[發明專利]用于測定流動氣體混合物中氣體濃度的裝置和方法

無效

• 申請號: 201210046561.6
• 申請日: 2012-02-24
• 公開（公告）號: CN102650589A
• 公開（公告）日: 2012-08-29
• 發明（設計）人: 馬庫斯·克施哈克爾;約翰·胡貝爾;馬庫斯·尼梅特茲;克里斯托弗·毛雷爾
• 申請（專利權）人: 瓦克化學股份公司
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 張英;劉書芝

技術領域

本發明涉及一種用于測定流動的、包含固體的氣體混合物中氣體濃度的方法，還涉及一種用于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，例如對于工藝控制。這例如在工藝結束時進行，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并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。對于煙氣中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。氧氣的重要性在于，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，利用了二氧化鋯可以在高溫輸送電解氧離子的事實，借以產生電壓。

對于氧氣測量，因此考慮ZrO₂探頭。這種測量是基于在測量電池中通過兩面都涂有鉑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鉑電極之間的電位差。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，并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，這些探頭過于敏感并且使用這種探頭操作的裝置維護非常頻繁。

用于氧氣測量的另一個可能性是二極管激光光譜儀。探測器通過氣體分子測量激光的吸收。由此可以計算出氣體濃度。

然而，如果待研究的工藝氣體具有相對高的固體分數，二極管激光光譜儀的使用始終是一個問題。固體損害激光的傳輸，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-氣體流和一些高度流動的固體中，由于旋渦形成和反向流，固體可以傳遞到擋板上面和后面，并且激光束也被損害。

傳統的激光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。

其中一個例子是在高度分散的二氧化硅的生產中的工藝控制。

在通過從氯硅烷和氫氣沉積多晶硅的生產中，例如在西門子反應器中，四氯化硅(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(高度分散的二氧化硅)。除上述四氯化硅之外，許多其他含硅化合物及其混合物也可以作為原料，例如甲基三氯硅烷、三氯硅烷或者其與四氯化硅的混合物。也可以使用無氯硅烷或者硅氧烷。根據EP790213，使用二聚體氯硅烷和硅氧烷也是可能的。

為了過程控制和安全措施，在二氧化硅的生產中需要氧氣測量。

在二氧化硅的生產中，氣流通常包括大于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，由激光技術測量氧氣)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二氧化硅的生產中使用時，導致不確定的測量結果。這首先與存在于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。激光測量被偏轉機構損害，由于漩渦形成，不能夠確保無顆粒進入測量部分。激光的傳輸在這樣的氣流中太低。特別是在由火焰水解生產二氧化硅中，技術檢驗機構不允許具有太低的傳輸值的激光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