Leitfaden zur Auswahl gängiger Laboranalysegeräte und Prozessanalysegeräte

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von yuchenchf am 22.4.2017 um 08:48 bearbeitet. Analysegeräte für die Bestimmung der Zusammensetzung von Infrarotgasen werden hauptsächlich in der Industrie eingesetzt, um die Zusammensetzung von Gasen zu analysieren. Durch die Analyse der Veränderungen der gemessenen Gasparameter kann man die Muster dieser Veränderungen erkennen. Dadurch ist es möglich, eine dynamische Kontrolle des gesamten Produktionsprozesses zu gewährleisten. Dies hat sowohl für theoretische Berechnungen als auch für die praktische Bedienung große Bedeutung. Dieses Gerät eignet sich für die Analyse von Bestandteilen wie CO2, CnHm, O2, CO, CH4, H2 sowie NOx in Gasen – beispielsweise in Gasen aus Düngemittelwerken, Stahlwerken oder Gaswerken – sowie in Halbwasserstoffgasen und Umsetzgassen. Derzeit gibt es auf dem Markt hauptsächlich zwei Arten von Analysegeräten: Laboranalysegeräte und Prozessanalysegeräte. Im Folgenden wird kurz auf die Geräte eingegangen, die für die Analyse der Bestandteile von Gasen geeignet sind. I. Häufig verwendete Laboranalysegeräte
1. Olsch-Gasanalysegerät
Als klassischer manueller Analysegerät für chemische Zusammensetzungen weist das Olsch-Gasanalysegerät Vorteile wie niedrige Kosten, einfache Bedienung und geringe Wartungskosten auf. Es wird weiterhin häufig eingesetzt, insbesondere zur Bestimmung des Gehalts an CO2, O2, CO, H2 usw. in Gasen. Der Mechanismus beruht auf der Verwendung der Absorptionsmethode zur Bestimmung von sauren Gasen, ungesättigten Kohlenwasserstoffen, Sauerstoff und Kohlenmonoxid. Dabei brennt Wasserstoff auf Kupferoxid, während gesättigte Kohlenwasserstoffe auf Platindrähten in Gegenwart des Sauerstoffs aus der Luft verbrennen. Zur Bestimmung wird außerdem die Gewichtsmethode verwendet. Obwohl das Gerät einfach zu bedienen ist und relativ günstig ist, ist seine Genauigkeit bei den Messungen nicht sehr hoch. Die Genauigkeit hängt von der Fähigkeit des Bedienders ab, und die Messwerte sind nicht so übersichtlich und klar wie bei einem LCD-Bildschirm. Die Hauptmängel des Austen-Gasanalysators in der Anwendung sind: 1) Das Volumen des Kammrohrs hat Einfluss auf die Analyseergebnisse ； 2) Ar kann nicht analysiert werden; es ist daher nicht geeignet, den Zirkulationsgas mit einem Austenitometer zu analysieren. Stattdessen sollte schrittweise eine Gaschromatographie eingesetzt werden ； 3) Die Zeit, die für die Durchführung einer Analyse mit dem Austenitmeter zur Bestimmung des Brandgefährdungsgrades benötigt wird, ist lang. Manchmal treten auch Fehler auf. Zudem muss man auf den Grad der Vollendung der chemischen Reaktionen achten – andernfalls können ungenaue Messwerte zu Fehlentscheidungen in der Produktion führen. 2. Analysegerät für Spurengase von Schwefel: Mit der Anwendung neuer Verfahren zur Entschwefelung bei Raumtemperatur ist es in Betrieben, die Düngemittel herstellen, notwendig, über Analysegeräte für Spurengase von Schwefel zu verfügen. Dadurch kann die Sicherheit der Katalysatoren für die Herstellung von Ethanol sowie der Ammoniaksynthese gewährleistet werden. Zudem bieten diese Geräte eine einfache und schnelle Möglichkeit zur qualitativen und quantitativen Bestimmung verschiedener Spurengase von Schwefel in den Produktgasen. 3. Explosionsdetektor für brennbare Gase: Die Analyse mit dem Austenit-Test ist zeitaufwändig und weist manchmal gewisse Fehler auf. Deshalb wird empfohlen, einen Explosionsdetektor für brennbare Gase zu verwenden. 4. Industrielle Gaschromatographen: Die industrielle Gaschromatographie wird am häufigsten bei der Analyse von Erdgas eingesetzt. Die Gaskomponenten werden in der Reihenfolge H2, N2, CO und CO2 bestimmt. Außerdem kann diese Technologie auch zur Analyse solcher Verbindungen in Hochofen-Gasen sowie in Abgasen aus dem Sinterprozess eingesetzt werden. In den letzten Jahren haben Chromatographen an Popularität gewonnen. Allerdings müssen bei Chromatographen Gase zunächst getrennt werden, bevor eine Analyse durchgeführt werden kann – daher ist eine Echtzeit-Analyse schwierig zu realisieren. Abgesehen von einer kleinen Anzahl von Hochöfen im Inland, die diese Methode weiterhin verwenden, werden industrielle Gaschromatographen zunehmend durch Massenspektrometer oder Infrarot-Analysegeräte ersetzt. 5. Massenspektrometer für Industriegase: Massenspektrometer werden zur qualitativen und quantitativen Analyse unter Verwendung des Massenzahl-zu-Ladungs-Verhältnisses der Ionen einer Substanz eingesetzt. Gasmassenspektrometer ionisieren in der Regel durch Elektronenbeschuss; alle Stoffe weisen eine charakteristische Spaltungsweise auf. Massenspektrometer zeichnen sich durch eine äußerst schnelle Analysegeschwindigkeit aus, es ist möglich, viele verschiedene Komponenten gleichzeitig zu analysieren, und die Genauigkeit der Analyse ist sehr hoch. Doch die Vorteile der Analysefähigkeit von Massenspektrometern hinsichtlich mehrerer Komponenten und hoher Geschwindigkeit in Prozessen wie Hochofen- oder Sinterungsverfahren sind nicht besonders ausgeprägt. Zudem muss das Gas vor der Analyse getrennt werden, wodurch eine Echtzeit-Analyse schwierig ist. Außerdem sind die Kosten für diese Geräte sehr hoch. Derzeit sind hochpräzise Massenspektrometer hauptsächlich importiert, und auch die Ersatzteile müssen aus dem Ausland bezogen werden. Die Reaktion der inländischen Händler ist meist langsam, was die Einsatzrate des Systems erheblich beeinträchtigt. Außerdem unterscheidet sich die nationale Betriebsumgebung von der im Ausland, die Fehlerrate der Geräte ist hoch, die Wartung muss häufig durchgeführt werden und die Wartungskosten sind ebenfalls hoch. 6. Sonstiges Weitere häufig verwendete Geräte sind Leitfähigkeitsmessgeräte, pH-Messgeräte, Spektrophotometer sowie Geräte zur Bestimmung des Wassergehalts. II. Häufig verwendete Geräte zur Prozessanalyse
1. Geräte zur Analyse von Spurengasen
Die Bestimmung der Spurenmenge an (CO + CO2) in Raffungsgasen ist eine wichtige Analyseaufgabe in Düngemittelfabriken. Aufgrund des geringen Gehalts an (CO + CO2) – dieser liegt meist bei ≤25×10-6 – kann in einigen Fällen das Gasgehalt sogar im ppm-Bereich liegen. Mit manuellen Methoden ist es schwierig, die Bestandteile dieses Gases zu bestimmen. 2. Wärmeleitfähigkeitsanalysegerät – Das Wärmeleitfähigkeitsanalysegerät gehört zu den ältesten Arten von Online-Analysegeräten. Es gibt viele verschiedene Modelle dieser Art, und sie werden häufig eingesetzt, um automatisch den Volumenanteil verschiedener Gase wie H2, Ar, SO2 in Gemischen zu bestimmen. 3. Sauerstoffanalysegeräte: Zur Online-Analyse des Sauerstoffsgehalts in Gasen werden in der Regel elektrochemische oder thermomagnetische Sauerstoffanalysegeräte eingesetzt. Sie weisen eine hohe Empfindlichkeit auf, es können außerdem Alarmfunktionen eingestellt werden. Zudem sind sie einfach zu warten und zu ersetzen. 4. Konstantstrom-Infrarot-Gasanalysegerät: Solche Geräte werden häufig verwendet, um kontinuierlich den Gehalt an Stoffen wie CO, CO2, NH3, CH, H2, O2 usw. in verschiedenen Gemischgasen zu messen. Es handelt sich dabei um eine wichtige Art von Online-Analysegeräten. Infrarot-Gasanalysatoren vom Typ NDIR sind als schnelle und präzise Methode zur Gasanalyse besonders verbreitet – insbesondere in Systemen zur kontinuierlichen Überwachung von Schadstoffen (CEMS) sowie bei der Untersuchung von Abgasen von Kraftfahrzeugen. Die wichtigsten Hersteller von NDIR-Gasanalysatoren im Inland verwenden überwiegend die in den frühen 1980er Jahren entwickelten Methoden zur Infrarotgasanalyse auf internationaler Ebene – beispielsweise werden Nickel-Antimon-Fäden als Infrarotlichtquellen verwendet, die Infrarotstrahlung wird durch mechanische Steuerung geregelt, und als Sensoren kommen dünnfilmige Kondensatormikrofone oder InSb zum Einsatz. Aufgrund der Verwendung von elektromechanischer Modulation ist der Energieverbrauch des Geräts hoch, seine Stabilität ist schlecht und außerdem ist die Herstellungskosten des Geräts sehr hoch. Gleichzeitig macht die Verwendung von Membrankondensatormikrofonen als Sensoren das Gerät äußerst empfindlich gegenüber Vibrationen, wodurch es sich nicht für portable Messungen eignet. Durch die Entwicklung von Infrarotquellen, Sensoren und Elektronik haben sich NDIR-Infrarot-Gasensoren im In- und Ausland rasant weiterentwickelt. Dies zeigt sich hauptsächlich in dem Fehlen von mechanischen Modulationsvorrichtungen, der Verwendung neuer Infrarot-Sensoren sowie elektrisch modulierter Lichtquellen. Zudem wird im Schaltkreis des Geräts ein energiesparendes Embedded-System eingesetzt. Dadurch weist das Gerät Vorteile hinsichtlich Größe, Energieverbrauch, Leistung und Preis auf, die mit denen früherer Geräte nicht vergleichbar sind. Wie das derzeit auf dem Markt erhältliche Gasanalysegerät Gasboard-3100 (Online-Typ), das weltweit führende nicht-spektroskopische Infrarot-Gasanalyseverfahren, ein langlebiges elektrochemisches Sensormodul sowie eine auf MEMS basierende Wärmeleitfähigkeitsmessung nutzt, kann gleichzeitig den Heizwert von Erdgas und Biogas sowie die Volumenkonzentrationen von Gasen wie CO, CO2, CH4, H2, O2, CnHm online messen. Gasanalysegerät Gasboard-3100 (online) Dieses Gerät wird häufig zur Messung der Volumenkonzentrationen mehrerer Gaskomponenten in Prozessgasen der Gasindustrie eingesetzt, wie z. B. in Düngemittelwerken, Stahlwerken, Gaswerken usw. – bei Gasen, Halbwassergasen, Umsetzgassen sowie Rohgasen. Durch die Analyse der Veränderungen der gemessenen Gasparameter kann man die Gesetzmäßigkeiten der Veränderungen dieser Bestandteile erkennen, wodurch eine dynamische Überwachung des gesamten Produktionsprozesses möglich wird. “„Instrumentalisierung analytischer Technologien, Automatisierung von Analysegeräten“ ist die vorherrschende Entwicklungsrichtung. Analysemethoden und -techniken sind die Leitlinien für Analysegeräte; alle etablierten Analyseverfahren müssen in Geräteumsetzungen umgewandelt werden. Mit der ständigen Weiterentwicklung der Produktion steigen auch die Anforderungen an die Qualität und Leistungsfähigkeit der Analysen. Laboranalysatoren sind daher nicht mehr in der Lage, eine kontinuierliche, automatisierte Überwachung und Steuerung der Produktion zu gewährleisten. Die Automatisierung von Analysegeräten erfordert nicht nur die Nutzung der aktuellen Entwicklungen in der Elektronik- und Rechentechnologie, sondern auch eine umfassende Anwendung der derzeit beliebten Technologien für intelligente eingebettete Systeme sowie der Technologien der Ultrapräzisionsbearbeitung. Prozessanalysatoren werden zunehmend in kleinen und mittleren Unternehmen in unserem Land eingesetzt, um eine dynamische Steuerung und Überwachung der Produktionsprozesse in Echtzeit zu ermöglichen.