空分裝置在線分析儀原理與應用

叢龍洋 朱凱米 王嗣晨

（開封空分集團有限公司設計研究院，河南 開封 475000）

在空分裝置中，為確保工藝流程的穩定，并保證產品氣體質量，不僅需要對工藝流程中的熱力學參數，如溫度、壓力、流量等進行監測，還需要對工藝流程中的關鍵點進行成分量的監測。分析儀表的監測數據，對整個工藝變化的反映及時且準確，同時也是對空分設備所出產品氣體質量的直接反映。

分析儀在空分裝置中的重要作用主要體現在三個方面：一是監測工藝過程參數，為設計人員和操作人員提供準確數據，便于調整生產控制操作、穩定工藝；二是監測產品質量，保證產品氣體符合氣體標準及客戶的要求；三是監測生產安全，比如對冷凝蒸發器液氧中乙炔及碳氫化合物等物質含量的檢測，及時反映問題，以便及時采取安全措施［1］。

1 空分裝置原料氣分析

原料氣分析主要包括CO2分析和微量水分析。因為空分裝置要求，在吹掃冷箱內管道及裸冷時需要空氣中CO2的含量小于1ppm，露點低于-60℃。

CO2分析一般選用進口分析儀，原理為紅外法，利用不同氣體對紅外光束的吸收情況不同測出CO2含量。以西門子的ULTRAMAT 23型分析儀為例，測量原理基于氣體分子具有特定的紅外光吸收波段，采用單光束交變紅外分析方法。一個紅外線源被加熱到約600°C，光源發出的光電斬波器調制成頻率為81/3Hz。紅外光束通過流動著樣氣的測量氣室，并根據樣氣濃度的不同而產生或多或少的衰減。如果在測量氣室有紅外光被吸收，多層檢測氣室之間就會產生脈動氣流，該氣流被微流量傳感器轉換成電信號。由于該分析儀內部屬精密電子設備，進入到分析儀的樣氣必須干凈，不含灰塵，同時還應避免在測量氣室中出現凝液。在空分設備上該測點在純化系統的分子篩后，正常情況下是沒有灰塵，水露點低于-60℃的，所以能滿足該分析儀對樣氣的要求。如果不能滿足無灰塵無水分的要求，則需要樣氣預處理系統。

CO2分析儀在實際應用中較常見的問題是在工作一段時間以后分析結果波動很大。曾經在現場遇到過這樣的情況，一款進口紅外CO2分析，在初始標定后測量準確，但是經過數十小時工作后，檢測數值會從0.5ppm左右漲至2ppm左右，并保持上漲的趨勢，根據分子篩切換的工藝情況分析，CO2含量不應有這樣的波動，所以判斷是儀表本身問題。廠家技術人員給出的處理方法是，檢查檢測池是否松動，緊固檢測池并重新標定分析儀。如果處理之后分析儀數值仍發生非正常波動，建議盡快返廠修理。

微量水分析點一般設在膨脹機增壓端冷卻器后、純化再生氣經蒸汽加熱后，國產和進口的水分析儀中利用五氧化二磷傳感器比較普遍。具體原理為：五氧化二磷傳感器利用電解水分子為氫氣與氧氣原理。此傳感器由一個玻璃材質的圓柱和兩根并行的電極組成，根據具體應用來選擇電極材質（通常由鉑或銠金屬絲制成），并在兩根電極之間涂有很薄的一層磷酸，在兩電極之間出現的電解電流，使酸中的水分分解為氫氣與氧氣。此過程的最終產物是五氧化二磷，五氧化二磷是高吸濕性物質，因此從樣氣中吸收水分，通過連續的電解過程，樣氣的水分含量與電解后的水分應該是平衡的。電極電流與樣氣中水分含量成比例，信號經過儀器內部信號放大器處理，然后顯示并數據讀出。水分析儀同樣要求取樣管線盡量短，同時注意氣體應該在探頭的最大溫度和壓力范圍內，實際使用中國產進口的都用過，一次投用時故障率不高，該分析儀長時間不用一般需要返廠維修后使用。

2 常量氧分析

在空分裝置的分餾塔系統中的幾處常量氧氣分析：下塔液空分析（38%左右），上塔污氮氣分析（1%左右），產品氧氣分析（99.6%以上）、貧液空分析等。常量氧分析原理一般為氧氣的順磁性。以西門子的OXYMAT 6為例，原理為：在不均勻磁場中，氧分子由于其順磁性，會朝磁場增強方向移動。當不同氧氣濃度的兩種氣體在同一磁場相遇時，他們之間就會產生一個壓力差。在OXYMAT 6中，這兩種氣體一種是參比氣（N2，O2或者空氣），另一種是樣氣。參比氣經過兩個參比氣通道進入樣氣室。其中一路參比氣在磁場區域和樣氣相遇。因這兩個通道是連通的，所以與氧濃度成正比的壓力差使得兩路參比氣形成氣流。微流量傳感器感知該氣流并將其轉變為電信號。

常量氧氣分析在使用時要注意量程范圍不要太大，以免影響測量精度。以產品氧氣分析為例，正常值一般是大于99.6%，如果量程選擇0～100%，精度肯定受影響，根據工藝操作情況正常時氧氣產品濃度不會小于98%，所以量程一般選擇98%～100%，這樣能縮小量程范圍提高測量的準確性。

3 微量氧分析

產品氮氣的分析要用到微量氧分析儀，一般含氧量在10ppm以下。微量氧測量原理主要為電化學測量。以Teledyne公司的Model 3000TA為例，微燃料電池的有效元件是一陰極、一陽極和浸泡它們的15%液體KOH電解液。電池將化學反應的能量轉換為外部電子電路的一個電流。樣氣通過Teflon膜擴散滲入。樣氣中的任何氧因發生在陰極表面的下列半反應而消耗：

（4個電子與1個氧分子結合，在電解液中水存在的情況下，生成4個氫氧根離子。）

當氧在陰極消耗的同時，鉛在陽極不斷地被下列半反應氧化：

（被氧化時，每個鉛原子失去2個電子。因此需要進行2個上述半反應才可以與1個陰極的半反應保持電子轉移的平衡，輸出4個電子。）

當提供了一個外部電路時，從陽極表面釋放的電子就會流向陰極表面。電流與到達陰極的氧的數量成比例。該電流被用來測量混合氣體中的氧濃度。

如果總壓力增加，氧通過鍍膜擴散到陰極的速率會增加。即使樣氣中的氧濃度沒有變化。電子轉移、外部電流也會增加。因此，在兩次標定之間保持燃料電池的樣品壓力穩定十分重要。另外微燃料電池屬于易耗品，根據平常樣氣中氧氣的含量決定它的壽命，當出現儀器零點調不到較低的ppm數值，通入量程氣偏差較大時需要更換微燃料電池。

4 碳氫化合物分析

冷凝蒸發器中液氧中碳氫化合物分析是空分設備防爆工作中非常重要的基礎工作，目前幾乎所有的大中型空分裝置均設置了這項分析。

液氧中CnHm的分析通常采用具備氫焰檢測器的氣相色譜儀來完成，可以通過一次取樣完成C1～C4共十余種有機化合物組分含量的測量。具體原理是，氫焰檢測器以氫氣和空氣混合燃料形成的火焰為能源，將載氣中樣品氣的有機物帶入火焰中，發生離子化反應并生成離子對。當在火焰的上部和下部電極對上施加一定電壓時，會產生一定數量的離子流，離子流的大小與樣品氣中的有機物含量成正比，所以可以由對離子流大小的測量判斷樣品氣中的有機物含量。

以上主要介紹了二氧化碳分析、微量水分析、常量氧分析、微量氧分析及碳氫化合物分析等，如果空分設備還有氬系統，會用到氬含量分析與微量氮分析，只有用合適的分析儀正確分析樣氣的含量，才能有助于工藝設備的調試。

［1］賀軍，盧濤.空分分析儀表應用現狀及主要問題［J］.分析儀器，2011（06）：18-19.