Analýza vlhkosti - Moisture analysis

Analýza vlhkosti zahrnuje celou řadu metod pro měření obsahu vlhkosti ve vysokých i stopových množstvích v pevných látkách, kapalinách nebo plynech. Vlhkost v procentech je sledována jako specifikace v komerční výrobě potravin. Existuje mnoho aplikací, kde je pro sledování výroby a zajištění kvality procesu nutné stopové měření vlhkosti . Stopová vlhkost v pevných látkách musí být kontrolována u plastů, farmaceutik a procesů tepelného zpracování. Mezi aplikace pro měření plynů nebo kapalin patří suchý vzduch, zpracování uhlovodíků , čisté polovodičové plyny, hromadné čisté plyny, dielektrické plyny , například v transformátorech a elektrárnách , a potrubní doprava zemního plynu .

Obsah vlhkosti vs. rosný bod vlhkosti

Rosný bod vlhkosti (teplota, při které se kondenzuje vlhkost z plynu) a obsah vlhkosti (kolik molekul vody jako zlomek z celkového množství) spolu neodmyslitelně souvisí. Obojí lze použít jako měřítko množství vlhkosti v plynu. Jsou neodmyslitelně spjaty a jednu lze poměrně přesně vypočítat z druhé.

Bohužel se oba termíny někdy používají zaměnitelně. Je důležité si uvědomit, že tyto dva parametry (např. Rosný bod vody a obsah vody) NENÍ totéž. Jsou zcela odlišné, i když související měření. Existuje řada metod pro měření obsahu vody, jak je uvedeno níže. Pro měření rosného bodu vody však existuje pouze jedna třída metod: chlazená zrcadla .

Ztráta sušením

Klasickou laboratorní metodou měření vysoké vlhkosti v pevných nebo polotuhých materiálech je ztráta sušením. Při této technice se vzorek materiálu zváží, vhodnou dobu se zahřívá v sušárně , ochladí se v suché atmosféře exsikátoru a poté se znovu zváží. Pokud je těkavým obsahem pevné látky primárně voda, pak ztráta sušením poskytuje dobrou míru obsahu vlhkosti. Protože manuální laboratorní metoda je relativně pomalá, byly vyvinuty automatizované analyzátory vlhkosti, které mohou zkrátit čas potřebný pro zkoušku z několika hodin na pouhých několik minut. Tyto analyzátory obsahují elektronickou váhu se vzorkem a okolním topným tělesem. Pod mikroprocesorovou kontrolou lze vzorek rychle zahřát a vypočítat výsledek před dokončením procesu na základě rychlosti ztráty vlhkosti, známé jako křivka sušení.

Titrace podle Karla Fischera

Přesnou metodou pro stanovení množství vody je Karl Fischerova titrace vyvinutá v roce 1935 německým chemikem, jehož jméno nese. Tato metoda detekuje pouze vodu, na rozdíl od ztráty sušením, která detekuje jakékoli těkavé látky.

Techniky používané pro zemní plyn

Zemní plyn představuje jedinečnou situaci, protože může mít velmi vysoké úrovně pevných a kapalných kontaminantů i korozivních látek v různých koncentracích.

Měření vody se provádí v dílech na milion , librách vody na milion standardních kubických stop plynu, hmotnosti vodní páry na jednotku objemu nebo hmotnosti vodní páry na jednotku hmotnosti suchého plynu. To znamená, že vlhkost je množství „plynné fáze“ vody v plynu. Pokud jsou v plynu přítomny kapaliny, jsou často odfiltrovány před dosažením analyzátoru plynu, aby byl analyzátor chráněn před poškozením.

Měření vlhkosti v zemním plynu se obvykle provádí jednou z následujících technik:

Existují i ​​jiné techniky měření vlhkosti, které se však z různých důvodů v aplikacích na zemní plyn nepoužívají. Například gravimetrický vlhkoměr a „dvoutlaký“ systém používaný Národním úřadem pro standardy jsou přesné „laboratorní“ techniky, ale nejsou praktické pro použití v průmyslových aplikacích.

Barevné indikační trubice

Barevný indikátor trubka (také označovaný jako Tube Draeger nebo skvrna Tube) je zařízení mnoho potrubí pro zemní plyn používá pro rychlé a hrubé měření vlhkosti. Každá zkumavka obsahuje chemikálie, které reagují na konkrétní sloučeninu a při průchodu plynem vytvářejí skvrnu nebo barvu. Zkumavky jsou použity jednou a vyřazeny. Výrobce kalibruje zkumavky, ale protože měření přímo souvisí s dobou expozice, průtokem a extrakční technikou, je náchylné k chybám. V praxi může být chyba až 25 procent. Zkumavky s barevným indikátorem jsou vhodné pro občasné hrubé odhady vlhkosti v zemním plynu; například pokud trubice ukazuje 30 liber vody, existuje vysoký stupeň jistoty, že je to přes 10 liber.

Chlazená zrcadla

Tento typ zařízení je považován za zlatý standard, pokud jde o měření rosného bodu vody v plynných médiích. U tohoto typu zařízení, když plyn proudí přes reflexní chladicí povrch, stejnojmenné chlazené zrcadlo , v místě, kde je povrch dostatečně chladný, začne na něj kondenzovat dostupná vlhkost v malých kapičkách. Přesná teplota, při které k této kondenzaci dojde poprvé, se zaregistruje a zrcadlo se poté pomalu zahřívá, dokud se vodní kondenzace nezačne odpařovat. Tato teplota je také registrována a průměrná teplota kondenzace a odpařování se uvádí jako rosný bod . Všechna zařízení chlazeného zrcadla, manuální i automatická, jsou založena na stejné základní metodě. Je nutné měřit teplotu kondenzace i odpařování, protože rosný bod je ve skutečnosti rovnovážná teplota, při které molekuly vody kondenzují a odpařují se stejnou rychlostí. Vzhledem k tomu, že při chlazení zrcadla teplota prochází rosným bodem, místo aby se zastavila přesně na něm, je samotné měření teploty kondenzace příliš nízké, protože zrcadlo dosáhne teploty mírně pod rosným bodem, než začne kondenzovat voda . Proto, jak již bylo uvedeno výše, se teplota zrcadla pomalu zvyšuje, dokud není pozorováno odpařování a rosný bod se uvádí jako průměr těchto dvou teplot. Získáním přesné teploty rosného bodu lze vypočítat obsah vlhkosti v plynu. Teplota zrcadla může být regulována buď průtokem chladiva přes zrcadlo, nebo termoelektrickým chladičem známým také jako Peltierův prvek .

Tvarovací chování kondenzace na povrchu zrcadla lze zaregistrovat optickými nebo vizuálními prostředky. V obou případech je světelný zdroj nasměrován na zrcadlo a změny v odrazu tohoto světla v důsledku tvorby kondenzace mohou být detekovány senzorem nebo lidským okem. Přesný bod, ve kterém začíná docházet ke kondenzaci, není pouhým okem rozeznatelný, takže moderní ručně ovládané přístroje používají ke zvýšení přesnosti měření prováděných touto metodou mikroskop.

Analyzátory chlazeného zrcadla podléhají matoucím účinkům některých kontaminantů, obvykle však o nic víc než jiné typy analyzátorů. Se správnými systémy filtrace a přípravy plynů nemusí jiné kondenzovatelné látky, jako jsou těžké uhlovodíky, alkohol a glykol , narušit spolehlivou funkci těchto zařízení. Rovněž stojí za zmínku, že v případě zemního plynu, u kterého jsou výše uvedené kontaminanty problémem, on-line analyzátory běžně měří rosný bod vody při tlaku v potrubí, což snižuje pravděpodobnost, že například jakékoli těžké uhlovodíky kondenzujte před vodou.

Na druhé straně zařízení se chlazeným zrcadlem nepodléhají driftu a nejsou ovlivněna fluktuacemi složení plynu nebo změnami obsahu vlhkosti.

Chlazené zrcadlo v kombinaci se spektroskopií

Tato metoda analýzy kombinuje některé výhody měření chlazeného zrcadla se spektroskopií. V této metodě je transparentní inertní materiál ochlazen, protože IR paprsek je skrz něj směrován pod úhlem k vnějšímu povrchu. Když narazí na tento povrch, IR paprsek se odráží zpět skrz materiál. Plynné médium prochází povrchem materiálu v bodě odpovídajícím místu, kde se odráží IR paprsek. Když se na povrchu chladicího materiálu vytvoří kondenzát, analýza odraženého IR paprsku ukáže absorpci ve vlnových délkách, které odpovídají molekulární struktuře vytvořené kondenzace. Tímto způsobem je zařízení schopno rozlišovat mezi vodní kondenzací a jinými typy kondenzátů, jako jsou například uhlovodíky, pokud je plynným médiem zemní plyn. Jednou z výhod této metody je její relativní imunita vůči kontaminujícím látkám díky inertní přirozenosti transparentního materiálu. Podobně jako zařízení se skutečným chlazeným zrcadlem dokáže tento typ analyzátoru přesně měřit teplotu kondenzace potenciálních kapalin v plynném médiu, ale není schopen měřit skutečný rosný bod vody, protože to vyžaduje přesné měření také teploty odpařování .

Elektrolytické

Elektrolytické senzor používá dvě blízko sebe, paralelními vinutími povlečené tenkou vrstvou oxidu fosforečného (P 2 O 5 ). Protože tento povlak absorbuje přicházející vodní páru , je na vinutí aplikován elektrický potenciál, který elektrolyzuje vodu na vodík a kyslík. Proud spotřebovaný elektrolýzou určuje hmotnost vodní páry vstupující do senzoru. Aby se zachoval standardní hmotnostní průtok vzorku do senzoru, musí být přesně regulován průtok a tlak přiváděného vzorku.

Tato metoda je poměrně levná a lze ji účinně použít v proudech čistého plynu, kde rychlost odezvy není kritická. Znečištění oleji, kapalinami nebo glykoly na vinutí způsobí odchylky naměřených hodnot a poškození senzoru. Senzor nemůže reagovat na náhlé změny vlhkosti, tj. Reakce na povrchu vinutí se nějakou dobu stabilizuje . Velké množství vody v potrubí (tzv. Slimáci) navlhčí povrch a vyžaduje „desítky minut nebo hodin“ „vysušení“. Při použití elektrolytického senzoru je nezbytné účinné kondicionování vzorku a odstraňování kapalin.

Piezoelektrická sorpce

Piezoelektrický sorpce přístroj porovnává změny frekvence hydroscopically potažených křemenných oscilátorů . Jak se hmotnost krystalu mění v důsledku adsorpce vodní páry, mění se frekvence oscilátoru. Senzor je relativní měření, proto se k časté korelaci systému používá integrovaný kalibrační systém s vysoušecími sušičkami, prostupnými trubicemi a přepínáním vzorkovacího potrubí.

Systém má úspěch v mnoha aplikacích, včetně zemního plynu. Je možné, že bude docházet k interferenci s glykolem, methanolem a poškození ze strany sirovodíku, což může mít za následek nepravidelné hodnoty. Samotný snímač je relativně levný a velmi přesný. Požadovaný kalibrační systém není tak přesný a zvyšuje náklady a mechanickou složitost systému. Práce na časté výměně vysoušecích sušiček, permečních komponent a hlav senzorů výrazně zvyšuje provozní náklady. Slimy vody navíc způsobují, že systém nebude po dlouhou dobu nefunkční, protože hlava snímače musí „vyschnout“.

Oxid hlinitý a oxid křemičitý

Oxid senzor se skládá z materiálu substrátu inertní a dvou dielektrických vrstev, z nichž jedna je citlivý na vlhkost. Molekuly vlhkosti procházejí póry na povrchu a způsobují změnu fyzikální vlastnosti vrstvy pod ním.

Oxid hlinitý senzor má dvě kovové vrstvy, které tvoří elektrody o v kondenzátoru . Počet adsorbovaných molekul vody způsobí změnu dielektrické konstanty senzoru. Impedance snímače koreluje s koncentrací vody . Oxidu křemičitého senzor může být optické zařízení, které změní jeho index lomu je voda absorbuje do vrstvy citlivé nebo jiného typu impedance, ve které silikonový nahrazuje hliník.

U prvního typu (optického), když se světlo odráží skrz substrát, lze na výstupu detekovat posun vlnové délky, který lze přesně korelovat s koncentrací vlhkosti. K oddělení hlavy senzoru a elektroniky lze použít konektor z optických vláken .

Tento typ snímače není nijak zvlášť nákladný a lze jej instalovat při tlaku v potrubí ( in-situ ). Molekuly vody potřebují čas na vstup a výstup z pórů, takže bude pozorováno určité zpoždění navlhčení a vyschnutí, zejména po slimákovi. Kontaminující látky a žíraviny mohou poškodit a ucpat póry a způsobit „odchylku“ v kalibraci , ale hlavy senzorů mohou být renovovány nebo vyměněny a budou fungovat lépe ve velmi čistých proudech plynu. Stejně jako u piezoelektrických a elektrolytických senzorů je senzor citlivý na interference z glykolu a methanolu, kalibrace se bude driftovat, protože povrch senzoru bude neaktivní kvůli poškození nebo zablokování, takže kalibrace je spolehlivá až na začátku životnosti senzoru.

U druhého typu (snímač oxidu křemičitého) je zařízení často kvůli lepší stabilitě řízeno teplotou a je považováno za chemicky stabilnější než typy oxidu hlinitého a za mnohem rychlejší reakci díky skutečnosti, že při zvýšené provozní teplotě udržují méně vody v rovnováze .

Zatímco většinu zařízení absorpčního typu lze instalovat při tlacích v potrubí (až 130 Barg), je sledovatelnost vůči mezinárodním normám ohrožena. Provoz při téměř atmosférickém tlaku poskytuje sledovatelnost a nabízí další významné výhody, jako je umožnění přímé validace proti známému obsahu vlhkosti.

Spektroskopie

Absorpční spektroskopie je relativně jednoduchá metoda průchodu světla vzorkem plynu a měření množství světla absorbovaného při specifické vlnové délce. Tradiční spektroskopické techniky v tomto procesu v zemním plynu nebyly úspěšné, protože metan pohlcuje světlo ve stejných oblastech vlnových délek jako voda. Pokud však použijeme spektrometr s velmi vysokým rozlišením, je možné najít vrcholy vody, které se nepřekrývají vrcholy jiných plynů.

Laditelný laser poskytuje úzký, nastavitelný světelný zdroj vlnové délky, který lze použít k analýze těchto malých spektrálních vlastností. Podle zákona Beer-Lambert je množství světla absorbovaného plynem úměrné množství plynu přítomného v dráze světla; proto je tato technika přímým měřením vlhkosti. Aby se dosáhlo dostatečně dlouhé délky dráhy světla, je v přístroji použito zrcadlo. Zrcadlo se může částečně zablokovat znečištěním kapalinami a pevnými látkami, ale protože měření je poměrem absorbovaného světla k celkovému detekovanému světlu, není kalibrace ovlivněna částečně zablokovaným zrcadlem (pokud je zrcadlo zcela zablokováno, musí se vyčistit) .

TDLAS analyzátor má vyšší přímé náklady ve srovnání s většinou analyzátorů výše. Laditelná diodová laserová absorpční spektroskopie je však lepší, pokud jde o následující: nutnost analyzátoru, který nebude trpět interferencí nebo poškozením korozivními plyny, kapalinami nebo pevnými látkami, nebo analyzátor, který bude velmi rychle reagovat na drastické změny vlhkosti nebo analyzátor, který zůstane kalibrován po velmi dlouhou dobu, za předpokladu, že se složení plynu nezmění.

Viz také

Reference