基本信息
- 项目名称：
- 应用于合成氨生产的氮氢比例超声在线测定仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 工业气相色谱仪分析合成氨氮氢气体时具有自动化程度高、分析精度高等优点，但存在仪器价格昂贵、维护和运行费用高、不能对气体实时连续测量等缺点。本作品所采用的超声扫频法和相位差法具有自动化程度较高，分析相对准确等优点，相对于工业气相色谱仪而言，本超声在线测定仪还具有制作成本低、运行费用低、易于维护和可实时测量等优点。为合成氨生产中氮氢比例测定开辟了新途径，也为精确测量其他二元流体比例提供了新方法。
- 详细介绍：
- 氮氢比是合成氨工业上重要的工艺指标，也是原化工部20项主要工艺指标中的关键指标。合成气体比例的设定对于生产系统的稳定、提高产量、降低能源消耗等起着重要作用。因此，如何恰当地选择最佳氮氢比，对于指导化工生产至关重要。然而，要达到最佳氮氢混合比例值，必须通过监测系统实时反馈氮氢比例信息，控制系统适时调整生产过程中氮氢比例。目前，合成氨工业上用于检测氮氢比的仪器有很多，但普遍存在测量过程复杂、价格昂贵、维护和运行费用高、不能实时连续测量等问题。 为克服上述缺点，特制作了此合成氨氮氢比超声在线测定仪，为实时、连续、精确地测量合成氨生产中氮氢比例开辟了新途径，也为精确测量其他二元流体比例提供了新方法。 基于超声传播规律研制的应用于合成氨生产的氮氢比例超声在线测定仪，可以精确地测定合成氨氮氢比例。相比于其他工业合成氨氮氢比例测定仪器而言，该仪器有其自身的先进性特点。 ① 其主要创新点表现在：监测灵敏度高，采用连续、无损测试方法，测量范围广，仪器成本低等四个方面。 ② 其先进性表现在：运行成本低、易于维护和可实时测量；安全性强，绿色无污染；可进行任意种类、任意体积浓度二元气体比例的高精度测量等三个方面。 ③ 其适用范围为：大型合成氨化工厂；实验室测量混合比例成分的研究；盐酸生产厂家、水泥行业；气体环境监测分析机构，以及其他二元气体比例成分测定场合；水果贮藏间、温室、地窖和仓库的空气状况监测；使用所有类型燃料（油、气体和煤）的燃烧系统的废气排放浓度监测；警报装置；化工厂工艺气体浓度测量；高纯气体品质检验等工农业生产学科领域。 ④ 该仪器投入生产使用后效应为：取代部分工业气相色谱仪的测量工作，在合成氨工业得到应用推广；逐渐占据蒸汽气体测定仪的市场；替代部分红外检测气体分析仪的测量工作等。 结构简单、紧凑，测量精度高，应用于合成氨生产的氮氢比例超声在线测定仪最终可向产业化、规模化发展，从根本上降低合成氨氮氢比例测定成本，使多元体系流体浓度检测更加容易。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- I发明目的：为克服其他合成氨氮氢比例测定仪操作方法繁琐，运行成本高，测量不连续，极易产生环境污染等问题。II基本思路：受超声在两种比例成分的混合气体内传播速度不同的启发，利用设计的电子电路实现对氮氢气体的声速和收发信号相位差的自动化测量，最终通过测得的声速和相位差值来反映氮氢比例成分，达到对合成氨氮氢比例成分的实时、连续、精确测量的目的。III创新点：①监测灵敏度高。基于相位差法的原理，在比例浓度变化较小时便有较大的相位变化，可以实现对气体组分极小变化的精确测量。②采用连续、无损测试方法。通过电路装置使测量时间差变得较小，实现连续测量，气体流入监测装置后可以回收利用，既节省了化工原料又避免了环境污染。③测量范围广。一方面信号处理装置可以取出放置在任何封闭或者流动的气体环境中进行探测，另一方面由于仪器体积小，安全性能好，因此也可以用于高易燃性气体混合物的测量。④仪器成本低。采用廉价的电子器件，较一般气体比例测量仪器其成本低。IV技术关键：信号发生装置产生的正弦信号被分成两路，其中一路经过气体传播被送到dSP芯片，另一路直接送至dsp芯片。dsp芯片通过内置程序将接收到的信号进行比较、反馈、计算，并将结果输出到控制面板的LCD显示屏上，从而实现对氮氢比的在线精确测量。V主要技术指标：该仪器的测量误差相对于工业气相色谱仪而言都在0.09%以下；当单一改变氮气和氢气的进气速度时，观察到本仪器LCD显示屏的反应时间都在2s以内，工业气相色谱仪的人工测量周期在5min左右。
科学性、先进性
- （1）运行成本低、易于维护和可实时测量 工业气相色谱仪测量合成氨氮氢气体多有弊端。本仪器采用简明的模拟数字电路结合技术实现对回路气体的连续自动监测，从根本上解决了工业气相色谱仪存在的仪器价格昂贵，维护和运行费用高，操作过程繁琐，不能连续测量等问题。 （2）安全性强，绿色无污染 本仪器是根据超声在比例成分不同的二元混合气体中传播速度不同的物理性质，实现对气体混合比例的测量，不改变气体本身的性质。另外，利用该仪器测量后的气体可以回收利用，实现了零排放的目的。由此，克服了通用电气公司研制的用于汽轮发电机内测定冷却气体百分组成的二元气体分析仪器改变气体性质的缺陷，也克服了气相色谱仪监测气体时排放污染的弊端。 （3）可进行任意种类、任意体积浓度二元气体比例的高精度测量 该仪器可以进行任意二元气体、任意体积浓度的高精度测量。突破了现行的主流红外气体分析仪只能针对CO、CO2、NO、CH4、SO2等红外敏感气体小范围测量的限制。
获奖情况及鉴定结果
- 1、2011年3月相关论文《基于超声相位差法的乙醇汽油浓度测量仪研制》已投稿于中文核心期刊“大学物理”杂志，正在审稿； 2、2011年中国石油大学第十二届“挑战杯”课外学术竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 洽谈转让
作品可展示的形式
- 实物、磁盘、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.技术特点和优势 测量范围广，精度高；器件廉价，易于维护；环境适应性强，安全性好；无损采样，回收利用，无污染；可重复实时测量。 2.适用范围 大型合成氨化工厂；盐酸生产厂家、水泥行业；气体环境监测分析机构；监测水果贮藏间、温室、地窖和仓库的空气状况；燃料燃烧系统的废气排放浓度测定；警报装置；化工厂工艺气体浓度测量；高纯气体品质检验。 3.市场分析和经济效益预测 ①该仪器的研制会取代部分工业气相色谱仪的测量工作，在合成氨工业得到应用。 ②测量两种气体比例成分的还有通用公司的蒸汽气体测定仪等，但它是以不同气体的热学性质为切入点，测量原理复杂，操作要求高。该产品的产生会逐渐占据蒸汽气体测定仪的市场。 ③现行的二元气体分析仪多采用红外检测方式只能针对几种特定气体进行测量且仪器价格昂贵，不利于维修等，该产品的问世会逐渐占据红外检测仪这类电子产品的市场。 ④由于产品的研制用到的电子器件廉价，制作简单，从而可向产业化、规模化发展，使二元流体测量更加容易。
同类课题研究水平概述
- 精确检测二元混合气体中某种气体的成分是一项重要技术，此技术被广泛应用于化工处理、环保检测和电力工业等领域。目前检测气体浓度的方法较多，如化学分析法、红外线吸收法、电晕放电法、超声检测法、气敏元件法、光谱法、驰豫吸收法等。利用这些方法所制作的二元气体分析仪器也比较多，应用于合成氨领域的主要为工业气相色谱仪和红外线气体分析仪，其国内外应用研究情况如下： （1）工业气相色谱仪在合成氨工业气体分析中应用很广。它是一种主要对混合气体中各组成成分进行分析检测的仪器。由载气带入，通过对预检测混合物中组分有不同保留性能的色谱柱使各组分分离，依次导入检测器，以得到各组分的检测信号。按照导入检测器的先后次序，经过对比，可以区别出是何种组分，根据峰高度或峰面积可以计算出各组分含量。虽然其精度非常高，但是仍存在诸多弊端：首先，由于需要载气处理，人工操作复杂，不能实现连续测量；其次，气体载入时要求的环境条件比较苛刻，要防止杂质气体污染；再次，工业气相色谱仪价格昂贵，动辄上万甚至几十万，维护费用也比较高；此外，工业气相色谱仪进行合成氨氮氢比例测定时有污染气体排放的问题，不利于保护环境和操作人员安全。 （2）红外线气体分析仪工作原理是基于某些气体对红外线的选择性吸收机理：郎伯-比尔定律。比较先进的红外线气体分析仪是采用国际上最新的NDIR技术，如电调制红外光源、滤光传感一体化红外传感器、前置放大电路、镀膜气室、局部恒温控制技术等，实现对不同气体（SO2、NOX、CO2、CO、CH4等）、不同浓度的连续检测。但由于红外线技术的限制，该类仪器测量精度一般较低，只适用于对红外线敏感的气体，且测量环境要求较高，极易出现零点漂移。 （3）其他气体分析方法和仪器虽未应用到合成氨领域，但也存在诸多弊端：化学分析法不宜在线检测；超声时差法检测气体浓度精度较低，其浓度监测误差多在0.5%以上；电晕放电传感器寿命较短，不能长期稳定的工作；热导气体分析仪极易改变气体性质。
