Термохимические газоанализаторы

Для определения взрывоопасности газопаровоздушных сред пользуются газоанализаторами, определяющими концентрацию в воздухе того или иного горючего газа или пара. Оценка взрывоопасности среды производится путем сопоставления полученных данных со значениями нижних пределов воспламенения тех или иных газов или паров.

Среди методов, применяемых для определения горючих паров или газов, наибольшее распространение в мировой практике получил термохимический метод. Сущность термохимического метода заключается в том, что благодаря известному свойству некоторых металлов и окислов ускорять реакцию горючих газов и паров на своей поверхности удается выделить эти горючие газы и пары путем их каталитического сжигания.

Термохимические приборы, в основе которых лежит термохимический метод, могут быть разделены на три группы.

К первой группе относятся приборы, в которых реакция горения сопровождается выделением тепла, протекает на катализаторе (обычно платиновая нить), причем катализатор используется и как чувствительный элемент измерительной схемы.

Ко второй группе относятся приборы, в которых реакция протекает на насыпном катализаторе, а полезный тепловой эффект, сопровождающий реакцию, измеряется специальным термочувствительным элементом.

К третьей группе относятся приборы, в которых реакция протекает на твердых носителях, пропитанных каталитически активным раствором, а полезный тепловой эффект измеряется расположенным на носителе термочувствительным элементом .

Носителями обычно служат материалы, имеющие большую поверхность на единицу объема, такие, как активная окись алюминия, асбест. Для полного окисления газообразующих продуктов требуется температура более 1000 С, катализаторы же снижают эту температуру.

Тепловой эффект и температуру измеряют компенсационным или нулевым методом измерения.

Первыми разработками в области приборов, определяющих степень загазованности производственных помещений горючими газами или парами, являются переносной газоанализатор горючих газов и паров типа ПГФ1, и в последующем его модификации ПГФ1-1А, ПГФ2-ВЗГ в искробезопасном исполнении.

На основе ПГФ1 был разработан прибор ГБЗ для измерения концентраций этилированных бензинов. Для измерения концентраций бензина и метана разработан прибор МБ2. Первыми отечественными стационарными приборами были приборы типа СГГ- сигнализаторы горючих газов. Эти приборы калибровались индивидуально на каждый анализируемый газ, что исключало их применение в случае наличия в воздухе смеси разных горючих газов и паров. Впервые примененные в шахтных условиях в качестве индикаторов взрывоопасных концентраций метана, эти приборы широко использовались в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, горнодобывающей, легкой и других, но в основном для определения концентраций в воздухе индивидуальных горючих веществ.

Потребности промышленности привели к разработке новых модификаций приборов, определяющих концентрации горючих паров или газов, независимо от того, какой горючий газ, пар или их смесь находится в воздухе. Принципиально новым в этих приборах является универсальная шкала, построенная на основе закономерностей горения различных горючих веществ в воздухе на нижнем концентрационном пределе воспламенения.

Повышенная температуры платиновой нити при горении на ней газа выражается общей формулой, принятой при термохимических расчетах:

(2.1)

где а- полнота реакции; a1-число молей реагирующего вещества; QH—теплота сгорания; β-потери тепла в окружающую среду; ∑ус-теплосодержание продуктов реакции и балластного газа; ∆t-повышение температуры нити.

Из соотношения (2.1) имеем:

(2.2)

 

При одних и тех же конструктивных параметрах камеры, где расположена рабочая спираль, коэффициент зависит только от теплопроводности газа и температуры нити.

Так как в анализируемой смеси находятся небольшое количество горючих паров или газов, то без особой погрешности можно принять во всех случаях теплопроводность среды примерно одинаковой и мало отличающейся от теплопроводности воздуха.

Выражение ∑vc при небольших примесях различных горючих паров и газов к воздуху также может быть принято постоянным, так как в основном оно определяется теплосодержанием воздуха, который во всех случаях составляет не менее 96-97% смеси.

Следовательно, для прибора одного и того же типа формула (2.2) примет вид:

∆t = Kaa1 QH (2.3)

где K-константа, постоянная для данного типа газоанализатора.

Таким образом, при одинаковых конструктивных параметрах прибора повышение температуры платиновой нити при горении на ней различных горючих веществ является функцией теплоты сгорания данного вещества, его концентрации и полноты реакции:

∆t = f(QH,a, a1 ). (2.4)

Теплоты сгорания QH многих паров горючих веществ близки между собой, а полнота реакции определяется условиями диффузии горючего вещества к нити, каталитической активностью нити, условиями конвекции и другими факторами.

Температура пламени для некоторых газопаровоздушных смесей на нижнем концентрационном пределе воспламенения приведена в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Горючий газ	Нижний предел воспламенения, объемных. %	Температура пламени, °С
Метан	5.0
Этан	2.9
Пропан	2.1
Бутан	1.8
Пентан	1.4
Гексан	1.3
Гептан	1.0

 

Как видно из табл.2.1, температура пламени при горении различных горючих веществ в воздухе на нижнем концентрационном пределе их воспламенения - величина практически постоянная.

Установлено также, что на нижнем пределе воспламенения равные объемы смесей большого числа газов и паров выделяют одинаковое количество тепла.

Согласно законам теплового взрыва, достижение нижнего предела воспламенения обусловливается равновесием между тепловыделением за счет экзотермичности процесса окисления и теплопотерями из зоны реакции. Так как основным содержанием смеси на нижнем пределе воспламенения является воздух, то можно полагать, что теплопотери для одних и тех же условий для любых газов будут определяться условиями теплоотвода практически через воздух, т.е. будут одинаковы.

Учитывая указанное выше условие предела теплового взрыва (равновесие между тепловыделением и теплопотерями из зоны реакции), можно полагать, что для рассматриваемых смесей теплотворная способность элемента объема также будет одинакова. А если так, то и тепловой эффект, а значит, и повышение температуры будут на нижнем пределе воспламенения одинаковы для всех горючих паров и газов.

Более строго постоянство температуры горения газовых смесей на нижнем пределе
воспламенения доказано Я.Б. Зельдовичем. Он получил количественное решение задачи
определения пределов распространения пламени (пределов воспламенения), согласно которому температура горения на нижнем пределе воспламенения весьма слабо зависит от начальной температуры и состава смеси. Согласно этой теории, появление пределов распространения пламени (концентрационных пределов воспламенения) обусловливается неадиабатичностью процесса горения вследствие теплопотерь в окружающую среду.

Наличие этих теплопотерь вызывает необходимость предположения конечных пределов значений скорости распространения пламени. Эти конечные значения определяют концентрационные пределы распространения пламени.

Если скорость пламени с учетом теплопотерь обозначить и, скорость пламени без учета теплопотерь и и максимальную теоретическую температуру горения Tтеор , то соотношение между скоростями пламени при адиабатическом протекании процесса и учете теплопотерь выразится так:

(2.5)

где Е - энергия активации; α- константа.

Я.Б. Зельдович установил, что уравнение (2.5) имеет нетривиальное решение только при

(2.6)

Следовательно, распространение пламени возможно только при условии, если или на пределе (2.7)

 

Дальнейшие преобразования приводят к тому, что

(2.8)

где Т-истинная температура горения.

Отсюда (2.9)

Или (2.10)

Из (2.10) следует, что максимальное падение температуры горения на пределе от теоретической составляет:

 

 

Это условие и есть количественное решение задачи пределов распространения пламени Если в уравнении (2.11) Т выразить через скорость химической реакции и константы характеризующие теплоотдачу и т.п., то в результате для температуры горения на пределе получится трансцендентное уравнение. Поскольку в уравнении (2.11) есть экспонента, тс решение его приводит к выводу, что температура горения на пределе весьма слабо зависит от начальной температуры и состава смеси, т.е. равные объемы смесей большого числа горючи* паров и газов выделяют одинаковое количество тепла.

Теоретические предпосылки были экспериментально подтверждены, что послужило основанием для разработки универсальных приборов на сумму горючих газов и napoв модификаций СВК,СТХ,"ЩИТ",СТМ 2; 10; 20. Сравнительные характеристики стационарны* термохимических газоанализаторов приведены в табл.2.2.

 

Таблица 2.2

Тип газоанализатора	Количество датчиков	Вид забора смеси на анализ	Вид анализируемой смеси
СТХ		Принудительный или диффузионный	Сумма горючих паров и газов в воздухе
ЩИТ		То же	То же
СТМ		То же	То же
СТМ-10		То же	То же
СТМ-20 (возможно подключение к ПЭВМ)		То же	То же