一種化學轉(zhuǎn)化低濕度校準方法

于 洋，宋慶明，趙明宇

一種化學轉(zhuǎn)化低濕度校準方法

于 洋，宋慶明，趙明宇

(中昊光明化工研究設(shè)計院有限公司 大連光明化學工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)測中心有限公司，遼寧 大連 116031)

化學轉(zhuǎn)化低濕度儀采用化學法制備水標準氣體物質(zhì)，可間接獲得不同濃度、穩(wěn)定的水的標準氣體。GM-01型干燥劑對標準氣中的甲烷幾乎無吸附作用，可為校準儀器提供零點。JC-1501型號催化劑在轉(zhuǎn)化爐溫度為380℃時，可對x<50×10-6、流速在0.1～2.0 L/min的氧中甲烷標準氣體實現(xiàn)>99.5%的轉(zhuǎn)化率，為被校準露點儀提供量程點。該實驗設(shè)備輕巧、便攜，可以解放目前濕度計的校準送檢模式，是一種適合在線校準的方法。

化學轉(zhuǎn)化濕度校準法；露點濕度儀；零點；量程點

0 引 言

濕度是氣體的一項重要指標，濕度值大小關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。濕度測量起源于氣象監(jiān)測部門及到各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)歷半個世紀，這期間各種原理、類型的濕度儀如雨后春筍般的產(chǎn)生[2]。其中傳感器類水分儀因經(jīng)濟實用，操作方便，響應(yīng)快，靈敏度高而在氣體行業(yè)中倍受歡迎，但其長時間使用會造成數(shù)據(jù)漂移，波動較大，因此需要定期進行校準[3]。

理想濕度儀的校準是使用精確的水標準氣體，但水在容器中不能長期穩(wěn)定存在，所以采用高精度的水標準氣體校準非常困難。我國濕度儀校準的標準是采用精密冷鏡露點儀并輔助水發(fā)生器[4]，該方法需專門的實驗室固定安裝且環(huán)境十分嚴格，該設(shè)備體積龐大并需要經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員操作和保養(yǎng)，同時被校濕度儀僅適合送檢的方式。對在線應(yīng)用、實時監(jiān)控的企業(yè)而言，除非更換設(shè)備，否則不可能拆卸送檢，因此很多露點儀已偏離其真值或已完全失效。

針對現(xiàn)有常規(guī)濕度儀校準方法的缺陷，大連光明化學工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)測中心趙敏教授團隊自行設(shè)計出一種設(shè)備輕巧、便攜式的化學轉(zhuǎn)化低濕度校準儀，企業(yè)通過購買GBW(E)有證商品化的氫、氧元素間接的水標準氣體，同時結(jié)合化學轉(zhuǎn)化低濕度校準儀，便可實時在線進行濕度校準。本文主要研究自行設(shè)計化學轉(zhuǎn)化低濕度儀校準方法的原理，以證明這是一種適合企業(yè)在線實時校準的方法，可以解放目前濕度計校準的送檢模式。

1 化學轉(zhuǎn)化低濕度儀校準方法原理

化學轉(zhuǎn)化低濕度儀采用化學法制備水標準物質(zhì)，間接法獲得水的標準氣體，其機理是甲烷與氧氣在某種催化劑、一定氣體流速、一定轉(zhuǎn)化溫度的條件下充分作用生成水，理想狀態(tài)是1 mol甲烷與2 mol氧氣完全轉(zhuǎn)化生成2 mol的水，即已知標準氣中甲烷的濃度就可獲得生成水的濃度，進而得到氣體的露點，采用含有不同濃度甲烷的水標準氣體同時配套化學轉(zhuǎn)化低濕度儀校準設(shè)備既可實現(xiàn)對濕度儀進行實時、在線校準。

圖1 ZHM-01型露點校準儀實物圖Fig.1 Dew-point calibration instrument

圖2 氣路及切換系統(tǒng)流程示意圖Fig.2 Gas circuit and switching system process diagram

圖1為化學工業(yè)氣體監(jiān)測中心自行設(shè)計的HDP-100露點儀和化學轉(zhuǎn)化低濕度校準儀的實物圖，圖2是校準儀的氣路及切換系統(tǒng)流程圖。

2 實驗內(nèi)容

2.1 實驗原料和器材

表1和表2分別給出實驗原料和實驗器材，其中表1中的氧中甲烷標準氣體是具有GBW(E)證書的瓶裝氣體；GM-01干燥劑是氣體監(jiān)測中心自主研制的脫水物質(zhì)；JC系列轉(zhuǎn)化爐試劑是監(jiān)測中心自主研制的一種催化劑，其作用是促使甲烷和氧氣充分反應(yīng)，生成相應(yīng)濃度的水。

表1 實驗原料Table 1 Experiment material

表2 實驗儀器Table 2 Experiment equipment

2.2 實驗前預(yù)處理

分別將GM-01干燥劑、JC系列轉(zhuǎn)化爐催化劑進行粉碎、篩分(孔徑為80～100目)，然后分別裝入活化柱，液氮對其吹掃的同時并在300℃連續(xù)活化處理8 h，而后降至室溫，將處理好的試劑分別裝入吸附柱和轉(zhuǎn)化柱，以備實驗。

氧中甲烷要求具有標準物質(zhì)證書，同時制備標準氣體的高純氧要求沒有或含有少量還原性雜質(zhì)，將高純氧通過轉(zhuǎn)化裝置后測量其露點，從表3中可以看出前后露點變化甚微，表明原料氣高純氧中的雜質(zhì)含量不足以干擾實驗，可以用來配制氧中甲烷標準氣體。

表3 原料氣檢驗Table 3 the feed gasinspection

2.3 實驗流程

實驗流程如圖3所示。以此來確定化學轉(zhuǎn)化低濕度儀的使用條件及性能，同時配合該套儀器給出一種符合在線、實時的校準方法。

圖3 實驗流程圖Fig.3 A flow chart of the experiment

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 HDP-100露點儀性能測試

利用MDG-01水發(fā)生器產(chǎn)生不同濃度的標準水，水標準氣的流速可以滿足5 L/min，將S4000R標準露點儀和HDP-100露點儀進行對比，通過表4的結(jié)果可以看出HDP-100露點儀測量值與標準露點儀基本吻合，因此可以作為測試儀器。對于超低濕度(露點-80℃以下)的氣體，因為S4000R露點儀的制冷深度不夠，所以S4000R標準露點儀不能滿足實驗要求，而HDP-100露點儀適合低濕驗證，經(jīng)過多次脫水，脫水吸附量均滿足實驗要求。

3.2 干燥劑對標準氣吸附作用及穩(wěn)定性

將不同濃度的氧中甲烷標準氣體通入露點校準儀，校準儀出口的流量分別為2、1.5、1、0.5、0.2 L/min，校準儀面板上的干燥四通閥切入干燥字樣，轉(zhuǎn)化四通閥打向切出字樣，分析出口采集的樣品中，其樣品中甲烷濃度如表5所示。

由表5可以看出，氧中甲烷標準氣以不同流速經(jīng)過干燥劑脫水后，干燥前后的甲烷濃度值幾乎沒有變化，表明GM-01干燥劑對甲烷幾乎無吸附作用。干燥劑的選擇符合不損失定量組分這一特性。

表4 驗證用露點儀的測量效果Table 4 Verify the dew-point meter with measuring performance

表5 脫水前后不同出口流速下甲烷濃度變化Table 5 Before and after dehydration,the change of methane concentration at every exit velocity

將不同濃度的氧中甲烷標準氣體通入露點校準儀，干燥四通閥連續(xù)切換15次，且每次時間的間隔為30 min，生成爐切換閥一直處于切出狀態(tài)，通過干燥過程的標準氣其露點為校準儀的零點，測定濕度校準儀出口每次脫水后的濕度值并記錄下來，其結(jié)果如表6所示。

表6結(jié)果表示對不同濃度甲烷標準氣，干燥劑可反復(fù)對其脫水，數(shù)值穩(wěn)定，滿足零點校準的需求，可作為校準儀的零點。若GM-01干燥劑深度干燥失效，可將干燥器在350℃條件下加熱并用液氮氣吹掃除濕4 h，而后在液氮吹掃條件保護下降至室溫備用。

表6 零點吸附實驗Table 6 Zero adsorption experiment

續(xù)表6Table 6 (Cont.)

3.3 轉(zhuǎn)化爐催化劑的選擇及使用條件

3.3.1 轉(zhuǎn)化爐中催化劑的選擇

表7 生成爐試劑的實驗Table 7 Generated furnace reagent experiment

催化劑由于單位要求采用系列編號代替，催化劑的性能直接影響到氧中甲烷的轉(zhuǎn)化率，假定采用氧中甲烷x=5×10-6的標準氣體，校準儀出口的流量為0.5 L/min，且轉(zhuǎn)化爐的溫度為380℃，經(jīng)轉(zhuǎn)化的標準氣體理想狀態(tài)下含水量應(yīng)為10×10-6。

表7為轉(zhuǎn)化爐中三種催化劑的實驗結(jié)果，通過結(jié)果可以看出JC-1501型催化劑效果最好，實際生成水標準氣體的濃度和理論值接近，符合實驗要求。

3.3.2 轉(zhuǎn)化爐的溫度

轉(zhuǎn)化爐中填充JC-1501型催化劑，不同濃度的氧中甲烷標準氣體以0.5 L/min流速依次經(jīng)過脫水干燥和不同溫度的轉(zhuǎn)化爐，而后測量轉(zhuǎn)化爐出口的氣體濕度，測量數(shù)值如表8所示。

從表8可以看出，轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化溫度在350～420℃滿足實驗要求，但轉(zhuǎn)化溫度在380℃時，甲烷轉(zhuǎn)化效率最高。

表8 生成爐的轉(zhuǎn)化溫度實驗Table 8 The conversion generated furnace temperature experiment

3.3.3 氣體流速

氣體流速越大可促進氣路置換，可以加速被校露點儀的校準速度。但在實際校準過程中，流速影響轉(zhuǎn)化爐中催化劑的轉(zhuǎn)化效率。當轉(zhuǎn)化爐溫度設(shè)定為380℃并維持恒定，將不同濃度的氧中甲烷標準氣體在不同流速條件下，依次通過露點發(fā)生器的干燥室和轉(zhuǎn)化室，測量結(jié)果如表9所表示。由表9可以看出，氧中甲烷標準氣體的流速在0.2～2.0 L/min時，基本能夠滿足實驗校準要求，但氣體流速為1～0.2 L/min時，其轉(zhuǎn)化率接近完美。

3.4 最佳使用條件下轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化效率

將不同濃度的氧中甲烷標準氣體通入露點校準儀，干燥四通閥切入干燥同時轉(zhuǎn)化四通閥切入轉(zhuǎn)化，露點校準儀出口流速分別為0.1、0.2、0.5、1.0、2.0 L/min。采集出口樣品，分析樣品中甲烷濃度，其結(jié)果如表10所示。

從表10可以看出，甲烷標氣濃度x<50×10-6且樣品速度在0.1～2.0 L/min時，甲烷轉(zhuǎn)化率大于99.5%，對濕度的校準影響極小，可以作為濕度氣源提供被檢定露點儀的校準。

表9 流經(jīng)生成爐的標氣流速實驗Table 9 The standard gas flow generated furnace flow experiment

表10 脫水轉(zhuǎn)化后不同出口流速的甲烷濃度Table 10 After dehydration and conversion, the methane of the different velocity

3.5 儀器的零點和量程校準流程的確立

圖4 校準實驗流程示意圖Fig.4 The calibration experimental process diagram

校準儀的干燥閥打入切入狀態(tài)，將零點氣通入校準儀，其露點值作為被校準儀器的零點(一般為-90℃)。將氧中甲烷標準氣接入校準系統(tǒng)，兩個切換閥均為切入狀態(tài)，且轉(zhuǎn)化爐的溫度設(shè)為380℃，待甲烷與氧充分反應(yīng)后進入待校準儀器，被校準露點儀顯示數(shù)值穩(wěn)定后既可得到露點儀的量程值。量程氣的水含量理論值應(yīng)為甲烷濃度的兩倍。通過不同濃度的標準氣對被校露點儀進行多量程點校準，若被校露點儀自帶后臺設(shè)定，可對偏離進行重設(shè)。

圖4為校準流程示意圖，A-B-C-E路徑為“零點”氣；A-B-D-E路徑為“量程”氣。

4 結(jié) 論

1.GM-01型干燥劑對標準氣中甲烷幾乎無吸附作用且干燥劑可反復(fù)對其脫水，數(shù)值穩(wěn)定，滿足零點校準的需求，可作為校準儀的零點；

2.JC-1501型催化劑在350～420℃滿足實驗要求，其中轉(zhuǎn)化溫度在380℃時，甲烷轉(zhuǎn)化效率最高；

3.儀器最佳使用條件是轉(zhuǎn)化爐溫度為380℃且甲烷標氣x<50×10-6、樣品速度在0.1～2.0 L/min時，甲烷轉(zhuǎn)化率>99.5%；

4.采用化學轉(zhuǎn)化露點校準法，改變露點校準、溯源只能送檢的傳統(tǒng)流程，為現(xiàn)場在線生產(chǎn)用露點儀校準提供了方便；同時該露點校準儀具有結(jié)構(gòu)簡單、小巧、便攜、價格適中等優(yōu)點，可以廣泛的應(yīng)用于企業(yè)自行定期校準，用戶僅需要采購合適的標準氣體即可。

[1] 李英干，范金鵬.濕度測量[M].北京：氣象出版社,1990.[2] 易洪.濕度測量的新進展[J].計測技術(shù),2008,28(s1): 1-3.

[3] 張文東.濕度計量技術(shù)的發(fā)展[J].上海計量測試,2011(1): 3-6.

[4] JJG 499—2004 精密露點儀檢定規(guī)程[S].

A Chemical Conversion Low Humidity Calibration Method

YU Yang,SONG Qingming,ZHAO Mingyu

(Gas Quality Supervision & Inspection Center,Zhonghao Guangming Research & Design Institute of Chemical Industry Co.,Ltd.,Dalian 116034,China)

Chemical conversion of low humidity calibration instrument using chemical method to prepare gas water standard material that also can be indirectly obtained from different concentrations and stable gas water standard.GM-01 desiccant has no adsorption to the methane in the standard gas,it can provide zero for the calibrated instruments.JC-1501 catalysts has been used for converting furnace temperature is 380℃,thex<50×10-6,0.1～2.0 L/min in the velocity of oxygen,the methane conversion rate is more than 99.5% of standard gas to achieve transformation,for calibration of dew point meter with point range.The experimental equipment is lightweight and portable; hence allow current hygrometer calibration inspection mode,suitable method for the on-line calibration.

chemical conversion low humidity; dew-point hygrometers; zero point; range point

2017-06-29

TQ117

A

1007-7804(2017)04-0040-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.04.012

于 洋(1986)，男，籍貫天津，碩士。化學工業(yè)氣體質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心工程師，從事工業(yè)氣體分析工作。E-mail: yuyang676949251@163.com。