng số Farađây (96.485 C)

n- số các điện tử ôxy trao đổi trong phản ứng (n=4)

* Vách trong ống do có mật độ O 2 cao, xảy ra phản ứng hoàn nguyên:

O 2 + 4e 2O 2- (mất điện tử nên tích điện dương)

Vách ngoài ống xảy ra phản ứng ôxy hóa: 2O 2- O 2 + 4e (nhận điện tử nên tích điện âm)

21

RT E







17

 Trong hỗn hợp khí, tỷ số AS riêng phần của 1 thành phần khí so với tổng AS khối khí tỷ lệ thuận với thành phần thể tích khí đó trong khối khí:

Do đó có thể viết:

 Thay các giá trị đã biết của R,F,n và C2 (nồng độ ôxy

trong kk là 20,8%), chuyển đổi số lôga tự nhiên thành đối

lnC

RT E



18

- Đòi hỏi sử dụng ở t0 cao (700 - 750 0C) nên có thể lắp đặt trực tiếp trên đường khói, không cần TB lấy mẫu

- Cho số đo liên tục, có đặc tính tần số tốt đối với sự thay đổi của O2, thuận tiện cho việc TĐH

- Sự có mặt của CO, H2, NH3 làm số chỉ của dụng cụ đo bị thấp đi do các khí này có phản ứng với ôxy

- Tuổi thọ tương đối ngắn (thường < 18 tháng sử dụng liên tục) do: sự khuyếch tán Pt qua lớp ZrO2 làm ngắn mạch 2 điện cực, độ không ổn định tăng dần theo thời gian, khi làm việc trong chế độ đóng/cắt thường xuyên dẫn đến các vết nứt do ứng suất t0

- Giá thành thay thế cao

19

 Sơ đồ HT phân tích O 2 trong khói, sử dụng bộ CB ZrO 2 :

20

6.5.2 Dụng cụ phân tích khí kiểu điện trở bán dẫn

 Nguyên lý: dựa trên sự thay đổi điện trở của 1 số oxide

KL có t/c bán dẫn khi có mặt 1 chất khí nào đó (do xảy ra phản ứng ôxy hóa hoặc khử ôxy)

22

6.6 Dụng cụ phân tích khí kiểu quang học

 Nguyên lý: Xác định nồng độ khí dựa trên việc đo các t/c

quang học của hỗn hợp khí nhƣ: chỉ số khúc xạ, sự bức

xạ phổ, sự hấp thụ phổ, mật độ quang,…

 Ứng dụng: dùng phân tích vi lƣợng của các khí độc hại

và dễ nổ trong m/t của các khu CN do có độ nhạy cao

 Loại sử dụng nguyên lý hấp thụ NL bức xạ của thành

phần khí cần đo trong vùng hồng ngoại hoặc tử ngoại là

23

 Bộ CB nhận biết thông qua:

- Các phân tử khí hấp thụ BX, nhận thêm NL, dao động mãnh liệt hơn, t0 của chúng tăng tỷ lệ với nồng độ

- Các phân tử khí hấp thụ NL ở tần số riêng, làm suy giảm

NL bức xạ khi đi qua nó

 Pha tĩnh (chất rắn hoặc chất lỏng) có diện tích bề mặt so

với thể tích và là pha bị tách cuối cùng

 Pha động (chất lỏng hoặc chất khí) tạo nên hướng

chuyển động so với pha tĩnh

 Hỗn hợp được vận chuyển trong pha động, nhưng do so

sự tương tác với pha tĩnh làm cho các thành phần của

nó chuyển động với tốc độ khác nhau

 Trong sắc ký khí quá trình chiếm ưu thế là hấp phụ: tách

các thành phần khí dựa trên t/c hấp phụ khác nhau của chúng và diễn ra trong cột sắc ký chứa đầy chất rắn xốp (chất hấp phụ) như: than hoạt tính, silicagen,

alumagen,

25

 Sơ đồ nguyên lý dụng cụ phân tích khí dựa trên nguyên tắc hấp phụ: