[发明专利]高纯氮气发生器

说明书

本发明涉及一种提供高纯氮气的电解装置。属于为气相色谱仪配套使用的又一新的气源发生装置。

目前，为气相色谱仪配套使用的普氮和高纯氮气源都是采用高压氮气钢瓶，至今，尚未发现能够取代钢瓶而提供高纯氮气的装置。现制氮的方法趋于两种方式：一种是采用氨的分解制氮：一种是采用洁净的空气分级逐步净化制氮。采用这两种方法来制氮的设备均为1M³-几百M³/hr的大型制氮设备。

我国从国外引进的气相色谱仪只是随机配备有钯制氢和离子膜制氢的超纯氢发生器和普通氢气发生器的气源装置，迄今还未发现与气相色谱仪配套使用的高纯氮气发生器的气源装置。例如，美国威尔林托·米斯公司和日本岛津公司。

本发明的目的就是为了克服使用钢瓶所带来的不便，以及使用大型设备成本高无法被大多数用户所采用等缺陷，提供一种采用新型电解方法产生微量高纯氮气以供气相色谱仪使用的新型高纯氮气发生器，该发生器具有设备小而轻氮气纯度高、安全可靠和成本低等特点。

本发明是采用电解方法，即根据电化学反应原理，依据法拉第定律来实现的：

当电流通过电介质溶液时，溶解和析出的物质量与通过的电量成正比。因之，在一定的时间内多少氧气溶解、电迁、析出就有多少相应的电量通过电解分离池消耗。其总电流值即为氧的分离总量。电解分离池末电流的多少反映了相应的残氧量的多少。

下面举一例：

根据法拉第定律，当外路向阴极流入1摩尔电子（6.023×10²⁶），记作N₀，且每个电子电量为1.602×10^-19库仑，记作e₀，则此时流入阴极的总量为：N₀e₀＝6.023×10²³×1.602×10^-19＝96500库仑。

阴极还原反应：M²⁺+2e^-＝M

每个M²⁺离子需要消耗两个电子（即2e₀库仑电量）才产生一个M原子的产物。

N₀e₀/2e₀＝N₀/2 即摩尔离子/电子数＝克当量

由电化学反应式可见氧的电化学过程是4电子反应，故氧的电化学当量为1/4M（摩尔）。

每安培发生氧量为：

1/4·22.4×10³/（96500/60）＝3.47≈3.5ml/安分

有多少电流通过电解分离池即有多少氧被分离。空气中氧约占1/5体积（约20%）当发生量为150毫升/分氮气时所需空气量为：

150/（1-1/5）＝187.5≈188毫升/分

分离氧量：188×1/5＝37.6毫升/分

分离氧需要的电流为37.6/3.5＝10.74≈10.8A（安培）

当发生量为200毫升/分氧气时所需空气量为：

200/1-1/5＝250毫升/分

分离氧量：250×1/5＝50毫升/分

分离氧所需要的电流约50/3.5＝14.28≈14.3A（安培）

本发明就是采用上述原理设计出的一种高纯氮气发生器，它主要包括：无油空气泵（3），电流稳流装置（1），电解分离池（6），电解溶液容器（7），以及氮气提纯装置（49）。

具体实现时，无油空气泵（3）低压端提供有空气收集器（2），根据需要还可以无油空气泵（3）和电解分离池（6）之间提供空气净化室（4）和空气调节阀（5）。氮气提纯装置（49）可包括极化室（13）、干燥室（14）、催化室（15）。其中极化室（13）是由极化室体（32）、端盖（33）、石棉布绝缘垫（38，39）、极化管（37）内填充白金丝和接头（35）构成;其中干燥室中填充各种有效的干燥剂;其中催化室（15）包括如不锈钢制成的催化室体（44）、端盖（43）、绝缘垫（47）以及室体中填充高效气体净化剂（45）。在电解分离池（6）的氮气出口和氮气提纯装置（49）之间还可设置气水分离室（8）、气液阀（9）、氮气净化室（10）、输出稳压调节阀（11）和输出流量调节阀（12）。