Chơng 5
Phân tích khí
5.1. Khái niệm và phơng pháp phân tích
5.1.1. Khái niệm
Trong luyện kim, nhiều quá trình công nghệ đợc tiến hành trong môi trờng
khí mà thành phần của chúng ảnh hởng lớn đến hiệu quả quá trình và chất lợng
sản phẩm. Phân tích khí nhằm xác định thành phần của một hay một số chất trong
hỗn hợp khí tác động lớn tới quá trình, các thành phần khí cần phân tích thờng là
O
2
, CO, SO
2
, CO
2
, H
2
,
5.1.2. Phơng pháp phân tích
Để phân tích khí có thể dùng nhiều phơng pháp khác nhau, có thể phân thành
ba nhóm:
+ Phân tích hóa học.
+ Phân tích điện.
+ Phân tích quang phổ.
Phơng pháp phân tích hóa học có u điểm là cho kết quả chính xác nhng
thời gian phân tích lâu, dụng cụ cồng kềnh và dễ vỡ, thờng chỉ áp dụng trờng hợp
đòi hỏi kết quả phân tích chính xác cao. Phơng pháp phân tích điện, tuy cho kết
quả chính xác thấp nhng thời gian phân tích nhanh đáp ứng kịp thời yêu cầu công
nghệ. Trong chơng này chủ yếu trình bày các phơng pháp ứng dụng nhiều trong
công nghiệp nh phơng pháp phân tích điện và phân tích quang phổ.
5.2. Phơng pháp phân tích điện
Phơng pháp phân tích điện bao gồm: phân tích theo độ dẫn nhiệt, theo độ từ

thẩm, theo khả năng hấp thụ bức xạ ánh sáng của chất khí cần phân tích.
5.2.1. Phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí
Phơng pháp phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí dựa vào sự khác
nhau về độ dẫn nhiệt của các chất khí. Một chất khí ở điều kiện nhất định có một độ
dẫn nhiệt nhất định và độ dẫn nhiệt của hỗn hợp phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của các
cấu tử. Bảng 5.1 cho độ dẫn nhiệt tơng đối của một số chất khí so với không khí.
Phơng pháp này thờng dùng để phân tích khí CO
2
, đôi khi dùng để phân tích
khí SO
2
.

-78-
Bảng 5.1. Độ dẫn nhiệt tơng đối của các chất khí
Chất
khí
Không
khí
O
2
CO
2
SO
2
CO H
2
CH
4
Hơi

nớc
/
kk
1 1,01 0,6 0,34 0,96 7,0 1,27 1,3

Thiết bị phân tích khí theo độ dẫn nhiệt của chất khí có bộ phận cơ bản là một
buồng đo có dạng hình trụ bên trong căng một sợi dây bạch kim (hình 5.1).

1 2

D
d




Hình 5.1 Thiết bị đo khí theo độ dẫn nhiệt
1) Buồng đo 2) Dây bạch kim


Khi cho dòng không khí chuyển động chậm đi qua buồng đo, cấp điện để nung
nóng dây bạch kim sao cho nhiệt độ dây
, khi đó nhiệt độ thành buồng
đo là t
C100t
o
d
=
b
. Khi phân tích, cho dòng khí cần phân tích chuyển động qua buồng đo, do

độ dẫn nhiệt của khí cần phân tích khác không khí nên nhiệt độ dây bạch kim thay
đổi. Căn cứ độ sai lệch của nhiệt độ dây có thể xác định đợc thành phần khí phân
tích.
Độ dẫn nhiệt của khí xác định theo công thức:

t.l.2
d
D
ln.Q

=
(5.1)
Trong đó:
D - đờng kíng buồng đo.
d - đờng kính dây bạch kim.
l - chiều dài dây.

t
- độ chênh lệch giữa nhiệt độ dây và nhiệt độ thành bình:
bd
ttt =
(5.2)
Loại bỏ các đại lợng ổn định ta có quan hệ
)t(f
d
=
.

-79-
Từ (5.1) và (5.2) ta có:


bd
t
l2
d
D
lnQ
t +

=
(5.3)
Khi nhiệt độ dây thay đổi (thờng trong phạm vi 5
o
C) thì điện trở của dây R
d

thay đổi theo, để đo nhiệt độ dây ngời ta dùng cầu cân bằng (hình 5.2). Cầu cân
bằng gồm hai điện trở so sánh R
4
và R
2
, các điện trở R
1
và R
3
là hai buồng đo. Điện
trở R
p
là điện trở điều chỉnh dòng đi qua các biến trở, R
0

là điện trở điều chỉnh điểm
0.

R
0
R
4
R
2
R
3
R
1
R
p

E
G





Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống phân tích khí CO
2

Phơng pháp này thờng dùng phân tích khí CO
2
,


giới hạn đo 0 - 20 % CO
2
.
5.2.2. Phân tích theo sự cháy của cấu tử cần phân tích
Phơng pháp phân tích khí theo sự cháy của cấu tử cần phân tích đợc dùng để
phân tích tổng lợng khí (CO + H
2
).








Sơ đồ nguyên lý của thiết bị trình bày trên hình 5.3. ở đây R
3
là buồng đo có
dây bạch kim đợc nung nóng lên tới nhiệt độ 300 - 400
o
C.
mA
R
0
R
4
R
2
R

3
R
1
R
p
E
G
Hình 5.3 Sơ đồ hệ thống đo hỗn hợp khí CO + H
2

-80-
Nguyên lý hoạt động: Khí cần phân tích đợc dẫn qua buồng đo R
3
, nhờ xúc
tác bạch kim, xẩy ra phản ứng:
CO + H
2
+ O
2
CO
2
+ H
2
O + Q
Nếu hàm lợng (CO + H
2
) thay đổi 1% thì nhiệt độ dây thay đổi 125 - 150
o
C.
Thiết bị phân tích khí loại này cho kết quả chính xác không cao, sai số thờng

> 2,5%.
5.2.3. Phân tích khí theo độ từ thẩm của khí
Phơng pháp phân tích khí theo độ từ thẩm của khí dựa trên tính chất từ của
các loại khí. Chất khí nào có độ từ thẩm lớn sẽ bị nam châm hút, còn chất khí nào có
độ từ thẩm thấp không chịu tác động của từ trờng. Phơng pháp này thờng dùng
để phân tích thành phần oxy trong hỗn hợp.
Bảng 5.2 Độ từ thẩm của chất khí (à) .
Khí O
2
NO K.khí NO
2
C
2
H
2
He H
2
N
2
Cl
2
CO
à
192 60,0 30,8 9 1 -0,0083 -0,164 -0,154 -0,6 0,84

Sơ đồ thiết bị phân tích trình bày trên hình 5.4a.

U
c
0,8V

U
s
R
k
R
R
6
R
7
R
1
R
2
20V

ĐC






2
1
R
6
R
7
34


A

a)
b)

Hình 5.4 Sơ đồ thiết bị phân tích khí theo độ từ thẩm
1) Sơ đồ cấu tạo buồng đo b) Sơ đồ hệ thống đo


Thiết bị đo gồm buồng đo hình tang trống (1) có hai cửa, cửa trên để dẫn khí
vào, cửa dới để dẫn khí ra. Trong buồng đo bố trí màn chắn (2), điện trở R
6
và R
7


-81-
bằng dây bạch kim, nam châm (3) và cực từ giả (4) có hình dáng giống với nam
châm (3) nhằm tạo ra sự đối xứng về truyền nhiệt.
Nguyên lý hoạt động: dòng khí cần phân tích đợc dẫn vào buồng đo bị tấm
chắn (2) tách thành hai dòng. Dòng khí bên trái không chịu tác động của nam châm
đi dọc thành buồng đo tới cửa ra. Dòng khí bên phải chịu lực hút của nam châm (3)
đi qua điện trở R
6
đã đợc nung nóng sau đó tới cửa ra. Do dòng khí lạnh liên tục đi
qua, nhiệt độ điện trở R
6
giảm. Căn cứ vào độ chênh nhiệt độ của điện trở R
6
và R

7

có thể xác định đợc thành phần của khí cần phân tích.
Để đo độ chênh nhiệt độ dây sử dụng hệ thống đo có sơ đồ nh hình 5.4b.
Phần (A) là buồng đo, R là biến trở đo, K là bộ khuếch đại, (ĐC) là động cơ xoay
chiều liên kết động với kim chỉ và con chạy của biến trở đo R. Các điện trở R
6
và R
7

của buồng đo đợc nung nóng từ nguồn điện 20V. Khi cha cho dòng khí đi qua,
nhiệt độ của hai điện trở R
6
và R
7
bằng nhau do đó điện trở của chúng bằng nhau,
điều chỉnh R để cho
. Khi đó
cs
UU = 0UUU
cs
==
, động cơ (ĐC) đứng yên và
kim chỉ chỉ 0. Khi cho dòng khí đi qua, nhiệt độ của điện trở R
6
giảm xuống, U
c
thay
đổi và


Sc
UU 0UUU
cs
=
, chênh áp qua khuếch đại (K) cấp điện cho
động cơ (ĐC), động cơ quay kim chỉ và dịch con chạy của biến trở (R) cho đến khi
.
cs
UU =
Độ chính xác của kết quả phân tích phụ thuộc vào khoảng hàm lợng oxy,
trong khoảng từ 0 - 10% hoặc từ 0 - 21% sai số 0,5%O
2
, còn trong khoảng từ 0 -
100% sai số 1,25%O
2
.
5.2.4. Phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ
Phân tích khí theo khả năng hấp thụ bức xạ dựa trên hiện tợng hấp thụ có
chọn lọc các tia bức xạ của các chất khí, đặc biệt là bức xạ hồng ngoại. Phơng pháp
này chủ yếu dùng phân tích khí CO
2
.
Sơ đồ nguyên lý của thiết bị trình bày trên hình 5.5.
Nguyên lý hoạt động: khi phân tích, dây điện trở (3) đợc nung nóng đến nhiệt
độ 700 - 800
o
C để tạo ra ánh sáng đỏ, đĩa (5) trên đó có các lỗ trống quay với vận
tốc n = 6 vòng/s. Luồng bức xạ gồm các bức xạ mà tất cả các chất khí không cần
phân tích hấp thụ (ký hiệu bằng mũi tên tô đậm) và các bức xạ chỉ bị chất khí phân
tích hấp thụ (ký hiệu bằng mũi tên không tô đậm) qua gơng cầu (4) và các lỗ trống


-82-