Gázelemzı készülékek

Átírás

1 Energetikai és s K.védelmi mérésekm Energetikai folyamatok és s berendezések Gázelemzı készülékek Kovács Viktória Barbara BMEGEENAG51 és s BMEGEENAG71

2 Emisszió mérése Káros anyagok Emisszió mérırendszer In situ Mintavételezés Mintavevı mőszerek követelményei Elemzık NDIR (CO, CO2, CH4,.) FID (THC, CxHy, VOC) PMD (O2) (H)CLD (NO, NOx,) Cellás mérırendszer Kromatográfia Régebbi mérırendszerek

3 Káros anyagok CO 2 üvegházhatás CO mérgezı (fulladás már ~700ppm-tıl) THC sokféle káros tulajdonság vegyületfüggı: NOx pl:metán: üvegházhatás, de az aromások rákkeltık savas ülepedés SOX savas ülepedés

4 Insitu mérés m Helyszíni mérésm Elıny Nem kell mintát elıkészíteni Kis holtidı Hátrány Drágábba felszerelés Több komponens mérése kritikus Nedves állapotot mér

5 Mintavételez telezés - Mintavevı rendszer Elıny Mérés a kibocsátástól messze is megoldható Több rendszer is üzemeltethetı egyszerre Kis koncentrációk is mérhetık Minta Mintaelõkészítõ hőtı Elemzõk P Hátrány Több egységbıl épül fel Nagy holtidı Korrózió, vezetékeldugulás veszélye Vízkicsapódás (befagyhat, korrózió) Korom lerakódás ( csı emlékezik ) Főtött mintavevı Kalibráló gázok

6 Mérımőszerekkel szemben támasztott t követelmények 1. Lehetıleg fizikai elven mérjen (kémiai is lehet) 2. Gyors legyen (min. mp-es reakcióidı) 3. Idıben stabil legyen 4. Megfelelı érzékenységgel rendelkezzen 5. Szelektív legyen 6. Keresztérzékenysége kicsi legyen 7. Lineáris karakterisztikájú legyen 8. Idıjárástól független legyen 9. Védett legyen 10. Lehetıség szerint olcsó legyen

7 Infravörös s spektroszkópia pia Az infravörös spektroszkópia, mely a rezgési spektroszkópia egyik formája, az analitikai kémia egy elemzési módszere, a színképelemzés tárgykörébe tartozik. A módszer lényege, hogy a vizsgálandó mintát besugározzuk az infravörös EM sugárzással λ: 780 nm 1000 µm (f: 300 GHz 384 THz) mintán átesı, vagy a mintáról visszaverıdı, a minta molekuláris tulajdonságai által módosított sugárzás változását a megfelelı detektorok jelkülönbségén mérjük Kertész Károly: K Folyamatos gázelemzg zelemzés

8 NDIR (Non-dispersive infrared absorption) Elvi felépítése a NDIR szenzornak

9 NDIR (Non-dispersive infrared absorption) ttp://

10 NDIR (Non-dispersive infrared absorption) ttp://

11 NDIR (non-dispersive infrared absorption) Infravörös s abszorpciós s mérési m elv

12 CO 2

13 Infravörös s abszorpciós s mérési m elrendezés Gas Filter Correláci ciós s IR (GFC) módszerm

14 FTIR - Furier Transformed Infrared spektroszkópia pia A gázállapotú molekulák a rájuk jellemzı frekvencián rezegnek. A rezgésekhez tartozó frekvencia az adott molekula energiaállapotát jellemzi. Az infravörös besugárzás hatására a molekula egy magasabb energiaállapotba kerül, miközben a rá jellemzı frekvencián sugárzást nyel el. Az FTIR-spektrométer széles spektrális tartományban győjt egyidejőleg spektrális adatokat. A fényforrásból, ami a mérendı hullámhosszak teljes spektrumát tartalmazza, egy interferométeren keresztül jut a fény a mintára, ahonnan kilépı fény spektruma pillanatról-pillanatra más. Minden pillanatban megmérik, hogy az így besugárzott energia mekkora részét nyeli el a minta. A nyers adatoknak (interferogram) tényleges spektrummá alakításához a Fourier-transzformációt alkalmazzák. A folyamat eredménye az IR abszorbciós spektrum, mely egyedileg azonosíthatóvá teszi a molekulát.

15 Új FTIR (Furier Transformed Infrared) spektroszkópia pia Abszorbancia HCl molekula a 2880 cm-1 hullámszámon rezeg A molekulák a rájuk jellemzı abszorbciós spektrumával azonosíthatók. Kivételt képeznek a kétatomos gázmolekulás, mint az O 2, N 2, H 2, Cl 2, F 2, és a nemesgázok, valamint a nagyon alacsony abszorbciós képességő H 2 S. Az abszorbció mértéke arányos az adott komponens koncentrációjával (Lambert-Beer törvény) Frekvencia = fénysebesség hullámhossz Kertész Károly: K Folyamatos gázelemzg zelemzés

16 NDIR/ FTIR összehasonlítás Gas Filter Correlációs IR Egy szőrı által meghatározott keskeny frekvenciasávban mér Egy szőrıvel csak egy komponens mérhetı Többkomponenső gázkeverékek további szőrık alkalmazását teszik szükségessé További szőrık használata további kalibrációt feltételez. Fourier Transform Infrared (FTIR) A Spektrometer egyidejőleg a teljes spektrumon mér és teljes elnyelési spektrumot állít elı. Egyidejőleg számos molekula vizsgálható Ugyanazok az optikai eszközök használhatóak bármely komponens mérésére, nem szükséges minden komponensre kalibrálni. Kertész Károly: K Folyamatos gázelemzg zelemzés

17 Kemilumuneszcencia A nitrogénoxid molekula ózon hatására nitrogén dioxiddá oxidálódik, miközben a nitrogén-dioxid molekulák egy arányos része gerjesztett állapotba kerül. NO+O 3 (1-n) NO 2 + n NO 2 *+O 2 A gerjesztett állapotból a stabil állapotba történı átalakulás során a molekula fényenergiát bocsát ki. A kibocsátott fényt egy detektorral elektromos jellé alakítva a koncentrációval arányos jel mérhetı. NO 2 * NO 2 + hv

18 CLD (Chemiluminescent( Detector) Kemilumineszcenciás s detektor Alapja: NO+O3 NO*2+O2

19 NOx mérés m Konverzió hatásfoka hımérséklet függı 1- O 2 vagy levegı; 2- ózon generátor; 3- reakció kamra; 4- foto elektronsokszorozó; 5- kijelzı; áram ellátás; 7- NOx konverter (üvegszerő főtött szén-ágy); 8- szőrı; 9- minta; 10- NO NO+O 3 NO* 2 +O 2

20 NOx mérés m NO+O 3 NO* 2 +O 2

21 Lángionizácios detektor FID-Flame Flame Ionisation Detector A szerves kötésben lévı szén hidrogénlángban bekövetkezı ionizációján alapul. A FID által mért ionáram függ az égésgáz lángjában elégı szerves vegyületek szénatomjainak számától, a kötési formától (egyenes vagy elágazó lánc) és a kötési partnerektıl. A válaszjelfaktor a detektor specifikus felépítésétıl és a beállított üzemeltetési körülményektıl függ. A következı ábra azt az elvet mutatja be, amikor a detektorban a gázmintát olyan hidrogénlángba vezetik, ami egy egyenfeszültségő elektromos térben helyezkedik el. A gázminta elégése egy specifikus ionáramot kelt, melyet megfelelı mőszerrel mérnek.

22 FID égıfelépítése

23 FID égıfelépítése

24 Láng ionizáci ciós s detector FID (Flame Ionization Detector)

25 UV-FID (Flame Ionization Detector) Láng ionizáci ciós s detector

26 UV-FID (Flame Ionization Detector) Láng ionizáci ciós s detector

27 Oxigén n mérse m - Paramágneses detector A kiegyenlítetlen, páratlan spínő elektronokkal rendelkezı atomok, mint az oxigén paramágnesességet mutatnak, azaz az ilyen atomokra a külsı mágneses tér vonzást gyakorol. A füstgázok egyéb összetevıi nem vagy nagyon kis mértékben rendelkeznek ezzel a tulajdonsággal, ezért alkalmas az oxigén szelektív mérésére. Meghatározott geometriájú mérıcellát mágneses térbe helyezve a paramágneses tulajdonságú molekulák egyirányú áramlása idézhetı elı. Az áramlás mértékét érzékelı detektor mérıjele arányos a gázkeverék oxigéntartalmával.

28 PMD (ParaMagnetic Detector) Paramágneses detector

29 PMD (ParaMagnetic Detector) Paramágneses detector Keresztérzékenység O Nitrogen Air +21 (száraz) Chlorine CO Hydrogen Argon Acetylene Ammonia N2O Ethane NO Methane NO

30 O 2 mérés s alternatív v megoldásai Cirkónium szonda

31 O 2 mérés s alternatív v megoldásai 1- levegı; 2- füstgáz; 3- érzékelı; 4- elektrolit (cirkónium-dioxid); 5- füstgáz oldal; 6-referencia oldal; 7- oxigén ionáram Cirkónium szonda

32 Cellás mérırendszerekrendszerek Minta CO 2 CO I 2e - 2e - 2H + 1/2 O 2 Diffuziós gát Mérıelektród (anód) Elektrolit Mérıelektród (katód) Diffuziós gát Referencia gáz Anód: CO+H 2 O -> > CO 2 +2H + +2e - Katód: ½ O 2 +2H + +2e - -> > H 2 O SO 2 aktív szén, arany - CO, platina platina Keresztérzékenység CO SO 2 NO NO 2 H 2 S CO SO NO NO H 2 S

33 Gázkromatográfia Vivıgáz Minta Detektor Oszlop v. Kolonna Termosztát Oszlop (kolonna) Vivıgáz

34 Gázkromatogramm

35 Régebbi mérımőszerekm Duplex-Mono készülék: CO 2 meghatározása elnyeletés alapján Orsat készülék : elnyeletı oldat, mintagáz térfogatcsökkenésébıl lehet következtetni az egyes komponensek mennyiségére Pl: CO + SO2 -KOH O2 -lúgos pirogallol oldat CO -ammóniás rézklorid

36 Régebbi mérımőszerekm Égés során felszabaduló hı hatása alapján mőködı készülék: a mintagázban lévı éghetı gáz, a nagy hımérséklető katalizátor mellett áramolva elég, a felszabaduló hıáram pedig a katalizátor hımérsékletének emelkedését okozza, ami arányos a mintagázban lévı vizsgált éghetı gáz koncentrációjával Gyakorlatban: Wheatstone-híd platina huzalokkal, egyik referencia a másik a mérı, + 2 hımérsékletváltozásra érzéketlen ellenállás

37 Régebbi mérımőszerekm Gázok hıvezetési tényezıjének különbözısége alapján mőködı készülék: ha mérı és a referencia csatornában nem azonos gáz van az másképp fogja hőteni az ellenállásokat, az mérendı gáz koncentrációjával arányosan megváltozik az ellenállása a mérıcsatornában ellenálásnak Gyakorlatban: Wheatstone-híd 4 db azononos platina huzalokkal. 2-2 a mérı és a referencia csatornában van, ellenállásváltozást mér itt is

38 Régebbi mérımőszerekm Kémiai elven mőködı készülék: A vizsgálandó gázt egy reagenssel töltött üvegcsövön áramoltatják át. Gázok meghatározott reagenssel történı reakciója során a reagens eredeti színe megváltozik. Az elszínezıdı csıhosszúság a gázkoncentrációra jellemzı. A üvegcsövön, lévı skálán a gázalkotó mennyisége leolvasható. A szonda csak egyszer használható (ilyen az alkohol szonda)

39 Kérdések 1. Melyek az égéstermékben elıforduló legjelentısebb légszennyezık és miért károsak? 2. Az égéstermékek (füstgázok, kipufogógázok) milyen elıkezelését igénylik a gázalkotó meghatározó készülékek? 3. Ismertesse az Orsat készülék mőködését! 4. Ismertesse a Duplex-Mono készülék mőködését! 5. Ismertesse az égés során felszabaduló hı hatása alapján mőködı készülék mőködését! 6. Ismertesse a gázok hıvezetési tényezıjének különbözısége alapján mőködı készülék mőködését! 7. Ismertesse a kolorimetria alapján mőködı készülék (Dräger szonda) mőködését! 8. Hogyan mérjük a O2 koncentrációt? 9. Hogyan mérjük a CO2 koncentrációt? 10. Hogyan mérjük a CO koncentrációt? 11. Hogyan mérjük a NOx koncentrációt? 12. Hogyan mérjük a THC koncentrációt?

40 Energetikai Mérések M I. Köszönöm a figyelmet! 2010/2011 İszi félévf