CN104569282A - 测定氢气及含氢气体中氧含量与水、氧含量一体化测定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测定氢气及含氢气体中氧含量与水、氧含量一体化测定的方法，其属于分析测试的技术领域。该方法首先利用化学反应将气体产品中氧气定量转化为水，然后使用水分（湿度）传感器测定气体中水分（湿度）含量并换算得到氧气含量。通过气路组合，使用同一个水分（湿度）传感器，可以实现气体中水、氧含量的一体化测定。将水分（湿度）传感器应用于氧含量测定，可以大大延长氧分仪的使用寿命。将水、氧含量测定组合在一台设备中，不仅简化分析操作，且成倍地降低了仪器的校准、运行和维护成本。

Description

测定氢气及含氢气体中氧含量与水、氧含量一体化测定的方法

技术领域

本发明涉及一种测定氢气及含氢气体中氧含量与水、氧含量一体化测定的方法，其属于分析测试的技术领域。

背景技术

氢气是常用又极具危险性的气体，其在空气的爆炸限4-75%。氢气也是用途最广泛的气体产品，在石油加工、化工过程、火电冷却等领域普遍应用。

在氢气生产及使用中，基于安全和过程的要求，水、氧成分是必须控制的指标。例如，在《氢气站设计规范》（GB50177）、《水电解制氢系统技术要求》（GB/T19774）、《变压吸附提纯氢气系统技术要求》（GB/T19773），《氢气使用安全技术规程》（GB4962）等标准中，为确保制氢设备安全，均对氢中氧含量的控制和检测作出强制性要求；在 《工业氢》（GB/T3634.1）、《纯氢、高纯氢、超纯氢》（GB/T3634.2）等产品标准中，对氧、水含量同时提出了限定要求。

 在空气产品分离工艺中，通过催化加氢工艺去除氮气或氩气中的微量氧是常用的纯化方法之一。为评价脱氧及干燥效果，需要测定其中的氧、水含量。我国的国家标准《工业氮》(GB/T3864-2008)、《 氮 》（GB/T 8979-2008）、《 氩 》（GB/T 4842-2006 ）、《食品添加剂 氮气》（GB29202-2012）等均对对氧、水含量同时提出了限定要求。

目前，气体中氧的测定方法有化学比色法、燃料电池法、氧化锆浓差电池法以及气相色谱法等。其中氧化锆浓差电池法不适于氢气及含氢气体；化学比色法、气相色谱法不适于连续在线监测。燃料电池原理的分析设备是氢中氧最常用的监测仪表。燃料电池测氧仪的主要缺陷是由于传感器是消耗型的，需要定期更换。且一旦暴露与空气中或通入高氧含量气体，会导致传感器很快失效。

以满足气体中水分（湿度）的测定需求传感器技术研究和产品开发从未间断，已成熟稳定并批量投放市场的电容式湿度传感器水分测量仪器得到普遍应用。与燃料电池氧传感器比较，水分（湿度）传感器具有自身不消耗、测量范围宽、空气及氧无损害等优点，在使用寿命、稳定性、测定范围、使用环境及条件要求等大大优于氧分析仪。

目前，除气相色谱方法外，对于氢气及含氢气体产品中氧、水含量的测定，需要两种不同机理的氧、水传感元件形成的仪器完成。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用湿度传感器测定氢气或含氢气体中的氧含量的方法与一种利用同一个湿度传感器测定氢气或含氢气体中水、氧含量的方法。将水分（湿度）传感器应用于氧含量测定，可以大大延长氧分仪的使用寿命。将水、氧含量测定组合在一台设备中，简化分析操作，且成倍地降低了仪器的校准、运行和维护成本。

本发明的技术方案是：

1.一种测定氢气或含氢气体中氧含量的方法，包括以下步骤：

（1）将待测氢气或含氢气体通入干燥管，除去所含水分；

（2）将除水后的氢气或含氢气体通入到装有氢氧反应催化剂的转化器ZHM-01中，在150-180℃操作条件下，其中的氧气定量生成水，得到含微量水的氢气或含氢气体；

（3）将含微量水的氢气或含氢气体直接引入到湿度传感器，测定水分含量C；

（4）根据2H₂+O₂ =2H₂0反应式，待测氢气或含氢气体中氧含量为1/2 C。

2.一种测定氢气或含氢气体中水、氧含量一体化测定的方法，包括以下步骤：

（1）将待测氢气或含氢气体通过转换阀的A出口直接引入湿度传感器，测得待测氢气或含氢气体中的水分含量并记录为C1；

 （2）将待测氢气或含氢气体通过转换阀的B出口引入装有氢氧反应催化剂的转化器ZHM-01，在150-180℃的操作条件下，其中氧气定量生成水，得到含水的氢气或含氢气体；

（3）将含水的氢气或含氢气体引入湿度传感器，测定得到原有水分含量与氧气生成水分含量的加和量并记录为C2；

（4）根据2H₂+O₂ =2H₂0反应式，得出待测氢气或含氢气体中氧含量为1/2（C2-C1）。

本发明的有益效果是：该方法首先利用化学反应将气体产品中氧气定量转化为水，然后利用水分（湿度）传感器测定气体中水分（湿度）含量并换算得到氧气含量。通过气路组合，使用同一个水分（湿度）传感器，可以实现气体中水、氧含量的一体化测定。将水分（湿度）传感器应用于氧含量测定，可以大大延长氧分仪的使用寿命。将水、氧含量测定组合在一台设备中，不仅简化分析操作，且成倍地降低了仪器的校准、运行和维护成本。

附图说明

图1是湿度传感器测定气体中氧含量的工作原理流程图。

图2是湿度传感器测定气体中氧、水含量的工作原理流程图。

具体实施方式

将待测的氧与氢在催化作用下定量转化为水，通过测定转化生成的水的量间接测定氧含量的分析方法。该方法的机理是：

2H₂+O₂   =  2H₂0                 （1）

提供一种采用湿度传感器测定氢气及含氢气体中氧含量的方法及实现的技术路线。利用湿度传感器准确测定出水含量，并通过水氧化学反应方程式（1），换算出对应的氧含量。提供一种气路组合，在同一台设备上实现氢气及含氢气体中氧、水含量的测定。

1）湿度传感器测定气体中氧含量

首先，将待测氢气或含氢气体通入干燥管，除去所含水分。之后进入装有氢氧反应催化剂的转化器ZHM-01，在150-180℃的操作条件下，其中氧气定量生成水。将转化器ZHM-01出口气直接引入湿度传感器，测定水分含量。按1/2比例关系换算得到氧气含量，工作原理流程图如图1。

    2）同一个湿度传感器上实现气体中氧、水含量的测定

首先，将待测气体引入湿度传感器，测定水分含量并记录为C1。之后通过转换阀将气体引入装有氢氧反应催化剂的转化器ZHM-01，在150-180℃的操作条件下，其中氧气定量生成水。将转化器ZHM-01出口气直接引入湿度传感器，测定气体中原有水分含量与氧气生成水分的加和量，记录为C2。

        气体中氧气含量=1/2（C2-C1），其工作原理流程图为图2。

用湿度传感器测定氢气中氧含量，该制备装置的核心要件由三部分构成：

（1）将气体脱水干燥至待测氧含量1/10 以下的脱水干燥管。干燥管中的干燥剂品种应选择与氧气无任何化学和物理作用。

（2）装有催化剂并将气体中氧完全定量生成水的转化器ZHM-01。

（3）对水分含量变化响应迅速且稳定，并适于氢气及含氢气体介质的湿度传感器。

用同一个湿度传感器上实现氢气中氧、水含量的测定，该制备装置的核心要件由三部分构成：

（1）可以在A/B状态下实现气路切换的阀门。阀门状态A：待测气体在直接进入湿度传感器; 阀门状态B：经过转化器ZHM-01后进入湿度传感器。

（2）装有催化剂并将气体中氧完全定量生成水的转化器ZHM-01。

（3）对水分含量变化响应迅速且稳定，并适于氢气及含氢气体介质的湿度传感器。               

实施例   高纯氢产品水、氧含量的测定

一．仪器设备

1.氧含量比对分析仪器

1）燃料电池测氧仪

2）DID 检测器气相色谱仪  

2.水分（湿度）传感器校准仪

  S4000，英国米歇尔公司出品，按JJG499-2004《精密露点仪检定规程》合格。

3．水分（湿度）传感器

  VAISALA 152型露点变送器

4．本方法测量装置

由转换阀 +转化器ZHM-01+ 水分（湿度）传感器按图2流程组成。

二．测量操作

1）气体中氧含量的定值

 分别用《氢气 第二部分 纯氢、高纯氢、超纯氢》（GB/T3634.2中规定的 气相色谱法和燃料电池法（电化学法）测定氢气中的氧气含量。

2）本装置测定气体中水、氧含量

通过转换阀，将待测气体直接引入水分（湿度）传感器，待示值稳定后，读出气体中水分含量，并记录为C_水；

转动转换阀，将待测气体引入装有氢氧反应催化剂的转化器ZHM-01，转化器ZHM-01的出口与水分（湿度）传感器入口相联，待示值稳定后，读数并记录为C_{（水+氧生成水）}；

气体中的氧含量C_氧=1/2(C_{（水+氧生成水）} -C_水 )

三．测量结果

取40L钢瓶包装高纯氢和纯氢产品各一瓶，分别按步骤二进行氧含量定值及使用本方法装置测量，结果如下：

 氢气产品中氧含量测定比对结果（含量单位为1×10^-6（V/V））

水分（湿度）传感器应用于氢气及含氢气体中氧含量测定技术，可形成具有实用价值的氧分析仪。与氧传感器型分析仪比较：所采用的湿度传感器为非消耗性器件，大大延长氧分仪的使用寿命。依托湿度传感器产品宽泛的测定范围，可以实现10^-6-10^-2范围氧含量的测定。湿度传感器不受环境气氛的侵蚀，市售产品质量稳定、易于购得。

氢气及含氢气体产品中的水、氧含量测定一体化技术，可形成具有市场竞争能力的分析设备。与单独功能的氧分析仪和水分仪组合比较，可以成倍地降低仪器的校准、运行、维护和采购成本。

上述技术方案中提到的转化器ZHM-01为中昊光明化工设计研究院有限公司和大连三达气体净化技术有限公司共同研究开发，该产品对外销售。公司的地址为：大连市甘井子区甘北路34号，邮编为：116031，电话为：0411-85961015。

Claims (2)

1.一种测定氢气及含氢气体中氧含量的方法，其特征是：包括以下步骤：

（1）将待测氢气或含氢气体通入干燥管，除去待测气体中所含水分；

（2）将除水后的待测氢气或含氢气体通入到装有氢氧反应催化剂的转化器ZHM-01中，在150-180℃的操作条件下，其中的氧气定量生成水，得到含微量水的氢气或含氢气体；

（3）再将含微量水的氢气或含氢气体直接引入到湿度传感器，测定水分含量C；

（4）根据2H₂+O₂ =2H₂0反应式，得出待测氢气或含氢气体中氧含量为1/2的水分含量C。

2.一种测定氢气及含氢气体中水、氧含量一体化测定的方法，其特征是：包括以下步骤：

（1）将待测氢气或含氢气体通过转换阀的A出口直接引入湿度传感器，测得待测氢气或含氢气体中的水分含量并记录为C1；

 （2）将待测氢气或含氢气体通过转换阀的B出口引入装有氢氧反应催化剂的转化器ZHM-01，在150-180℃的操作条件下， 其中的氧气定量生成水，得到含水的氢气或含氢气体；

（3）将含水的氢气或含氢气体引入湿度传感器，测定得到原有水分含量与氧气生成水分含量的加和量并记录为C2；

（4）根据2H₂+O₂ =2H₂0反应式，得出待测氢气或含氢气体中氧含量为1/2（C2-C1）。