ГЕНЕРАТОР ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к генераторам создания и поддержания заданной влажности или осушения газов, и может быть использовано в создании газовых смесей для поверки влагомеров, используемых при проведении химических и физических исследований, а также может найти применение в химической, биологической и электронной отраслях промышленности, альтернативной энергетике, в частности в получении синтез-газа из метано-паровой смеси.

Из уровня техники известны конструкции генераторов влажности газов, в частности воздуха (Научная электронная библиотека диссертаций и авторефератов. // Электронный ресурс URL: http://www.dissercat.com/content/generator-otnositelnoi-vlazhnosti-gazov-na-printsipe-smesheniya-potokov) [1]. В них генерируют насыщенный пар с заранее известной температурой, после чего по уравнению упругости считают содержание воды. Далее, используя метод двух температур, метод давлений или метод двух расходов, создают необходимую влажность газа. В генераторе, основанном на методе двух температур, парогазовую смесь перемещают в объем, температура которого несколько выше температуры, при которой происходит насыщение парогазовой смеси. В генераторе, основанном на методе двух давлений, вначале измеряют величину давления в камере насыщения, величина относительной влажности в которой равна 100%, а затем давление в рабочей камере, с несколько иным давлением. После этого, используя газовые законы и предполагая, что абсолютная величина влаги в генераторе постоянна, рассчитывают относительную влажность газа. Генераторы, основанные на методе двух расходов, представляют собой два газовых или воздушных потока, один из которых насыщают влагой до величины относительной влажности, приблизительно равной 100%, второй поток тщательно осушают пропусканием через селикагель и смешивают потоки влажного и сухого воздуха для получения заданной пользователем относительной влажности. Эти генераторы громоздки, имеют сложную газовую схему и сложную систему измерения влажности и дозирования потоков влажного и сухого воздуха. Кроме того, нуждаются в технологической подготовке газов - сушке и влагонасыщении.

Известны генераторы влажности газов типа «Родник» (Сайт Ангарского опытно-конструкторского бюро автоматики. // Электронный ресурс URL: http://www.okba.ru/produce/sredstva/rodnik-4m.php) [2], предназначенные для метрологического обеспечения гигрометров. Генератор имеет диапазон воспроизводимой объемной доли влаги от 10 до 460000 млн^-1 и диапазон воспроизводимой относительной влажности от 10 до 98% при температурах от плюс 15 до 80°С. Принцип действия известного генератора заключается в следующем. Газ насыщают влагой в насытителе при повышенном давлении и стабильной температуре с последующим изотермическим понижением давления газа в рабочей камере (метод двух давлений), в которой располагают поверяемые преобразователи относительной влажности, газ из рабочей камеры поступает во внешние поверяемые гигрометры. В этом случае давление насыщенного водяного пара в диапазоне установленных давлений газа в насытителе зависит только от температуры. Относительная влажность газа в насытителе при выбранных давлении и температуре обеспечивается равной 100%, а объемная доля влаги определяется температурой термостатирования насытителя и давления газа в ней. При выходе газа из насытителя в рабочую камеру его объем увеличивается пропорционально понижению давления, а относительная влажность в той же мере уменьшается. Объемная доля влаги при понижении давления газа после насытителя остается неизменной и равна исходному ее значению в насытителе. Конструктивно насытитель представляет собой сосуд из нержавеющей стали в виде двух совмещенных сообщающихся посредством распылителя газа коаксиальных цилиндров, заполненных водой до определенного уровня. Устройство содержит измерители температуры и давления, помещенные в термостат и последовательно соединенные насытитель, регулируемый дроссель и рабочую камеру, установленный между насытителем и дросселем переключатель потоков и подключенный ко второму входу этого переключателя увлажнитель, выполненный в виде заполненной сорбентом проточной камеры.

К недостаткам этой конструкции относится ее громоздкость, сложное аппаратурное оформление процесса, требующее наличия газового компрессора, устройства стабилизации давления, устройства стабилизации температуры газа, насытителя и увлажнителя. Конструкция имеет сложную газовую схему с большим количеством запорной и регулирующей арматуры.

Известен генератор влажности газов в диапазоне 0,1-4000 ppm (Электронный ресурс URL: http://www.microfor.ru/publications/tezis_generator.htm)[3], предназначенный для метрологического обеспечения гигрометров. Газовая схема генератора влажности газа в диапазоне микросодержаний влаги представлена на фиг.1. В основу генератора положен принцип смешения двух потоков -опорного (сухого) и дозируемого (влажного). Для осушки опорного потока используется осушитель ВД1. Дозируемый поток насыщается парами воды до известного влагосодержания в увлажнителе А1. Регулятор давления РД1 поддерживает постоянное давление в точке смешения. Регулирование дозируемого потока осуществляется регулятором расхода газа РРГ1. Контроль влажности после смешения осуществляется измерением влажности газа с использованием кулонометрической ячейки КЯ1. Известный генератор также является громоздким, имеет сложное аппаратурное оформление процесса, высокие требования к точности регуляторов давления и расхода, сложную газовую схему с большим количеством запорной и регулирующей арматуры. Кроме того, невозможно использовать известный генератор в режиме сушки газа.

Задача настоящего изобретения - повышение эксплуатационных характеристик генератора влажности газов, в частности создание возможности осушать газовую смесь до заданной влажности при упрощении конструкции и аппаратурного оформления генератора, снижении трудоемкости изготовления и эксплуатации.

Для решения поставленной задачи генератор влажности газов содержит помещенную в термостат рабочую камеру, включающую в себя кислородпроводящий и протонпроводящий твердые электролиты, выполненные в виде герметично соединенных между собой трубок с внутренним и внешним пористыми электродами, трубки закрыты герметичными крышками таким образом, что крышка протонпроводящей трубки выполнена с возможностью подачи газа, а крышка кислородпроводящей - с возможностью выхода влажного или осушенного газа, при этом внутренние электроды трубок соединены между собой напрямую, а наружные подключены к источнику постоянного тока. Рабочая камера выполнена из кислородпроводящего твердого электролита с проводимостью по ионам кислорода равной или близкой к 1 и протонпроводящего твердого электролита с проводимостью по ионам водорода равной или близкой к 1. В качестве кислородпроводящего твердого электролита генератор содержит стабилизированную окись циркония, а в качестве протонпроводящего твердого электролита содержит CaZrO₃, La_0.95Sr_0.05YO₃-x или CaT_i0.95Sc_0.05O₃. Внутренние электроды твердоэлектролитных трубок соединены между собой проводником. Пористые электроды выполнены из коррозионностойкого материала. Наружные электроды кислородпроводящего и протонпроводящего твердых электролитов подключены к источнику постоянного тока с возможностью реверсивной смены полярности напряжения.

Сущность заявленного генератора заключается в применении принципиально нового метода генерации влажности газов. Состав кислородпроводящего и протонпроводящего твердых электролитов выбран таким образом, чтобы эти электролиты обладали максимальной ионной проводимостью при температуре 700-800°С. Под действием электрического напряжения, приложенного от внешнего источника питания к наружным электродам твердоэлектролитных трубок, идет процесс электролиза паров воды, находящейся во влажном воздухе, который обдувает наружную поверхность рабочей камеры. Вода, находящаяся во влажном воздухе, разлагается на кислород и водород. При этом кислород откачивается из наружного объема рабочей камеры во внутренний объем камеры генератора по электрохимической цепи: наружный электрод кислородпроводящего твердого электролита - трубка из кислородпроводящего твердого электролита - внутренний электрод кислородпроводящего твердого электролита, а водород откачивается из наружного объема рабочей камеры в ее внутренний объем по цепи: наружный электрод водородпроводящего твердого электролита - твердоэлектролитная трубка из водородпроводящего твердого электролита - внутренний электрод водородпроводящего твердого электролита. Откачка кислорода и водорода производится в поток исходного газа. Величина напряжения подаваемого на наружные электроды рабочей камеры определяется только количеством влаги, которую надо перекачать из наружного объема рабочей камеры в ее внутренний объем, потому что количество кислорода, откаченного через кислородпроводящий электролит и количество водорода, откаченного через протонпроводящий электролит, будут соответствовать стехиометрии реакции разложения воды на водород и кислород:

2H₂O=2Н₂+О₂;

При этом наличие в анализируемом газе свободного кислорода или водорода не будет влиять на величину предельного тока, т.к. электрическая цепь закорочена, и протекание кислородных ионов через кислородпроводящий электролит и водородных ионов через протонпроводящий электролит сверх стехиометрического значения исключено.

При необходимости, сменив полярность наружных электродов рабочей камеры по описанному механизму, можно производить откачку влаги из внутреннего объема рабочей камеры в поток газа, омывающего наружную поверхность рабочей камеры.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в упрощении процесса генерации влажности газов за счет использования относительно простой электрохимической ячейки, исключающей использование сложного и громоздкого механического оборудования с системой трубопроводов и запорной арматурой, упрощающей газовую схему процесса и исключающей технологическую подготовку газов, насыщение влагой одного потока и полную осушку другого потока газов.

Заявленный генератор изображен на фиг.2. Генератор влажности газов содержит рабочую камеру, включающую в себя кислородпроводящий твердый электролит, выполненный в виде трубки 1 с внутренним 2 и внешним 3 пористыми электродами, выполненными из низкокорродируемого металла (например, из платины или серебра), протонпроводящего твердого электролита, выполненного в виде трубки 5 с внутренним 4 и наружным 6 пористыми электродами, выполненными из низкокорродируемого металла (например, из платины или серебра). Твердоэлектролитные трубки 1 и 5 соединены между собой стеклом -герметиком 7. Трубка 5 закрыта герметичной крышкой 8 со штуцером подачи исходного газа или водяного пара. Трубка 1 закрыта герметичной крышкой 10 со штуцером выхода влажного или осушенного газа. Камера помещена в термостат 11. Внутренние электроды 2 и 4 трубок соединены между собой напрямую проводником 9, наружные электроды 3 и 6 подключены к регулируемому источнику постоянного тока (ИПТ).

В качестве кислородпроводящего твердого электролита 1 используется двуокись циркония, стабилизированная оксидом иттрия или другие оксидные композиции, обеспечивающие число переноса за счет ионов кислорода, равное или близкое 1. В качестве протонпроводящего твердого электролита 5 используется CaZrO₃ - цирконат кальция или другие оксидные композиции - CaZrO₃, La_0.95Sr_0.05YO₃-x, CaT_i0.95Sc_0.05O₃, обеспечивающие число переноса за счет ионов водорода равное или близкое 1. Состав кислородпроводящего и протонпроводящего твердых электролитов выбран из максимальной ионной проводимости указанных материалов для работы при температуре 700-800°С.

Рабочая камера генератора влажности предварительно нагревается в поле термостата 11 до рабочей температуры в пределах 700-800°С. Снаружи рабочая камера обдувается влажным воздухом. Причем влажность воздуха может быть любой, но для более экономичной и эффективной работы генератора относительная влажность подаваемого воздуха должна быть в пределах 60-80% при комнатной температуре. Во внутреннюю полость рабочей камеры через штуцер крышки 8 подается исходный газ, влагосодержание которого нужно скорректировать. Под действием напряжения, приложенного от внешнего источника постоянного тока ИПТ к внешним электродам 3 и 6 твердоэлектролитных трубок 1 и 5, идет процесс электролиза паров воды, находящейся в во влажном воздухе, омывающем наружную поверхность рабочей камеры, и разложение воды на кислород и водород. При этом кислород откачивается во внутреннюю полость рабочей камеры по электрохимической цепи: внешний электрод 3 - твердо-электролитная трубка 1 - внутренний электрод 2, а водород откачивается внутрь рабочей камеры по цепи: внешний электрод 6 - твердоэлектролитная трубка 5 -внутренний электрод 4. Откачка производится во внутреннюю полость рабочей камеры, где стехиометрические количества перекаченных молекул кислорода и водорода образуют водяной пар, в соответствии с реакцией:

2H₂O=2H₂+O₂=2H₂O.

Образующийся водяной пар корректирует (доводит) влажность исходного газа до заданного значения и через штуцер крышки 10 выходит из рабочей камеры генератора. При необходимости предлагаемый генератор влажного газа может работать в реверсивном режиме, т.е. режиме откачки влаги из подаваемого исходного газа. В этом случае достаточно сменить полярность напряжения, подаваемого на внешние электроды твердых электролитов рабочей камеры.

Таким образом, заявленный генератор обладает возможностью генерировать заданную влажность газа, при этом имеет упрощенную конструкцию, простое аппаратурное оформление процесса, пониженную трудоемкость изготовления и эксплуатации.