Концентрацию воды (или влажность) требуется постоянно контролировать для безопасной и непрерывной транспортировки природного газа. Конденсация паров воды может происходить, если недооценена влажность газа. В комбинации с кислыми коррозионными газами, такими как диоксид углерода CO₂ или сероводород H₂S вода усиливает коррозионный потенциал системы. Другая опасность неточного определения влажности газа – образование гидратных пробок. Гидратные пробки могут перекрывать трубопроводы и реакторы, приводя к существенным потерям.

Влажность, наряду с температурой и давлением, является наиболее часто измеряемой величиной в газоперерабатывающей промышленности. В то время как измерение давления и температуры достигло на сегодняшний день высочайшей точности, измерение содержания влаги до сих пор исследуется и представляет собой комплексную проблему.

В общем случае, гигрометрия является, разделом практической физики, в котором множество применяемых для измерения методик свидетельствует о сложности проблемы и невозможности выделения одного метода, как наиболее точного и универсального. Поэтому выбор гигрометра, подходящего под решение конкретной задачи, является ключевым моментом в получении максимальной точности измерения влажности.

Выражение влажности

Существует множество методов выражения влажности, среди них:

1. Величина парциального давления пара - вклад давления паров воды в общее давление паров смеси;

2. Значение абсолютной влажности (или концентрация) – масса воды в единице объема газообразной среды. Влияние температуры и давления подчиняется газовым законам вплоть до состоянию близкого к насыщению;

3. Значение относительной влажности – соотношение давления пара воды к давлению насыщенных паров воды при заданной температуре. Обычно выражается в процентах. Ввиду того, что давление насыщенных паров зависит от температуры, относительная влажность тоже зависит от температуры;

4. Температура точки росы – температура до которой требуется охладить газ при постоянном давлении чтобы достигнуть давления его насыщенного пара. Понятие точка инея используют если при конденсации образуется лёд. Температура точки росы (инея) зависит от давления;

5. Мольная доля воды – соотношение количества вещества воды к общему количеству вещества.

Гигрометр. Типы гигрометров.

Существует множество методов измерения влажности, реализованных в различных приборах – гигрометрах. Требования, которым должен соответствовать гигрометр, чтобы быть наиболее универсальным: (1) высокая чувствительность в широком диапазоне влажности и температуры; (2) быстрый отклик; (3) хорошая воспроизводимость результатов измерений и отсутствие гистерезиса; (4) надежность и долговечность; (5) устойчивость ко всем компонентам измеряемой среды, отсутствие влияния примесей на показания; (6) низкая цена.

Краткое описание наиболее распространенных методов и их ограничений описаны ниже.

Механический метод основывается на измерении механического параметра, например, изменение длины человеческого волоса, шелковой нити в зависимости от влажности окружающего газа. Используется для измерения относительной влажности с невысокой точностью, например, влажности атмосферного воздуха.

Психрометрический метод основан на определении разницы температур сухого и влажного термометров. При этом с влажного термометра постоянно испаряется вода. Испарение воды вызывает охлаждение термометра, а скорость (величина) испарения характеризует сухость окружающего воздуха.

Измерение температуры точки росы является методом, при котором на медленно охлаждаемой поверхности конденсируется влага из протекающей газовой среды. Поверхность обычно представляет собой зеркало из золота, платины, родия, платины или специально полированного никеля прикрепленное к термоэлектрическому охлаждающему элементу и помещенное в камеру с позиционированным источником света и приемником. Конденсирующиеся или коррозионные газы (NH₃, SO₂, SO₃, HCl, Cl₂), углеводороды оказывают влияние на показания прибора, и как следствие, вносят существенную погрешность.

Рабочим элементом электролитического датчика является ячейка, которая представляет собой оксид фосфора (V) помещенный между двумя инертными электродами, к которым приложен постоянный ток. Когда вода абсорбируется, сухой оксид увлажняется и становится проводящим, что приводит к гидролизу полученного раствора за счет постоянного тока на электродах. На электродах выделяются соответственно кислород и водород, а оксид фосфора восстанавливается до сухого состояния. Ток электролиза пропорционален концентрации воды. Электролитический датчик не предназначен для работы с коррозионными средами, такими как HCl, Cl₂, NH₃, R-NH₂. Ненасыщенные углеводороды полимеризуются на оксиде фосфора образуя пленки, блокирующие работу сенсора. Так же, недопустимо содержание метанола в анализируемом газе.

Алюмооксидный гигрометр состоит из отрезка проволоки из высокочистого алюминия, поверхность которого окисленного таким образом, чтобы образовать пористый изолирующий слой частично гидратированного оксида алюминия. На изолирующий пористый слой наносится водопроницаемая пленка золота, представляющая собой второй электрод конденсатора, где изолирующий слой выступает в роли диэлектрика. При прохождении влажного газа через такой сенсор, влага адсорбируется в пористом оксиде алюминия строго пропорционально влажности газа. Влажность измеряется пропорционально уменьшению емкости из-за адсорбции воды. Такие сенсоры не рассчитаны на присутствие коррозионных газов, таких как NH₃ и SO₂, и подвержены влиянию метанола.

Датчик на основе кварцевых микровесов определяет влажность по изменению резонансной частоты колебания кварцевого кристалла, с нанесенным на него гигроскопичным слоем. Через ячейку с кристаллом поочередно пропускают абсолютно сухой газ и измеряемый влажный газ в атмосфере которого за счет абсорбции меняется масса кристалла и соответственно частота его колебаний. Так же, как и в большинстве описанных методов, содержание метанола в анализируемом газе мешает определению целевого компонента – воды.

Датчик на основе карбида кальция представляет собой систему из емкости с карбидом, через которую подается влажный газ и детектора. При контакте влажного газа с карбидом выделяется ацетилен, количество которого затем определяется детектором (например, промышленным газовым хроматографом). Достоинства этого метода:

• отсутствие влияния компонентов газа на реакцию. Метанол не реагирует с карбидом и не влияет на показания гигрометра;
• определяемый ацетилен не содержится в природном газе;
• дешевизна, так как не требуется отдельный прибор, а карбидная ячейка может быть встроена в систему подготовки пробы газового хроматографа.

• Вперёд >