[發明專利]一種氯氣利用率測量裝置和方法

在審

• 申請號: 201310694665.2
• 申請日: 2013-12-15
• 公開（公告）號: CN104713840A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 趙偉力;張瑩瑩;張岳龍;張朋;房本杰;金玉奇
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所;信陽市質量技術監督檢驗測試中心
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01F9/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

1.一種氯氣利用率的測量裝置，其特征在于：

在碘源出碘管（7）上設置有對稱的第一筒體（4）和第二筒體（9），兩筒體同軸設置，其軸線垂直于出碘管（7）的軸向，且與出碘管（7）的軸線相交，第一筒體（4）和第二筒體（9）靠近出碘管（7）的內端均與出碘管（7）相連通，第一筒體（4）和第二筒體（9）遠離出碘管（7）的外端均設置有透明的第一通光測試窗口（3）和第二通光測試窗口（10），第一通光測試窗口（3）與第一筒體（4）間、及第二通光測試窗口（10）與第二筒體（9）間密閉連接；第一筒體（4）和第二筒體（9）兩個筒體、與兩筒體連通的出碘管部分以及通光測試窗口構成測試池，于第一筒體（4）和第二筒體（9）兩個筒體的側壁上均設置有加熱裝置（8），于第一筒體（4）上設置有測溫裝置（5），于第二筒體（9）上設置有測壓裝置（6）；

于第一筒體（4）的外部靠近第一通光測試窗口（3）的一側設置有光源（1）；在光源（1）與測試窗口（3）之間設置有第一聚焦透鏡（2）；

于第二筒體（9）的外部靠近第二通光測試窗口（10）的一側設置有帶電荷耦合器件（CCD）（13）的多道光纖光譜儀（12），在第二通光測試窗口（10）和光譜儀（12）之間設置有第二聚焦透鏡（11）；光譜儀（12）與計算機（14）上的數據采集卡連接，由計算機（14）進行數據采集和處理。

2.按照權利要求1所述裝置，其特征在于：

光源（1）發出的光經過第一聚焦透鏡（2）透過第一通光測試窗口（3）進入測試池，進入測試池的光的光軸方向與第一通光測試窗口（3）同軸，光源（1）發射的光譜包含300-600納米范圍譜段。

3.按照權利要求1所述裝置，其特征在于：

計算機（14）與光譜儀（12）的數據通訊接口相連。

4.一種權利要求1-3任一項所述裝置用于氧碘激光器化學碘源的氯氣利用率測量方法，其

特征在于：

1）先由CCD采集經過測試池后的透射光強信號作為初始光強；

2）短暫延遲后開啟稀釋氣體閥門和氯氣閥門，使氣體進入碘源，在碘源內發生化學反應產生的含碘氣流流經出碘管，由CCD采集經過測試池后的透射光強信號作為透射光強；

3）氣體對光的吸收可以用Beer-Lambert定律來描述：

I=I₀exp(-snL)

（1）

其中I₀是初始光強，I為透射光強，s為氣體介質的吸收截面（cm²），n為氣體介質濃度(個分子/cm³)，為光在氣體介質中的傳播距離（cm），即測試池的長度；

由于氣流中有粉塵顆粒的存在，造成透射光強減弱，所以透射光強和初始光強的關系應改為：

I=aI₀exp(-snL)

（2）

其中a為透射光強的實際透過率；

由待測氣體的吸收截面和吸收長度，根據初始光強和此時的透射光強即可得到待測吸收介質氣體的濃度：

n=1sLlnaI0I]]>

（3）

若a已知，則根據理想氣體物態方程，就可以計算得到待測氣體介質的分壓：

Px=nNART]]>

（4）

其中N_A為阿佛加德羅常數，R為普適氣體常數，T為測試池內氣體溫度。

再根據反應時的氣體的總流量以及測試池總壓，由Dalton定律可以計算得到反應過程中不同時刻待測氣體的摩爾流量：

M_x=P_x(M_c+M_Cl2)/P_tot

（5）

其中M_x為待測氣體的摩爾流量，P_tot為測試池氣體總壓，M_c為反應過程中通入稀釋氣體的摩爾流量，M_Cl2為通入碘源的氯氣摩爾流量；

根據氯氣的吸收特性，選取310-360納米作為氯氣的測試波長，由公式（3）、（4）得到待測氣流中氯氣的分壓如下：

P1=PTs1LAAlna1I01I1---(6)]]>

其中P₁為氯氣分壓，s₁為氯氣的吸收截面，a₁為氯氣測試波長透射光強的實際透過率，I₀₁為氯氣測試波長的初始光強，I₁為氯氣測試波長的透射光強。

根據碘的吸收特性，選取450-550納米作為碘蒸氣的測試波長，由公式（3）、（4）得到待測氣流中碘蒸氣的分壓如下：

P2=PTs2LNAlna2I02I2]]>

（7）

其中P₂為碘分壓，s₂為碘的吸收截面，a₂為碘蒸氣測試波長透射光強的實際透過率，I₀₂為碘測試波長的初始光強，I₂為碘測試波長的透射光強。

粒度測量結果顯示粉塵顆粒的粒徑基本分布在5-7微米之間，對光的散射屬于米氏散射，散射光的強度與入射光的波長沒有依賴關系，所以氯氣、碘各自測試波長透射光強的實際透過率可以認為是相同的，即

a₁=a₂=a

（8）

由于該反應不存在氣相副產物，殘余氯氣與碘蒸氣的總量與通入碘源的氯氣量相等，于是殘余氯氣與碘蒸氣的分壓之和為

P₁+P₂=P_tot·M_Cl2/(M_c+M_Cl2)

（9）

整理得到

a=exp{s1s2s1+s2[PtotLNAMCl2RT(Mc+MCl2)-1s1lnI01I1-1s2lnI02I2]}---(10)]]>

將由（10）得到的a帶回（6）就可以得到殘余氯氣分壓，從而得到殘余氯氣流量；1減去殘余氯氣與通入碘源的氯氣流量之比即為化學碘源的氯氣利用率。