Hidrojen Alev İyonizasyon Algılama Yöntemi (FID)

İçindekiler

• Hidrojen Alev İyonizasyon Tespit Yöntemi (FID) Nedir?
• FID Kullanan Gaz Analizörünün Yapısı ve Çalışma Prensipleri
• Toplam Hidrokarbon (THC) Gaz Analizörünün Yapısı ve Çalışma Prensibi
• Ölçümü etkileyen faktörlerin azaltılması
• Dağılmayan Kızılötesi Absorpsiyon Yöntemi (NDIR) ile Karşılaştırma
• ilgili ürünler

Numune gazındaki hidrokarbonlar (HC) hidrojen alevine akıtıldığında, hidrokarbonlar oksitlenir ve bir iyonlaşma reaksiyonu meydana gelir. (Denklem 1) Üretilen iyonlar karbon sayısı ile orantılı olduğundan, hidrokarbonların gaz konsantrasyonu, bu iyonların elektrostatik olarak toplanması ve bir elektrik akımı olarak algılanmasıyla ölçülür.

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

Denklem 1: Hidrokarbonların hidrojen alevi ile iyonlaşma reaksiyonu

FID kullanan bir gaz analizörü, bir hidrojen alevi üretmek için sürekli olarak yakıt gazı (hidrojen (H₂) veya karışık bir hidrojen ve helyum gazı (He) veya karışık bir hidrojen ve nitrojen gazı (N₂) ve yardımcı gaza (arıtılmış hava) ihtiyaç duyar. Numune gazı, yakıt gazı ile karıştırılır ve jet nozulunun ucunda yüksek sıcaklıkta bir hidrojen alevine (>1500 K) akar ve numune gazındaki hidrokarbon molekülleri oksitlenir ve iyonize edilir. (Denklem 1) Bu iyonlar bir kolektör elektrot tarafından toplanır ve hidrokarbonların gaz konsantrasyonunu ölçmek için bir elektrik akımı olarak algılanır. (Şekil 1)

Şekil 1: FID kullanan bir gaz analizörünün yapısı ve çalışma prensibi.

Numune gazındaki metan (CH₄), metan olmayan hidrokarbonlar (NMHC) ^*1 ve toplam hidrokarbonlar (THC) ^*2 konsantrasyonunu sürekli olarak ölçmek için FID kullanan bir gaz analizörü kullanılır.

*1: NMHC: Metan Olmayan Hidrokarbonların kısaltması ve metan dışındaki hidrokarbonlar için genel terim.
*2: THC: Toplam hidrokarbonların kısaltması

Bir gaz konsantrasyon biriminin ppmC'si genellikle bir FID gaz analizöründe kullanılır. ppmC (karbon eşdeğeri konsantrasyonu), bir karbon başına dönüştürülen gaz konsantrasyonudur ve ppmC, ppm'nin karbon sayısı ile çarpımıdır.

Örneğin, numune gazı hidrokarbon olarak yalnızca propan (C₃H₈) 100 ppm içeriyorsa, FID analizörü 100 x 3 = 300 ppmC ölçer çünkü propan (C₃H₈) üç karbona (C) sahiptir.

HORIBA, ortam havasındaki ve egzoz gazındaki kirleticiler olan metan (CH₄), metan olmayan hidrokarbonlar (NMHC) ve toplam hidrokarbonların (THC) konsantrasyonlarını aynı anda ve sürekli olarak ölçmek için FID kullanan bir gaz analizörü kullanır. Analizörün yapısı ve çalışma prensibi, ortam havasındaki bu hidrokarbon bileşenlerini sürekli olarak ölçen bir analizör örneği alınarak burada açıklanmaktadır.

Bir Gaz Analizörünün Yapısı ve Çalışma Prensipleri

Analizörün genel yapısının bir örneği Şekil 2'de gösterilmiştir. FID'nin hidrojen alevi, numune gazındaki çoğu hidrokarbon türünü iyonize eder. Numune gazındaki gazları, metan, metan olmayan hidrokarbonları ve toplam hidrokarbonu ölçmek için, HORIBA 'ın FID analizörü, seçici bir yanma yöntemi (NMHC kesici) ve bir sıfır gaz temizleyici kullanan metan olmayan bir giderme ünitesi içerir.

Hat değiştirme sırası A, C, B, C vb.

Şekil 2: Toplam hidrokarbon (THC) gaz analizörünün yapısı ve çalışma prensibi

Seçici yanma metan olmayan sökücü (NMHC kesici)

Hidrokarbonlar, moleküllerindeki karbon sayısına bağlı olarak farklı yanma sıcaklıklarına sahiptir. Örneğin propanın yanma sıcaklığı metandan daha düşüktür. Yanma sıcaklığı bu özelliğe göre kontrol edilerek, numune gazdaki metan dışındaki tüm hidrokarbonlar yakılarak hidrokarbonlar için sadece metan içeren bir numune gaz elde edilir. Bu yönteme seçici yakma yöntemi denir. Bu işlemde, örnek gazdaki metanın yanma kaybının kontrol edilmesi önemlidir.

Analizördeki metan olmayan giderici (NMHC kesici) bu yöntemi kullanır.

Analizörün çalışma prensibi (Şekil 2)

Numune gazı doğrudan A hattından dahili bir FID'ye sahip bir hidrokarbon dedektörüne akar ve toplam hidrokarbonlar ölçülür. Daha sonra, solenoid valfler C hattına geçer ve sıfır noktası kaymasını azaltmak için sıfır noktası karşılaştırma gazı olarak hidrokarbon dedektörüne (FID) hidrokarbon içermeyen bir gaz akar (*). Sıfır noktası karşılaştırma gazı, sıfır gazlı bir temizleyici ile ortam havasındaki nemin, hidrokarbonların vb. uzaklaştırılmasıyla üretilir.

Daha sonra solenoid valfler B hattına geçer, bir NMHC kesici ile örnekleme gazından hidrokarbon dedektörüne (FID) akar ve metan ölçülür. Metan ölçümünden sonra, sıfır noktası kaymasını (*) azaltmak için sıfır noktası karşılaştırma gazını hidrokarbon dedektörüne (FID) akıtmak için C hattına geçin.
Böylece seçilen gazlar A, C, B ve C hattı sırasına göre hidrokarbon dedektörüne (FID) akıtılır.

Metan olmayan hidrokarbonlar, toplam hidrokarbon ve metan arasındaki konsantrasyon farkından hesaplanır. (A, B hatları)

Ek olarak, bu gazlar aynı reaksiyon hücresine akar ve solenoid valf anahtarlama fonksiyonu ile aynı dedektör tarafından algılanır. Bu, reaksiyon hücresinin ve dedektörün zaman içinde hassasiyetindeki değişikliklerin vb. bu gazların tespitine eşit olarak yansıtıldığı ve son olarak THC ve CH₄ hassasiyetindeki farkı en aza indirdiği anlamına gelir.

*) Sıfır noktası kayması, bir analizörün sıfır noktasının sıcaklık, yaşlanma veya diğer faktörler nedeniyle kademeli olarak bir yönde kaymasıdır. Sıfır noktasının sapması için karşılaştırma gazının kullanılması, sıfır noktası kaymasının etkisini azaltabilir.

Hidrokarbonların Farklı İyonlaşma Oranlarının Etkisi

FID gaz analizörü, bir hidrojen alevi ile iyonize olarak bilinen bir propan veya metan konsantrasyonu ölçümüne dayalı olarak metan, toplam hidrokarbonlar ve metan olmayan hidrokarbonları ölçer. Örneğin, propanın iyonlaşma hızı diğer hidrokarbonlar için aynıysa, FID numune gazındaki herhangi bir hidrokarbonu doğru bir şekilde ölçebilir, ancak iyonlaşma hızı hidrokarbonlar arasında farklılık gösteriyorsa, ölçüm etkilenecektir. İyonlaşma hızı, hidrokarbonun yapısına (örneğin, ikili veya üçlü bağlar), oksijenin varlığına veya yokluğuna ve diğer faktörlere bağlı olarak değişir.

Bu nedenle, FID analizörünün ölçümü, numune gazında bulunan hidrokarbonların türü ve konsantrasyonundan etkilenir. FID analizörü, hidrokarbonların iyonlaşma oranlarının mümkün olduğunca aynı olmasını sağlamak için mekanizmalar gerektirir.

Oksijenin Hidrokarbon Yanması Üzerindeki Etkisi

Oksijen konsantrasyonuna bağlı olarak, hidrokarbon ölçümü etkilenir. Buna oksijen girişimi denir.
Örneğin, numune gazındaki oksijen, hidrokarbonların iyonlaşmadan önce bazı hidrokarbonların yanmasına neden olur, bu da iyonlaşma miktarını değiştirir ve ölçümü etkiler.

Ölçüm için etki faktörlerini azaltma yöntemleri.

HORIBA, hidrokarbon iyonizasyon oranlarındaki farklılıkların ve oksijen girişiminin etkisini azaltmak için aşağıdaki öğeleri optimize eder.

• FID'ye verilen numune gazı, yakıt gazı ve yardımcı gazın debi ve karışım hızı
• FID malzemesi, yapısı ve jet nozul şekli
• Analizör kalibrasyonu için gaz türü (metan, propan vb.)

Bir FID analizörü esas olarak ortam havasındaki hidrokarbonları ölçmek için kullanılır. FID ve NDIR analizörleri, egzoz gazındaki hidrokarbonları ulusal ve endüstriyel çevre yönetmeliklerine göre ölçer. NDIR, yakıt gazı gibi yardımcı gazlara ihtiyaç duymaz ve FID aynı anda birden fazla gaz bileşenini (THC, NMHC, CH₄) ölçebilir.