[go: up one dir, main page]

RU2613328C1 - Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте - Google Patents

Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте Download PDF

Info

Publication number
RU2613328C1
RU2613328C1 RU2015147599A RU2015147599A RU2613328C1 RU 2613328 C1 RU2613328 C1 RU 2613328C1 RU 2015147599 A RU2015147599 A RU 2015147599A RU 2015147599 A RU2015147599 A RU 2015147599A RU 2613328 C1 RU2613328 C1 RU 2613328C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cell
methane
oxygen
nitrogen
electrodes
Prior art date
Application number
RU2015147599A
Other languages
English (en)
Inventor
Анатолий Сергеевич Калякин
Анатолий Константинович Демин
Александр Николаевич Волков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук
Priority to RU2015147599A priority Critical patent/RU2613328C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2613328C1 publication Critical patent/RU2613328C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)

Abstract

Использование: для получения возможности измерения содержания метана в азоте в широком диапазоне температур и концентраций при одновременном контроле работоспособности электрохимической ячейки в процессе измерений. Сущность изобретения заключается в том, что в поток анализируемого газа, находящегося при температуре от 450 до 700°С, помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях дисков расположены по паре электродов, к электродам одного из дисков подают напряжение постоянного тока в пределах 600-1500 мВ с подачей положительного полюса на внутренний электрод, посредством чего осуществляют электролиз паров воды и накачку полученного в результате электролиза кислорода из потока анализируемого газа в полость ячейки по электрохимической цепи: наружный электрод - твердый электролит - внутренний электрод, в процессе достижения стационарного состояния, когда диффузионный поток продуктов окисления метана из полости ячейки станет равным поступающему потоку анализируемого газа, поступающего в ячейку, измеряют протекающий через ячейку предельный ток и по величине предельного тока, соответствующего содержанию кислорода, потраченного на окисление метана, определяют концентрацию метана в азоте. Технический результат: обеспечение возможности просто и надежно измерять содержание метана в азоте. 4 ил.

Description

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к регистрации и измерению содержания метана в азоте, и может быть использовано для решения технологических задач, связанных в первую очередь с безопасностью технологического оборудования, в котором хранится и перерабатывается метан.
Создание в атмосфере технологического оборудования и емкостях инертной среды из смеси метана с азотом является самым надежным и проверенным способом предотвращения пожаров и взрывов при проведении различного рода работ в нефтегазовой промышленности.
Основными методами определения метана являются термохимический, интерференциальный и оптический. Причем термохимический метод позволяет анализировать метан только в газовой среде, где присутствует избыточное содержание воздуха (кислорода). В бескислородной среде, например в смеси метана с азотом или другим инертным газом, данный метод в принципе неработоспособен. А интерференциальный и оптический методы, основанные на поглощении метаном части спектра светового потока, позволяют определять метан в его смеси с инертным газом.
Принцип действия интерференциального газоанализатора описан в источнике (В.Г. Путилов, А.М. Петрова, Р.Ю. Толченкин «Газоанализатор для контроля метана, выделяющегося на поверхность земли при эксплуатации и ликвидации угольных шахт», семинар №23 симпозиума «Неделя горняка - 2007») [1]. Данный метод основан на избирательном поглощении инфракрасного излучения молекулами метана в области длины волны 3,2÷3,6 мкм, а в газоанализаторе для увеличения стабильности нуля, а также для компенсации возможного влияния влаги, пыли и других факторов, способных поглощать свет, использована автокомпенсационная двулучевая оптическая схема. В ней измеряется интенсивность двух лучей, проходящих по одному и тому же оптическому пути, причем длина волны одного - измерительного луча находится в области поглощения, а другого - опорного луча - в области, где поглощение отсутствует. Излучатели и фотоприемники, используемые в газоанализаторе, меняют параметры со временем, при изменениях температуры, а также в процессе старения. Для автокомпенсации этих изменений в оптическую схему введены еще два луча, не проходящие сквозь анализируемую газовую смесь. Способ аппаратурно сложен, трудоемок и требует квалифицированного обслуживания.
Оптический способ определения метана реализован в известном дистанционном обнаружителе метана (RU 2029287, опубл. 20.02.1995) [2]. Способ заключается в том, что излучение лазеров попеременно поступает на зеркала, с помощью которых делится на опорные и зондирующие пучки. Последние, пройдя через исследуемую область пространства, падают на топографический рассеиватель. Рассеянное назад излучение собирается телескопом и направляется на расположенный в его фокусе фотоприемник 7, подключенный к входу усилителя. Выход усилителя 9 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя. Опорные пучки с помощью зеркал подаются на фотоприемник, подключенный к входу аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены к входным цепям микро-ЭВМ. Зондирующие пучки, попеременно проходя через исследуемую область пространства, по-разному поглощаются метаном, в результате чего рассеянное назад топографическим рассеивателем излучение на этих длинах волн оказывается ослабленным по-разному. Это излучение, собранное телескопом, преобразуется с помощью фотоприемника в электрический сигнал, а затем после усиления преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя в цифровой код.
Способ характеризуется сложным аппаратурным оформлением, трудоемкостью, необходимостью в квалифицированном обслуживающем персонале.
Задача настоящего изобретения заключается в создании способа, позволяющего достаточно просто и надежно измерять содержание метана в азоте.
Для решения поставленной задачи предложен электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте, заключающийся в том, что в поток анализируемого газа, находящегося при температуре от 450 до 700°С, помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях дисков расположены по паре электродов, к электродам одного из дисков подают напряжение постоянного тока в пределах 600-1500 мВ с подачей положительного полюса на внутренний электрод, посредством чего осуществляют электролиз паров воды и накачку полученного в результате электролиза кислорода из потока анализируемого газа в полость ячейки по электрохимической цепи: наружный электрод - твердый электролит - внутренний электрод, в процессе достижения стационарного состояния, когда диффузионный поток продуктов окисления метана из полости ячейки станет равным поступающему потоку анализируемого газа, поступающего в ячейку, измеряют протекающий через ячейку предельный ток и по величине предельного тока, соответствующего содержанию кислорода, потраченного на окисление метана, определяют концентрацию метана в азоте.
При подаче к электродам одного из дисков напряжения постоянного тока в пределах от 600-1500 мВ с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки, осуществляют электролиз паров воды, находящихся в анализируемом газе, и накачку полученного в результате электролиза кислорода из потока анализируемого газа в полость ячейки по электрохимической цепи: наружный электрод - твердый электролит - внутренний электрод. В полости ячейки будет протекать процесс окисления метана накаченным в полость кислородом в соответствии с реакцией:
Figure 00000001
При достижении напряжения постоянного тока величины в пределах от 600-1500 мВ ток стабилизируется и перестает расти с ростом напряжения. Полученный ток является предельным током, а его величина обусловлена газообменом между анализируемой средой и газом в полости ячейки. Величина предельного тока ячейки лимитируется диффузионным барьером - капилляром и связана с концентрацией аммиака (Иванов-Шиц, И. Мурин, Ионика твердого тела, том 2, С.-Петербург (2010) СС. 964-965) уравнением (2):
Figure 00000002
где D(метан-инертный газ) - коэффициент диффузии аммиака в инертном газе;
X(метан) - мольная доля аммиака в инертном газе;
S - площадь сечения капилляра, мм2;
Р - общее давление газовой смеси, атм;
Т - температура анализа, К;
L - длина капилляра, мм.
В соответствии с уравнением (2) достаточно легко рассчитать содержание метана по измеренному значению предельного тока IL(метан - инертный газ).
При этом другой твердоэлектролитный диск с нанесенными на его противоположные поверхности электродами выполняет функцию контроля работоспособности электрохимической ячейки по величине ЭДС, которая в соответствии с уравнением (3) отражает изменение парциального давления кислорода внутри ячейки относительно парциального давления кислорода в анализируемом газовом потоке:
Figure 00000003
где Е - ЭДС ячейки, мВ;
R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль-К;
Т - температура, К;
4 - число электронов, участвующих в данной электродной реакции;
F - число Фарадея, равное 96500 Кл/моль;
Р(O2)1 - парциальное давление кислорода в полости ячейки;
Р(O2)2 - парциальное давление кислорода в потоке анализируемого газа.
Генерируемая величина ЭДС с одной стороны подтверждает, что на том диске с электродами, на который подвали напряжение, установился предельный ток - величина ЭДС при этом также стабилизируется, а также говорит о возможной разгерметизации электрохимической ячейки. При разгерметизации электрохимической ячейки ЭДС будет падать до нуля, т.к. отношение P(O2 l)/P(O2 2) станет равно единице.
Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в получении возможности измерения содержания метана в азоте в широком диапазоне температур и концентраций при одновременном контроле работоспособности электрохимической ячейки в процессе измерений.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображена электрохимическая ячейка для реализации способа; на фиг. 2 - зависимость тока диска с электродами, на который подают напряжение и ЭДС диска с электродами, с которого снимают ЭДС, от подаваемого напряжения для газа СН4(5%)+N2 при температуре 550°С; на фиг. 3 - зависимость предельного тока электрохимической ячейки от напряжения и концентрации СН4; на фиг. 4 - зависимость предельного тока электрохимической ячейки от концентрации метана.
Электрохимическая ячейка для реализации способа измерения метана в азоте состоит из двух дисков 1 и 2, выполненных из кислородпроводящего твердого электролита состава 0,9 ZrO2+0,1Y2O3. На противоположных поверхностях каждого из дисков 1 и 2 расположены по два наружных электрода 3 и 4 и по два внутренних электрода 5 и 6. Диски 1 и 2 соединены между собой газоплотным герметиком с образованием внутренней полости 7. Между дисками находится капилляр 8. Подачу напряжения на электроды 3 и 4 диска 1 осуществляют от источника напряжения постоянного тока, причем на внутренний электрод 4 подают плюс. Ток, возникающий в цепи ячейки, измеряется амперметром (А). Сама электрохимическая ячейка помещена в поток анализируемого газа, который омывает ее наружную поверхность и по капилляру 8 поступает во внутреннюю полость 7. Под действием напряжения постоянного тока, приложенного от источника (ИПТ) к электродам 3 и 4, через твердый кислородпроводящий электролит происходит накачка кислорода из анализируемого газа во внутреннюю полость ячейки 7. В полости 7 поступивший кислород взаимодействует с метаном. Образовавшиеся продукты взаимодействия, в соответствии с уравнениями (1-2), обмениваются через капилляр 8 с анализируемым газом. При этом капилляр 8 является диффузионным барьером, лимитирующим этот газовый поток обмена. Этому потоку обмена будет соответствовать и ток ячейки. При достижении приложенного напряжения величины в пределах 600-1500 мВ газообмен между полостью ячейки и анализируемой средой стабилизируется и в цепи устанавливается предельный диффузионный ток - IL(метан - азот), который измеряют с помощью амперметра (А). Посредством уравнения (2) по величине измеренного IL(метан - азот) можно определить величину X(метан), т.е. концентрацию метана в азоте.
Таким образом, заявленный способ позволяет измерить содержание метана в азоте посредством амперометрической ячейки с кислородпроводящим твердым электролитом. Поскольку свойства инертных газов идентичны, заявленный способ может быть применен для измерения содержания метана в других инертных газах.

Claims (1)

  1. Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте, заключающийся в том, что в поток анализируемого газа, находящегося при температуре от 450 до 700°С, помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя дисками из кислородпроводящего твердого электролита, на противоположных поверхностях дисков расположены по паре электродов, к электродам одного из дисков подают напряжение постоянного тока в пределах 600-1500 мВ с подачей положительного полюса на внутренний электрод, посредством чего осуществляют электролиз паров воды и накачку полученного в результате электролиза кислорода из потока анализируемого газа в полость ячейки по электрохимической цепи: наружный электрод - твердый электролит - внутренний электрод, в процессе достижения стационарного состояния, когда диффузионный поток продуктов окисления метана из полости ячейки станет равным поступающему потоку анализируемого газа, поступающего в ячейку, измеряют протекающий через ячейку предельный ток и по величине предельного тока, соответствующего содержанию кислорода, потраченного на окисление метана, определяют концентрацию метана в азоте.
RU2015147599A 2015-11-05 2015-11-05 Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте RU2613328C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015147599A RU2613328C1 (ru) 2015-11-05 2015-11-05 Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015147599A RU2613328C1 (ru) 2015-11-05 2015-11-05 Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2613328C1 true RU2613328C1 (ru) 2017-03-16

Family

ID=58458180

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015147599A RU2613328C1 (ru) 2015-11-05 2015-11-05 Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2613328C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2661074C1 (ru) * 2017-07-17 2018-07-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Способ изготовления смесей для калибровки газоаналитического оборудования с использованием твердотельного электролизера
RU2735628C1 (ru) * 2020-03-18 2020-11-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Амперометрический датчик для измерения концентрации метана и примеси водорода в анализируемой газовой смеси
RU2837349C1 (ru) * 2024-10-02 2025-03-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Амперометрический способ измерения концентрации метана в воздушной атмосфере

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0389156A (ja) * 1989-08-31 1991-04-15 Sumitomo Chem Co Ltd ガスセンサ素子
US5716506A (en) * 1995-10-06 1998-02-10 Board Of Trustees Of The University Of Illinois Electrochemical sensors for gas detection
RU2171468C1 (ru) * 2000-04-10 2001-07-27 Сомов Сергей Иванович Способ анализа состава газовых смесей и газоанализатор для его реализации
WO2007107833A1 (en) * 2006-03-17 2007-09-27 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Gas sensor, fuel supply system using the same, and method of using gas sensor
RU2548614C1 (ru) * 2014-04-22 2015-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Способ определения коэффициента диффузии горючих газов в азоте

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0389156A (ja) * 1989-08-31 1991-04-15 Sumitomo Chem Co Ltd ガスセンサ素子
US5716506A (en) * 1995-10-06 1998-02-10 Board Of Trustees Of The University Of Illinois Electrochemical sensors for gas detection
RU2171468C1 (ru) * 2000-04-10 2001-07-27 Сомов Сергей Иванович Способ анализа состава газовых смесей и газоанализатор для его реализации
WO2007107833A1 (en) * 2006-03-17 2007-09-27 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Gas sensor, fuel supply system using the same, and method of using gas sensor
RU2548614C1 (ru) * 2014-04-22 2015-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Способ определения коэффициента диффузии горючих газов в азоте

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2661074C1 (ru) * 2017-07-17 2018-07-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Способ изготовления смесей для калибровки газоаналитического оборудования с использованием твердотельного электролизера
RU2735628C1 (ru) * 2020-03-18 2020-11-05 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Амперометрический датчик для измерения концентрации метана и примеси водорода в анализируемой газовой смеси
RU2837349C1 (ru) * 2024-10-02 2025-03-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Амперометрический способ измерения концентрации метана в воздушной атмосфере
RU2837485C1 (ru) * 2024-11-22 2025-03-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) Электрохимический способ определения концентрации этилена в азоте

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102027344B (zh) 红外分光计
EP2909329B1 (en) Methods for detecting bacterial infections
Wang et al. Breath ammonia detection based on tunable fiber laser photoacoustic spectroscopy
US9857267B1 (en) Methods and apparatus for measuring small leaks from carbon dioxide sequestration facilities
AU2014306528A1 (en) Gas sensor to enhance implementation of a process-based leakage monitoring method
US20150219553A1 (en) Laser Based, Temperature Insensitive, Carbon Dioxide Isotope Ratio Measurement
Zhou et al. Sensitive detection of oxygen using a diffused integrating cavity as a gas absorption cell
RU2613328C1 (ru) Электрохимический способ измерения концентрации метана в азоте
CN115398205A (zh) 气体分析装置以及气体分析方法
Wang et al. Using broadband absorption spectroscopy to measure concentration of sulfur dioxide
RU2548614C1 (ru) Способ определения коэффициента диффузии горючих газов в азоте
EP4276444A1 (en) Optical co2 concentration meter based on ir light absorption in gas
RU2837485C1 (ru) Электрохимический способ определения концентрации этилена в азоте
JP7461937B2 (ja) 試料分析装置
US20240102919A1 (en) Apparatus and method for analyzing a sample
Tanaka et al. Sensitive measurements of stable carbon isotopes of CO2 with wavelength modulation spectroscopy near 2 μm
JPWO2023095864A5 (ru)
RU2837349C1 (ru) Амперометрический способ измерения концентрации метана в воздушной атмосфере
RU2611578C1 (ru) Амперометрический способ измерения концентрации диоксида углерода в азоте
Ding et al. Design and Implementation of a High-Sensitivity Photoacoustic Detection System for NH 3 Leaks in Cold Storage
Seeger et al. Potentials of Raman based sensor system for an online analysis of human inhale and exhale
US20250321184A1 (en) Infrared gas analyzer, and infrared gas analysis method
Dhiman et al. Phase-shift cavity ring down Spectroscopy Set-up for NO
Hua et al. Sensitive absorption measurements of hydrogen sulfide at 1.578 μm using wavelength modulation spectroscopy
Das et al. Monitoring of Air Contaminant Gases Using a UV-Based Optical Sensor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191106