วิธีการตรวจจับการแตกตัวของเปลวไฟไฮโดรเจน (FID)

สารบัญ

• Hydrogen Flame Ionization Detection Method (FID) คืออะไร ?
• โครงสร้างและหลักการทำงานของเครื่องวิเคราะห์ก๊าซโดยใช้ FID
• โครงสร้างและหลักการทำงานของเครื่องวิเคราะห์ก๊าซไฮโดรคาร์บอนทั้งหมด (THC)
• การลดปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการวัดผล
• การเปรียบเทียบกับวิธีการดูดกลืนอินฟราเรดแบบไม่กระจาย (NDIR)
• สินค้าที่เกี่ยวข้อง

เมื่อไฮโดรคาร์บอน (HC) ในก๊าซตัวอย่างไหลเข้าไปในเปลวไฟไฮโดรเจน ไฮโดรคาร์บอนจะถูกออกซิไดซ์ และเกิดปฏิกิริยาไอออไนเซชัน (สมการ 1) เนื่องจากไอออนที่เกิดขึ้นจะแปรผันตามจำนวนคาร์บอน ความเข้มข้นของไฮโดรคาร์บอนในก๊าซจึงถูกวัดโดยการรวบรวมไอออนเหล่านี้ด้วยไฟฟ้าสถิตและตรวจจับไอออนเหล่านี้ในรูปแบบกระแสไฟฟ้า

\[CH \xrightarrow[(O)]{\text{Oxidation}} CHO^+ + e^-\]

สมการที่ 1: ปฏิกิริยาไอออไนเซชันของไฮโดรคาร์บอนโดยเปลวไฟไฮโดรเจน

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซโดยใช้ FID โดยการ supplies fuel gas (hydrogen (H₂) or a mixed gas of hydrogen and helium (He) or a mixed gas of hydrogen and nitrogen (N₂) and auxiliary gas (purified air) อย่างต่อเนื่องเพื่อผลิตเปลวไฟไฮโดรเจน ก๊าซตัวอย่างจะถูกผสมกับ fuel gas และไหลเข้าไปใน เปลวไฟไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูง (>1500 K) ที่ตรง jet nozzle และโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่อยู่ในก๊าซตัวอย่าง จะถูกออกซิไดซ์ และไอออไนซ์ ตามสมการที่ 1 (Equation 1) ไอออนกลุ่มนี้จะถูกเก็บด้วยอิเล็คโทรดที่เก็บและตรวจวัดด้วยกระแสไฟฟ้า เพื่อหาความเข้มข้นของไฮโดรคาร์บอนในก๊าซ ตามรูปที่ 1 (Figure 1)

รูปที่ 1: โครงสร้างและหลักการทำงานของเครื่องวิเคราะห์ก๊าซโดยใช้ FID

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซที่ใช้ FID ใช้เพื่อวัดความเข้มข้นของก๊าซมีเทน (CH ₄) ไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ใช่มีเทน (NMHC) ^*1 และไฮโดรคาร์บอนรวม (THC) ^*2 อย่างต่อเนื่องใน ตัวอย่างก๊าซ

*1: NMHC: คำย่อของไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ใช่มีเทน และคำทั่วไปสำหรับไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ นอกเหนือจากมีเทน
*2: THC: คำย่อของไฮโดรคาร์บอนทั้งหมด

โดยทั่วไปแล้ว ppmC ของหน่วยความเข้มข้นของก๊าซจะใช้ในเครื่องวิเคราะห์ก๊าซ FID ppmC (ความเข้มข้นเทียบเท่าคาร์บอน) คือความเข้มข้นของก๊าซที่แปลงต่อคาร์บอนหนึ่งตัว และ ppmC คือ ppm คูณด้วยจำนวนคาร์บอน

ตัวอย่างเช่น หากก๊าซตัวอย่างมีโพรเพน (C ₃ H ₈) เพียง 100 ppm เป็นไฮโดรคาร์บอน เครื่องวิเคราะห์ FID จะวัด 100 x 3 = 300 ppmC เนื่องจากโพรเพน (C ₃ H ₈) มี สามคาร์บอน (C)

HORIBA ใช้เครื่องวิเคราะห์ก๊าซโดยใช้ FID เพื่อวัดความเข้มข้นของก๊าซมีเทนพร้อมกันและต่อเนื่อง (CH ₄) ไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ใช่มีเทน (NMHC) และไฮโดรคาร์บอนรวม (THC) ซึ่งเป็นสารมลพิษในอากาศแวดล้อมและก๊าซไอเสีย โครงสร้างและหลักการทํางานของเครื่องวิเคราะห์ได้อธิบายไว้ที่นี่ โดยยกตัวอย่างของเครื่องวิเคราะห์ที่วัดส่วนประกอบไฮโดรคาร์บอนเหล่านี้ในอากาศแวดล้อมอย่างต่อเนื่อง

โครงสร้างและหลักการทำงานของเครื่องวิเคราะห์ก๊าซ

ตัวอย่างโครงสร้างโดยรวมของเครื่องวิเคราะห์แสดงไว้ในรูปที่ 2 เปลวไฟไฮโดรเจนของ FID จะทำให้ไฮโดรคาร์บอนในก๊าซตัวอย่างแตกตัวเป็นไอออนได้เกือบทุกชนิด เพื่อวัดก๊าซ มีเทน ไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ใช่มีเทน และไฮโดรคาร์บอนทั้งหมดในก๊าซตัวอย่าง เครื่องวิเคราะห์ FID ของ HORIBA ประกอบด้วยหน่วยกำจัดที่ไม่ใช่มีเทนโดยใช้วิธีการเผาไหม้แบบเลือก (เครื่องตัด NMHC) และเครื่องฟอกก๊าซเป็นศูนย์

ลำดับการสลับสายคือ A, C, B, C เป็นต้น

รูปที่ 2: โครงสร้างและหลักการทำงานของเครื่องวิเคราะห์ก๊าซไฮโดรคาร์บอนทั้งหมด (THC)

เครื่องกำจัดก๊าซมีเทนแบบเผาไหม้เฉพาะจุด (NMHC cutter)

ไฮโดรคาร์บอนมีอุณหภูมิการเผาไหม้ที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับจำนวนคาร์บอนในโมเลกุล ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิการเผาไหม้ของโพรเพนต่ำกว่ามีเทน การควบคุมอุณหภูมิการเผาไหม้ตามลักษณะนี้ ไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ใช่มีเทนทั้งหมดในก๊าซตัวอย่างจะถูกเผาไหม้เพื่อสร้างก๊าซตัวอย่างที่มีมีเทนเพียงชนิดเดียวสำหรับไฮโดรคาร์บอน วิธีนี้เรียกว่าวิธีการเผาไหม้แบบเลือก ในกระบวนการนี้ สิ่งสำคัญคือต้องควบคุมการสูญเสียมีเทนจากการเผาไหม้ในก๊าซตัวอย่าง

ตัวกำจัดสารที่ไม่มีเทน (NMHC cutter) ในเครื่องวิเคราะห์ใช้กระบวนการนี้

หลักการทำงานของเครื่องวิเคราะห์ (รูปที่ 2)

ก๊าซตัวอย่างจะไหลผ่านท่อ A โดยตรงเข้าไปในเครื่องตรวจจับไฮโดรคาร์บอนที่มี FID ในตัว และวัดไฮโดรคาร์บอนทั้งหมด จากนั้นวาล์วโซลินอยด์จะสลับไปที่ท่อ C และก๊าซที่ปราศจากไฮโดรคาร์บอนจะไหลเข้าไปในเครื่องตรวจจับไฮโดรคาร์บอน (FID) ในรูปของก๊าซเปรียบเทียบจุดศูนย์เพื่อลดการเบี่ยงเบนจากจุดศูนย์ (*) ก๊าซเปรียบเทียบจุดศูนย์ผลิตขึ้นโดยการกำจัดความชื้น ไฮโดรคาร์บอน ฯลฯ ออกจากอากาศโดยรอบด้วยเครื่องฟอกก๊าซศูนย์

จากนั้นโซลินอยด์วาล์วจะสลับไปที่ท่อ B ก๊าซมีเทนเพียงอย่างเดียวจะถูกสร้างขึ้นจากก๊าซที่สุ่มตัวอย่างโดยเครื่องตัด NMHC ที่ไหลเข้าสู่เครื่องตรวจจับไฮโดรคาร์บอน (FID) และวัดมีเทน หลังจากวัดมีเทนแล้ว ให้สลับไปที่ท่อ C เพื่อไหลก๊าซเปรียบเทียบจุดศูนย์เข้าสู่เครื่องตรวจจับไฮโดรคาร์บอน (FID) เพื่อลดการเคลื่อนที่ของจุดศูนย์ (*)
จากนั้นก๊าซที่เลือกจะไหลเข้าไปในเครื่องตรวจจับไฮโดรคาร์บอน (FID) ตามลำดับของเส้น A, C, B และ C

ไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ใช่มีเทนจะคำนวณจากความแตกต่างของความเข้มข้นระหว่างไฮโดรคาร์บอนทั้งหมดและมีเทน (เส้น A, B)

นอกจากนี้ ก๊าซเหล่านี้ยังไหลเข้าสู่เซลล์ปฏิกิริยาเดียวกันและตรวจจับโดยเครื่องตรวจจับเดียวกันโดยฟังก์ชันการสลับโซลินอยด์วาล์ว ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงความไวของเซลล์ปฏิกิริยาและเครื่องตรวจจับเมื่อเวลาผ่านไป เป็นต้น สะท้อนให้เห็นอย่างเท่าเทียมกันในการตรวจจับก๊าซเหล่านี้ ซึ่งในที่สุดก็ลดความแตกต่างของความไวของ THC และ CH ₄ ให้เหลือน้อยที่สุด

*) การเปลี่ยนแปลงจุดศูนย์คือการเลื่อนจุดศูนย์ของเครื่องวิเคราะห์ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งโดยค่อยเป็นค่อยไปเนื่องจากอุณหภูมิ อายุ หรือปัจจัยอื่นๆ การใช้ก๊าซเปรียบเทียบเพื่อเบี่ยงเบนจุดศูนย์สามารถลดอิทธิพลของการเปลี่ยนแปลงจุดศูนย์ได้

อิทธิพลของอัตราการแตกตัวของไฮโดรคาร์บอนที่แตกต่างกัน

เครื่องวิเคราะห์ก๊าซ FID วัดมีเทน ไฮโดรคาร์บอนทั้งหมด และไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ใช่มีเทนโดยอาศัยการวัดความเข้มข้นของโพรเพนหรือมีเทนที่ทราบโดยเปลวไฟไฮโดรเจน ตัวอย่างเช่น หากอัตราการแตกตัวของโพรเพนเท่ากันสำหรับไฮโดรคาร์บอนอื่นๆ FID จะสามารถวัดไฮโดรคาร์บอนใดๆ ในก๊าซตัวอย่างได้อย่างแม่นยำ แต่หากอัตราการแตกตัวแตกต่างกันระหว่างไฮโดรคาร์บอน การวัดจะได้รับผลกระทบ อัตราการแตกตัวจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับโครงสร้างของไฮโดรคาร์บอน (เช่น พันธะคู่หรือพันธะสาม) การมีหรือไม่มีออกซิเจน และปัจจัยอื่นๆ

ดังนั้น การวัดค่าเครื่องวิเคราะห์ FID จะขึ้นอยู่กับชนิดและความเข้มข้นของไฮโดรคาร์บอนที่มีอยู่ในก๊าซตัวอย่าง เครื่องวิเคราะห์ FID ต้องมีกลไกเพื่อให้แน่ใจว่าอัตราการแตกตัวของไฮโดรคาร์บอนเท่ากันมากที่สุด

อิทธิพลของออกซิเจนต่อการเผาไหม้ไฮโดรคาร์บอน

การวัดไฮโดรคาร์บอนจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของออกซิเจน ซึ่งเรียกว่าการรบกวนของออกซิเจน
ตัวอย่างเช่น ออกซิเจนในก๊าซตัวอย่างทำให้ไฮโดรคาร์บอนบางส่วนเผาไหม้ก่อนการแตกตัวของไฮโดรคาร์บอน ซึ่งทำให้ปริมาณการแตกตัวเปลี่ยนไปและส่งผลต่อการวัด

วิธีการลดปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการวัด

HORIBA เพิ่มประสิทธิภาพรายการต่อไปนี้เพื่อลดอิทธิพลของความแตกต่างในอัตราการแตกตัวของไฮโดรคาร์บอนและการรบกวนของออกซิเจน

• อัตราการไหล และอัตราการผสมของก๊าซตัวอย่าง ก๊าซเชื้อเพลิง และก๊าซเสริมที่จ่ายให้กับ FID
• วัสดุ FID โครงสร้าง และรูปทรงหัวฉีดเจ็ท
• ชนิดก๊าซที่จะนำมาสอบเทียบเครื่องวิเคราะห์ (มีเทน, โพรเพน, ฯลฯ)

เครื่องวิเคราะห์ FID ส่วนใหญ่จะใช้ในการวัดไฮโดรคาร์บอนในอากาศแวดล้อม เครื่องวิเคราะห์ FID และ NDIR วัดไฮโดรคาร์บอนในก๊าซไอเสียตามระเบียบข้อบังคับด้านสิ่งแวดล้อมระดับชาติและอุตสาหกรรม NDIR ไม่ต้องการก๊าซสาธารณูปโภค เช่น ก๊าซเชื้อเพลิง และ FID สามารถวัดส่วนประกอบก๊าซหลายส่วน (THC, NMHC, CH ₄) ได้พร้อมกัน