用於測定流動氣體混合物中氣體濃度的裝置和方法
2023-12-06 10:06:01 1
專利名稱：用於測定流動氣體混合物中氣體濃度的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及ー種用於測定流動的、包含固體的氣體混合物中氣體濃度的方法,還涉及ー種用於實施這種方法的裝置。
背景技術：
在化學產業中，測定固體-氣體混合物中氣體的濃度常常是必要的，例如對於エ藝控制。這例如在エ藝結束時進行，為了在產物從未反應的殘留的原料或者任何副產品中分離並且從反應器中去除之前測定在包含固體產物和原料的混合物中氣體分數。同樣，氣體分數可以在反應過程中測定，為了例如測定在反應氣體混合物中原料氣體的分數或者產物氣體的分數。這種類型的氣體分析在燃燒裝置產業中也是已知的，因為法律要求這種系統的運營商定期證明符合排放限值。對於煙氣中CO、NO、NO2, SO2等分數的測量來說，使用例如順磁氧測量和非色散紅外光譜。在測量技術中特別關注測定氧氣的濃度。氧氣的重要性在於，特別是在燃燒過程的控制、反應的監測或者在安全方面。從汽車產業，已知廢氣中精確的氧氣測量使用拉姆達(lambda)探頭，以控制燃料-空氣混合物。在此，利用了ニ氧化鋯可以在高溫輸送電解氧離子的事實，藉以產生電壓。對於氧氣測量，因此考慮ZrO2探頭。這種測量是基於在測量電池中通過兩面都塗有鉬的氧化鋯膜將參考氣體(例如空氣)從樣品氣體中分離的事實。因而形成電化學電池，其中，如果在兩邊的氧氣濃度不同，導致氧化鋯膜的厚度上的氧梯度和鉬電極之間的電位差。從壓降可以測定氧分壓。在供熱鍋爐的監測過程中，拉姆達探頭可以測量廢氣中的氧氣含量，並且因此控制在鍋爐中的最佳混合物，以防止燃燒空氣過剩或不足。然而,在具有很高的顆粒分數(particle fraction)和可能引起交叉敏感或者導致探頭老化的物質的氣流的應用上，這些探頭過於敏感並且使用這種探頭操作的裝置維護
非常頻繁。用於氧氣測量的另ー個可能性是ニ極管雷射光譜儀。探測器通過氣體分子測量雷射的吸收。由此可以計算出氣體濃度。然而，如果待研究的エ藝氣體具有相對高的固體分數，ニ極管雷射光譜儀的使用始終是ー個問題。固體損害雷射的傳輸，從而影響測量結果。因此，在現有技術中，已作出努力來改善在負載固體的氣體中的濃度測量。在CN 100545634C中，為此目的，提出了使用偏轉機構(displacement body)或者阻斷系統(blocking system),以偏轉或者阻擋固體顆粒。偏轉機構具有,例如,擋板的形狀。然而，已經發現，在稀釋的固體-氣體流和ー些高度流動的固體中，由於旋渦形成和反向流，固體可以傳遞到擋板上面和後面，並且雷射束也被損害。
傳統的雷射光譜儀只能在具有達約50g/m3顆粒分數的氣體混合物的情況下可靠地運行。然而，在化學產業中有應用，其中顆粒分數明顯更高。其中ー個例子是在高度分散的ニ氧化矽的生產中的エ藝控制。在通過從氯矽烷和氫氣沉積多晶矽的生產中，例如在西門子反應器中，四氯化矽(SiCl4)生成。
例如，從DE2620737和EP790213中已知通過火焰水解(flame hydrolysis)生產SiO2粉末(高度分散的ニ氧化矽)。除上述四氯化矽之外，許多其他含矽化合物及其混合物也可以作為原料，例如甲基三氯矽烷、三氯矽烷或者其與四氯化矽的混合物。也可以使用無氯矽烷或者矽氧烷。根據EP790213，使用ニ聚體氯矽烷和矽氧烷也是可能的。為了過程控制和安全措施，在ニ氧化矽的生產中需要氧氣測量。在ニ氧化矽的生產中，氣流通常包括大於50g/m3的顆粒分數，通常為100_200g/m3。這意味著，沒有額外的裝置，由傳統的光學測量技術(諸如，例如，由雷射技術測量氧氣)測量氣體濃度是不可能的。在CN 100545634C中提出的偏轉機構，當在通過火焰水解生產的ニ氧化矽的生產中使用時，導致不確定的測量結果。這首先與存在於氣流中的顆粒的尺寸和密度是相關的。也已證明顆粒極低的慣性對測量是不利的。雷射測量被偏轉機構損害，由於漩渦形成，不能夠確保無顆粒進入測量部分。雷射的傳輸在這樣的氣流中太低。特別是在由火焰水解生產ニ氧化矽中，技術檢驗機構不允許具有太低的傳輸值的雷射作為防備可燃性氣體混合物形成的保護裝置。本發明的目的由這些問題產生。
發明內容
本發明的目的是通過一種用於測定在流動氣體混合物中的氣體濃度的方法實現，其中該流動氣體混合物包括具有一定的粒徑分布(規定的粒徑分布，defined sizedistribution)的固體,其中通過光譜儀測量在流動氣體混合物中氣體的濃度，其包括在測量過程中光譜儀(optical spectrometer)的測量光束被引導通過具有由透氣材料製成的壁的測量通道。本發明還涉及用於測定エ業裝置的含固體的氣體混合物的氣體濃度的裝置，該裝置包括氣體管線，適用於引導含固體的氣體混合物，光譜儀，在氣體管線內包括光譜儀的測量光束的測量通道，其中測量通道被由透氣材料製成的壁所包圍。本發明進一步涉及由透氣材料製成的空心圓柱用於使光譜儀的測量光束與流動氣體混合物中固體屏蔽的用途。光譜儀優選是雷射光譜儀。測量光束優選是雷射光束。エ業裝置優選是反應器。該反應器優選包括用於反應氣體的進料裝置、反應器腔室和用於產品氣體的出口裝置。測量通道可以位於反應器的內部和外部。
測量通道或者空心圓柱的壁的材料具有與顆粒-氣體條件最佳匹配的性質。優選地，測量通道由圓柱體形成。在本發明的背景下圓柱意味著該圓柱體包括殼體表面和橫截面，其中橫截面可以是，例如，圓形或者矩形。測量通道管可以是例如管子的形狀。形成測量通道的圓柱體優選設置在エ藝氣體的路徑中，該氣體例如在反應器或者在(生產)裝置中產生。優選地，圓柱體安裝在支架上以使用於維護目的圓柱體可以被簡單的移除。
測量通道(光路長度)的長度可以選擇可變的，並且它優選在200mm和幾米之間。測量通道的橫截面優選適應於光學系統。光譜儀的測量光束具有一定的寬闊的區域。測量通道的橫截面應選擇相應更大的。優選測量通道的內徑至少比測量光束的直徑大10%。測量通道的內徑可以是，例如，3-100mm，優選10_90mm，特別優選20_80mm，非常特別優選 30-70mm。測量通道的壁應該具有使它們可以承受流動的エ藝氣體所造成的力量的厚度。優選地,壁厚為I至20mm,特別優選4至10mm。測量通道的壁的氣體滲透性優選為0. Olm/ (s bar) -0. lm/ (s bar)。優選地，透氣材料是多孔材料，其孔的尺寸根據氣體混合物中顆粒或者固體的粒徑分布選擇。如果顆粒具有例如5至20 ii m的粒徑分布,材料的中值孔徑(median pore size)應該理想的是小於或者等於5 ii m。作為透氣材料，優選使用聚合物。特別優選使用聚四氟こ烯(PTFE)。優選地，由PTFE製成的測量通道的透氣性優選為 0. 03m/ (s bar) -0. 08m/ (s bar)，非常特別優選 0. 04m/ (s bar) -0. 07m/ (s bar)。非常特別優選使用燒結的PTFE (sintered PTFE)。透氣的燒結陶瓷或者燒結金屬(sintered metal)都同樣適合。如果測量具有大於或等於200°C的溫度的氣體混合物，特別優選使用它們。優選地，在測量過程中的氣體混合物的溫度是從0至1500°C。特別優選地，氣體混合物的溫度是120至1000°C。通過使用這種測量通道，使氣體混合物中的固體遠離雷射束。氣體可以穿透壁；遠離固體顆粒。根據選擇的孔徑或者透氣性，小顆粒可以部分穿透測量通道的壁，但不幹擾測量。同時，它確保在氣體混合物中的固體不能阻塞測量通道。令人驚訝的是，在測量通道的外壁上沒有發生沉積。在現有技術中觀察的有助於顆粒密度的増加的渦旋不會在根據本發明的方法中發生。當氣流中的顆粒比較輕時，即，因此具有低的慣性，與現有技術的偏轉機構或者擋板相比，該方法顯示出特別的優點。這是因為擋板只能在當顆粒足夠重以沿著擋板而不是流動氣體時達到他們的目的。然而，在許多應用中並不總是這樣。優選當測量用作生產エ藝的控制時，氣體濃度的更精確的測量也對エ藝變化做出了改進(更快)的響應行為。
優選地，對腐蝕性或者含灰塵、焦油或者菸灰的氣體混合物進行觀測。優選地，エ藝氣體中的微量水分由該方法測定。優選地，鍋爐系統中的排放由該方法觀測。優選地，測定選自由NH3> HCl、HF、H2S' 02、H20、CO、CO2, NO、N02、N20、CH4、CH2O 和C2H3Cl組成的組中的氣體的濃度。此外，可以測定滷素的濃度，諸如，例如，氯氣或者溴氣、SO2> 03、有機氣體(例如苯、過氧化氫、苯酹、酮、甲苯)。待測定的氣體的吸收譜線(absorption line)可以是在IR和UV之間的整個波長範圍內，優選地，氣體混合物中待測定的氣體的吸收譜線是在近IR範圍。 非常特別優選エ藝氣體中的氧氣濃度的測定。優選地，氧氣濃度是由根據本發明的方法在負載固體的氣體混合物中測定。在ニ氧化矽的火焰水解的情況下非常特別優選使用該方法。在這種情況下的氣體混合物中的固體為初級粒子的絮狀聚集體，或者聚集體的團聚體，其中團聚體具有從I至250i!m的尺寸。在這種情況下，測量用作裝置安全和過程控制。特別是因維護頻繁的氧化鋯探頭可以被替換，新的測量方法在此具有特別的優勢。發明人已經認識到，氧化鋯探頭，特別是HCl的存在下，在ニ氧化矽火焰水解的情況下，存在提供虛假的測量值。使用具有由透氣材料製成的壁的測量通道測量顯示在這方面沒有任何問題。因此根據本發明的方法代表了在生產ニ氧化矽中的氣流中氧氣濃度的更便宜和更可靠的測量。其他測量,諸如縮短測量通道或者測量部分(measurement section),已被證明是不合適的。對於縮短測量部分來說，為了用這種方式減少顆粒的數目，由於較短的光纖長度，測量的精度只有按體積計大約0. 25%，這在低氣體濃度的測量中是不可接受的。至於在現有技術中描述的偏轉機構，已證明是更嚴重的缺點，在エ藝氣體通道中的壓降明顯增加。這與橫截面的減少和偏轉機構周圍的流量相關。在根據本發明的方法中，這樣的壓降明顯較輕的程度發生。為了在測量前引導走無顆粒氣體，用由鋼製成的皮託(Pitot)管實驗也沒有成功，因為，首先，除發生腐蝕問題之外，ニ氧化矽顆粒也被帶走。其次，不能提供用於流過皮托管的足夠的壓力差，這引起了非常大的停止周期(dead period)，這又與安全要求相牴觸。使用由PTFE針刺氈製成的過濾袋實驗，同在固體分離中使用一祥，在ニ氧化矽的火焰水解的情況下在氣體測量中同樣不成功。由於高流速，ニ氧化矽顆粒被迫進入過濾袋，它阻擋了通過光學測量光束的通道。此外，在過濾袋上-由於在這個過程中的高流速-可觀察到機械磨損，這會導致過濾袋洩漏。
具體實施例方式實施例圓柱測量通道是由透氣的PTFE製成的管形成。管具有約200mm的長度。壁厚為約5至7mm。管的直徑為約55mm。中值孔徑為5 y m。這種PTFE管的透氣性是在0. 036m/(s bar)-0. 073m/(s bar)的範圍內。
理想地測定PTFE管的透氣性如下管子兩端都被密封，例如用橡皮塞，其中一個塞子具有用於壓カ測量的開ロ以及另ー個塞子具有用於引入空氣的開ロ。壓カ線的起點降低至I. 7bar(在第二個比較的測量降至Ibar的情況下)。使用可控的流量計，設定流量。然後在PTFE管中的流量使用相對壓力變送器測量。從而可以測定管子的壓カ差並且最後計算透氣性。在實施例中使用這樣的PTFE管用於測量含ニ氧化矽的混合氣體中的氧氣濃度。作為測量儀器，商業傳統的雷射光譜儀被用於測量在含固體的氣體混合物中的氣體濃度。測量氧氣濃度的流動氣體混合物的溫度是167°C。作為測試氣體，包含按體積計4. 5%氧氣的氧氣-氮氣混合物以80g/m3被送至ニ
氧化矽。作為比較例，使用擋板取代過濾管，如在現有技術參考文獻CN100545634C中所述。表I顯示了實施例和比較例的結果。表I
權利要求
1.ー種用於測定在流動氣體混合物中的氣體濃度的方法，其中，所述流動氣體混合物包括具有一定的粒徑分布的固體，其中通過光譜儀測量在流動氣體混合物中氣體的濃度，其包括在測量過程中光譜儀的測量光束被引導通過具有由透氣材料製成的壁的測量通道。
2.根據權利要求I所述的方法，其中，所述氣體混合物包括一種或更多種選自由NH3、HC1、Cl2、HF、H2S, 02、H20、CO、CO2, NO、N02、N20、CH4, CH2O 和 C2H3Cl 組成的組中的氣體並且測定了此組中氣體的濃度。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述氣體混合物包括HC1、Cl2和02。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的方法，其中，所述流動氣體混合物包括火焰水解的ニ氧化矽顆粒並且在氣體混合物中測定了氧氣濃度。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的方法，其中，所述透氣材料選自由聚合物、燒結的陶瓷和燒結的金屬組成的組。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述透氣材料為聚四氟こ烯。
7.根據權利要求I至6中任一項所述的方法，其中，所述光譜儀為雷射光譜儀。
8.一種用於測定エ業裝置的含固體的氣體混合物的氣體濃度的裝置，其中，所述裝置包括氣體管線，適用於引導含固體的氣體混合物，光譜儀，在氣體管線內包括光譜儀的測量光束的測量通道，其中，所述測量通道被由透氣材料製成的壁所包圍。
9.根據權利要求8所述的裝置，其中，所述光譜儀為雷射光譜儀。
10.根據權利要求8或者9所述的裝置，其中，所述透氣材料選自由聚合物、燒結陶瓷和燒結金屬組成的組。
11.根據權利要求10所述的裝置，其中，所述透氣材料為聚四氟こ烯。
12.由透氣材料製成的空心圓柱用於使光譜儀的測量光束與流動的固體-氣體混合物中固體屏蔽的用途。
全文摘要
本發明涉及用於測定流動氣體混合物中氣體濃度的裝置和方法。本發明涉及一種用於測定在流動氣體混合物中的氣體濃度的方法，其中該流動氣體混合物包括具有規定的粒徑分布的固體，其中經過光譜儀測量在流動氣體混合物中氣體的濃度，其包括在測量過程中被引導通過具有由透氣材料製成的壁的測量通道的光譜儀的測量光束。本發明還涉及一種用於實施這種方法的裝置。本發明的方法代表了在生產二氧化矽中的氣流中氧氣濃度的更便宜和更可靠的測量。
文檔編號G01N21/25GK102650589SQ20121004656
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月24日 優先權日2011年2月25日
發明者克里斯多福·毛雷爾, 約翰·胡貝爾, 馬庫斯·克施哈克爾, 馬庫斯·尼梅特茲 申請人:瓦克化學股份公司