空分装置在线分析仪原理与应用

丛龙洋 朱凯米 王嗣晨

（开封空分集团有限公司设计研究院，河南 开封 475000）

在空分装置中，为确保工艺流程的稳定，并保证产品气体质量，不仅需要对工艺流程中的热力学参数，如温度、压力、流量等进行监测，还需要对工艺流程中的关键点进行成分量的监测。分析仪表的监测数据，对整个工艺变化的反映及时且准确，同时也是对空分设备所出产品气体质量的直接反映。

分析仪在空分装置中的重要作用主要体现在三个方面：一是监测工艺过程参数，为设计人员和操作人员提供准确数据，便于调整生产控制操作、稳定工艺；二是监测产品质量，保证产品气体符合气体标准及客户的要求；三是监测生产安全，比如对冷凝蒸发器液氧中乙炔及碳氢化合物等物质含量的检测，及时反映问题，以便及时采取安全措施［1］。

1 空分装置原料气分析

原料气分析主要包括CO2分析和微量水分析。因为空分装置要求，在吹扫冷箱内管道及裸冷时需要空气中CO2的含量小于1ppm，露点低于-60℃。

CO2分析一般选用进口分析仪，原理为红外法，利用不同气体对红外光束的吸收情况不同测出CO2含量。以西门子的ULTRAMAT 23型分析仪为例，测量原理基于气体分子具有特定的红外光吸收波段，采用单光束交变红外分析方法。一个红外线源被加热到约600°C，光源发出的光电斩波器调制成频率为81/3Hz。红外光束通过流动着样气的测量气室，并根据样气浓度的不同而产生或多或少的衰减。如果在测量气室有红外光被吸收，多层检测气室之间就会产生脉动气流，该气流被微流量传感器转换成电信号。由于该分析仪内部属精密电子设备，进入到分析仪的样气必须干净，不含灰尘，同时还应避免在测量气室中出现凝液。在空分设备上该测点在纯化系统的分子筛后，正常情况下是没有灰尘，水露点低于-60℃的，所以能满足该分析仪对样气的要求。如果不能满足无灰尘无水分的要求，则需要样气预处理系统。

CO2分析仪在实际应用中较常见的问题是在工作一段时间以后分析结果波动很大。曾经在现场遇到过这样的情况，一款进口红外CO2分析，在初始标定后测量准确，但是经过数十小时工作后，检测数值会从0.5ppm左右涨至2ppm左右，并保持上涨的趋势，根据分子筛切换的工艺情况分析，CO2含量不应有这样的波动，所以判断是仪表本身问题。厂家技术人员给出的处理方法是，检查检测池是否松动，紧固检测池并重新标定分析仪。如果处理之后分析仪数值仍发生非正常波动，建议尽快返厂修理。

微量水分析点一般设在膨胀机增压端冷却器后、纯化再生气经蒸汽加热后，国产和进口的水分析仪中利用五氧化二磷传感器比较普遍。具体原理为：五氧化二磷传感器利用电解水分子为氢气与氧气原理。此传感器由一个玻璃材质的圆柱和两根并行的电极组成，根据具体应用来选择电极材质（通常由铂或铑金属丝制成），并在两根电极之间涂有很薄的一层磷酸，在两电极之间出现的电解电流，使酸中的水分分解为氢气与氧气。此过程的最终产物是五氧化二磷，五氧化二磷是高吸湿性物质，因此从样气中吸收水分，通过连续的电解过程，样气的水分含量与电解后的水分应该是平衡的。电极电流与样气中水分含量成比例，信号经过仪器内部信号放大器处理，然后显示并数据读出。水分析仪同样要求取样管线尽量短，同时注意气体应该在探头的最大温度和压力范围内，实际使用中国产进口的都用过，一次投用时故障率不高，该分析仪长时间不用一般需要返厂维修后使用。

2 常量氧分析

在空分装置的分馏塔系统中的几处常量氧气分析：下塔液空分析（38%左右），上塔污氮气分析（1%左右），产品氧气分析（99.6%以上）、贫液空分析等。常量氧分析原理一般为氧气的顺磁性。以西门子的OXYMAT 6为例，原理为：在不均匀磁场中，氧分子由于其顺磁性，会朝磁场增强方向移动。当不同氧气浓度的两种气体在同一磁场相遇时，他们之间就会产生一个压力差。在OXYMAT 6中，这两种气体一种是参比气（N2，O2或者空气），另一种是样气。参比气经过两个参比气通道进入样气室。其中一路参比气在磁场区域和样气相遇。因这两个通道是连通的，所以与氧浓度成正比的压力差使得两路参比气形成气流。微流量传感器感知该气流并将其转变为电信号。

常量氧气分析在使用时要注意量程范围不要太大，以免影响测量精度。以产品氧气分析为例，正常值一般是大于99.6%，如果量程选择0～100%，精度肯定受影响，根据工艺操作情况正常时氧气产品浓度不会小于98%，所以量程一般选择98%～100%，这样能缩小量程范围提高测量的准确性。

3 微量氧分析

产品氮气的分析要用到微量氧分析仪，一般含氧量在10ppm以下。微量氧测量原理主要为电化学测量。以Teledyne公司的Model 3000TA为例，微燃料电池的有效元件是一阴极、一阳极和浸泡它们的15%液体KOH电解液。电池将化学反应的能量转换为外部电子电路的一个电流。样气通过Teflon膜扩散渗入。样气中的任何氧因发生在阴极表面的下列半反应而消耗：

（4个电子与1个氧分子结合，在电解液中水存在的情况下，生成4个氢氧根离子。）

当氧在阴极消耗的同时，铅在阳极不断地被下列半反应氧化：

（被氧化时，每个铅原子失去2个电子。因此需要进行2个上述半反应才可以与1个阴极的半反应保持电子转移的平衡，输出4个电子。）

当提供了一个外部电路时，从阳极表面释放的电子就会流向阴极表面。电流与到达阴极的氧的数量成比例。该电流被用来测量混合气体中的氧浓度。

如果总压力增加，氧通过镀膜扩散到阴极的速率会增加。即使样气中的氧浓度没有变化。电子转移、外部电流也会增加。因此，在两次标定之间保持燃料电池的样品压力稳定十分重要。另外微燃料电池属于易耗品，根据平常样气中氧气的含量决定它的寿命，当出现仪器零点调不到较低的ppm数值，通入量程气偏差较大时需要更换微燃料电池。

4 碳氢化合物分析

冷凝蒸发器中液氧中碳氢化合物分析是空分设备防爆工作中非常重要的基础工作，目前几乎所有的大中型空分装置均设置了这项分析。

液氧中CnHm的分析通常采用具备氢焰检测器的气相色谱仪来完成，可以通过一次取样完成C1～C4共十余种有机化合物组分含量的测量。具体原理是，氢焰检测器以氢气和空气混合燃料形成的火焰为能源，将载气中样品气的有机物带入火焰中，发生离子化反应并生成离子对。当在火焰的上部和下部电极对上施加一定电压时，会产生一定数量的离子流，离子流的大小与样品气中的有机物含量成正比，所以可以由对离子流大小的测量判断样品气中的有机物含量。

以上主要介绍了二氧化碳分析、微量水分析、常量氧分析、微量氧分析及碳氢化合物分析等，如果空分设备还有氩系统，会用到氩含量分析与微量氮分析，只有用合适的分析仪正确分析样气的含量，才能有助于工艺设备的调试。

［1］贺军，卢涛.空分分析仪表应用现状及主要问题［J］.分析仪器，2011（06）：18-19.