光纤式微量水分析仪的应用

2017-11-01李菲童方君

石油化工自动化 2017年5期

关键词：微量分析仪仪表

李菲，童方君

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

光纤式微量水分析仪的应用

李菲，童方君

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

微量水分在线测量广泛存在于石油化工行业，用于优化生产工艺和监控安全。通过与传统微量水分析仪的对比，介绍了光纤式微量水分析仪的测量原理及优势。结合烯烃精制工况，对比传统单通道、采样预处理的系统配置和多通道、可抽取安装的光纤法系统配置，验证了光纤法在工程应用中的优势，并详细阐述了实际工程应用中的注意事项。

微量水分析仪光纤式多通道可抽取组件

微量水分析仪是一种重要的工业在线分析仪表，用于检测水分含量，广泛应用于化工生产装置中。微量水分的准确测量对防止设备被腐蚀、安全监控以及产品质量把控等具有重要意义。

1 微量水分析仪的分类

微量水分析仪种类较多、原理各异，目前传统的微量水分析仪分为4种类型：电解法、电容法、冷镜式和激光光谱式。

1.1电解法

电解法的原理：被测气体流经电解池时，微量的水分会被电极上的五氧化二磷吸收，并被电解为氢气和氧气排出，而五氧化二磷得以再生。当吸收和电解达到平衡后，进入电解池的水分全部被五氧化二磷吸收并电解，通过法拉第定律可推导出水的电解电流与含水量的关系。该方法适用于非常微量的水的工况，但受测量原理影响，仅用于气体测量，吸收和电解平衡时间长、响应慢、稳定性也较差，很大程度上受制于环境因素[1-2]。

1.2电容法

传感器部分相当于电容器，传感器表面是半透膜，其孔径小于大多数有机物分子，只允许比有机物小得多的分子渗入。水分子通过氧化铝薄膜上的金层渗入薄膜氧化铝孔，其水分被氧化铝孔吸收，孔壁的导电率取决于吸附在孔壁上的水分子数量。孔壁阻抗决定了电阻值，而电阻值对应于不同的水气压力，通过电阻值可以计算得到微量水的含量。该类仪表不适用于含腐蚀性气体、粉尘或杂质较多的工况，并且对温度敏感，应用条件有一定的局限性[1，3]。

1.3冷镜法

让样气流经露点冷镜室的冷凝镜，通过等压制冷，使得样气达到饱和结露状态，此时冷凝镜上有液滴析出，测量冷凝镜此时的温度即是样气的露点。冷镜法微量水分析仪精度高且准确可靠，空分装置使用较多。但由于响应时间慢，不能应用于腐蚀性测量工况，且需要专人维护，应用受到限制。

1.4激光光谱式

激光微量水分析基于半导体激光吸收光谱(DLAS)技术，利用激光能量被气体分子选择性吸收，形成吸收光谱的原理来测得微量水含量。主要由发射探头、发射单元、接受探头以及接收单元组成。发射探头内的激光器发出的激光光束准直后，穿过石英或蓝宝石窗口玻片，进入被测气体，透射光穿过接受探头的窗口玻片后被光电传感器吸收，获得的测量信号通过电缆传输到吸收单元经分析处理后获得微量水含量。激光光谱法适用于纯气、高纯气中微量水的测量，缺点是价格昂贵[4-8]。

2 光纤式微量水分析仪测量原理

和传统的微量水分析仪相比，光纤式微量水分析仪有独特的检测方式和技术特点，克服了很多传统技术的应用缺陷，在实际的生产过程中得到了良好应用[9-10]。

光纤式微量水分析仪的传感器表面为具有不同反射系数的氧化硅和氧化锆构成的层叠结构，通过先进的热固化技术，使传感器表面的孔径控制在0.3nm，使0.28nm的水分子可以渗入。控制器发射出1束790～820nm的近红外光，通过光纤电缆传送给传感器，进入到传感器的水分子会引起光的折射，从而引起波长的变化，该变化量与介质的水分含量成相应的比例关系。通过测量接收到的光的波长，就可以得到介质的水分含量及水露点等相关参数。测量原理如图1所示。

图1 光纤式微量水分析仪测量原理

3 光纤式微量水分析仪特点

由于传感器的特殊结构，测量信号无干扰，可靠性、精度及重现性极高；可用于恶劣介质,且不需要维护，也不需要定期标定。特点：

1) 传感器可以应用于Zone 0防爆场所，主机可以安装在现场。

2) 可以实现多通道测量，最多3个通道。

3) 既可以测量气体中的微量水分，也可以测量液体中的微量水分。

温度的波动对微量水测量影响较大，湿度探头内除内置光纤探头外，还配有温度传感器。温度传感器可实时测量试样温度，其结果可用于对水含量测量进行实时在线校正。控制器部分还设有压力输入信号接口，通常情况下测点的压力不会有太大波动，但如果需要更高精度的测量，也可结合实时的压力信号对微量水含量的测量进行在线修正。

4 工程项目应用实例

4.1工况简介

笔者参与设计的某烃类精制装置，设置了2台精制塔：第1台用于过滤烃类介质中含有的水分；第2台用于过滤烃类介质中的其他杂质。工艺要求参与反应的介质必须是干燥洁净的，否则会降低催化剂的活性，严格控制烃类介质中的水含量至关重要。

来自界区的介质从精制塔底部进入，通过精制塔内的分子筛，分子筛上的吸附剂能将烃类介质中的水分吸附掉，从而完成脱水。在精制塔的进出口以及塔内的分子筛处分别设置微量水分析仪用以监测介质中的水含量。当精制塔进口介质含水量过高时，说明来源介质的质量存在问题，此时该微量水分析仪水含量高报警，需要操作人员检查上游装置的生产环节是否正常；当精制塔入口和分子筛水含量正常，而出口微量水分析仪水含量高报警时，说明介质脱水不够充分，需要将下游水含量过高的介质重新返回到1号精制塔进行脱水；当分子筛内水含量过高，则说明分子筛已经饱和，需要更换分子筛。

4.2优化方案对比

1) 传统单通道微量水分析仪系统配置如图2所示，每个采样点需配1套采样探头、1套预处理系统、1台二次仪表，且二次仪表需安装在非防爆区。因此，该工况下，采样探头、预处理系统、二次仪表、现场预处理箱到二次仪表的专用电缆需3套。