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溫度對Nafion氣體干燥器的影響

溫度對Nafion氣體干燥器的影響

最高工作溫度

Nafion離子能承受相對較高的溫度,其熔點超過200℃。該離子材料的制造商杜邦公司,列出的Nafion膜最高工作溫度為190℃。博純用這種材料制作的膜管的最高工作溫度為150℃。這個指定的較低的最高工作溫度是保守的,因為杜邦公司生產的膜是和加固材料粘合在一起,并在液體中使用,而博純的氣體干燥器是在氣體中使用同時沒有被加固。由于材料的軟化性,我們也關注在較高溫度下的壓力,但相信Nafion膜能承受超過這種規范的溫度。

最低工作溫度

Nafion干燥器通過管內表面吸收水分,然后蒸發滲透到外圍干燥的吹掃氣體中(通常是空氣)。水分在氣相狀態被吸收然后釋放,沒有任何狀態的凈變化,因此沒有凈能量消耗。如果管內的水是液態而非氣態,水分仍會被吸收然后以氣態形式釋放,如果從液態變為氣態的變化,需要外在的能源。

如果液態的水進入干燥器,從液態水轉化到氣態水需要從干燥器吸取熱量,這樣導致干燥器冷卻。由于干燥器的冷卻,會產生更多的冷凝水。吸收了這些額外的液態水,干燥器會更迅速地冷卻。不久,干燥器變得又冷又濕,干燥器的功能就像是一個冷凝器而不是滲透膜。此時,干燥器失效,必須從整機中移除然后進行烘干才能重新正常工作。為了避免這種故障,在干燥器工作期間決不允許液態水進入。因此采樣的露點限制了干燥器的最低工作溫度。當氣體采樣通過干燥器,水被移除,采樣的露點在干燥器長度內逐漸下降。最低工作溫度是當時在干燥器內的采樣露點,它是一個溫度梯度,溫度在采樣入口較高而采樣出口較低。

水的吸收率

Nafion膜主要是惰性的氟聚合物。通過碳氟基質擴散的是磺酸基團組成的離子通道(因此稱為離子交聯聚合物)。這些離子通道從管內表面延伸至外表面。磺酸組通過一個可逆的反應迅速和水結合稱為水合。水分子一旦水合到管內表面的磺酸基上,就迅速通過離子通道傳送到管外表面,在管外表面水分子滲透蒸發(假設在外表面的水蒸汽壓力低于內表面)。這種水合過程遵循一階反應動力學,所以反應速度與溫度成正比。提高工作溫度會提高初始除水速度,干燥器也會更快的達到最終的平衡露點。對于Nafion干燥器來說,工作溫度每上升10℃,水的初始吸收率大致增加一倍。

最終平衡采樣 Dew Point

Nafion膜主要功能是一個水的滲透膜,由膜壁兩邊水蒸汽的分壓梯度來驅動水的傳輸。隨著水分從采樣中去除,壓力梯度會減少。如果管足夠長,就能為采樣提供充足的停留時間,采樣就能達到最終的平衡露點。這個最后的平衡露點受限于吹掃氣體的露點或管壁上殘余水分的露點,以較高者為準。

不論是采樣或吹掃氣體中的水分,總是有一部分殘余在管內,牢牢地同Nafion管內的磺酸基結合。當吹掃氣體的露點足夠低時,管壁殘余的水分就決定了可能達到的最終平衡采樣露點。當采樣的含水量大大降低并同管內的殘余水匹配時,管內外就不再有梯度同時干燥也停止。在環境為20℃時,磺酸基上的殘余水對應的采樣露點為-45℃(約75ppm的水)。

在管內殘余的水量和溫度成正比。干燥器采樣出口端的工作溫度每增加1℃,最后能達到的平衡露點上升約1℃。

由于磺酸基周圍有碳氟基質的存在,所以不管是Nafion管內的抑或是離子通道內的磺酸基都很穩定。磺酸很容易捐獻一個質子使它具有酸的功能,因此Nafion也被認為是強酸。?Hammett (酸度)標度以增長的數字范圍劃分酸的強度。Nafion被劃分為11-13,濃硫酸被劃分為11。因此,Nafion可以作為非常有效的強酸性催化劑,它的這種功能也被用于工業生產。

反應度

Nafion干燥器的目的是移除水的同時盡量減少對采樣的其他變化。在Nafion干燥器工作溫度范圍內大多數無機化合物不會受到酸催化,但一些有機化合物暴露于溫度提高的Nafion管時會遇到不需要的化學反應。為此,最好是避免干燥器在超過必要工作溫度時運行。通常運行溫度低于100℃時不會出現問題,而高于120℃的溫度更容易出現問題。只有在必要時才選擇100℃-120℃范圍的運行溫度,除非絕對必要,一般不應在更高的溫度使用。

結論

根據上述資料,博純建議干燥器運行溫度應以高于初始采樣在入口處的露點溫度為準,同時在采樣出口處有一個較低溫度。在實際操作中這就意味著在環境溫度下處理采樣不會冷凝。對于采樣露點高于環境溫度的,應在干燥器采樣入口端安裝伴熱管線加熱采樣使其溫度高于采樣露點10℃以上,這時采樣出口處仍保持環境溫度(吹掃氣體會起到冷卻的作用),如此在干燥管長度內就形成了溫度梯度。博純推出的GASS?系列氣體采樣處理系統就為需要伴熱管線的氣體干燥提供了適當的溫度控制來優化運行狀況。

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