半導(dǎo)體激光在線氣體微量氧分析的原理及在乙二醇裝置中出現(xiàn)故障和處理方法

O 李衍銳 李繼剛

（河南能源化工集團(tuán)濮陽(yáng)永金化工有限公司 河南 457000）

半導(dǎo)體激光在線氣體微量氧分析的原理及在乙二醇裝置中出現(xiàn)故障和處理方法

O 李衍銳 李繼剛

（河南能源化工集團(tuán)濮陽(yáng)永金化工有限公司 河南 457000）

介紹在線氣體半導(dǎo)體激光微量氧分析儀在我公司酯化反應(yīng)中的應(yīng)用及激光氧分析儀基于Beer-Lambert定理關(guān)系的原理、組成及在乙二醇裝置應(yīng)用中出現(xiàn)過(guò)的故障情況。

激光微量氧分析儀；酯化反應(yīng)；乙二醇裝置；Beer - Lambert定理

濮陽(yáng)永金乙二醇是以上游中原大化煤化工為依托，中原大化煤化工以煤為原料，通過(guò)氣化爐、變換單元、凈化單元、得到干凈合成氣、主要成分為甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氫等混合氣體，合成氣一路去生產(chǎn)甲醇，一路合成氣通過(guò)變壓吸附車間分離提純后分別得到CO和H2氣體進(jìn)入乙二醇裝置，在乙二醇裝置區(qū)CO與亞硝酸甲酯催化、偶聯(lián)合成生產(chǎn)草酸酯，草酸酯再經(jīng)與H2進(jìn)行加氫反應(yīng)并通過(guò)精制后獲得乙二醇的過(guò)程。該工藝就是稱為兩步法煤制乙二醇工藝或草酸酯法(氧化偶聯(lián)法)。該流程短，成本低，是目前國(guó)內(nèi)受到關(guān)注最高的煤制乙二醇技術(shù)。

乙二醇生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)工藝屬于易燃、易爆裝置對(duì)各組分含量檢測(cè)要求高，尤其對(duì)氧含量，要求要檢測(cè)快和準(zhǔn)。我公司激光在線微量氧含量分析儀主要使用在脫氫單元（位號(hào)為AT1001）；和酯化反應(yīng)單元（位號(hào)為AT1002）。

脫氫單元反應(yīng)過(guò)程是：通過(guò)催化劑在兩個(gè)脫氫反應(yīng)器內(nèi)部（R101A/B）對(duì)從煤化工變壓吸附過(guò)來(lái)的CO氣內(nèi)，含有的微量氧進(jìn)行脫除,反應(yīng)過(guò)程為放熱反應(yīng)。保證進(jìn)入酯化反應(yīng)的CO氣體的純凈，如CO氣體含有氧，進(jìn)入下一酯化單元，將在酯化塔發(fā)生酯化反應(yīng)，反應(yīng)將無(wú)法控制，同時(shí)在酯化塔反應(yīng)放出大量熱，裝置將發(fā)生危險(xiǎn)，氧含量高于5000ppm聯(lián)鎖，跳車。

反應(yīng)方程式及脫氫流程圖如下：

酯化反應(yīng)工藝過(guò)程是：從脫氫單元脫除殘余微量氧后的一氧化碳?xì)怏w與甲醇、一氧化氮、氧、亞鈉單元產(chǎn)生的亞硝酸甲酯氣體一起進(jìn)入酯化塔；甲醇、氧、一氧化氮在酯化塔催化劑作用下進(jìn)行酯化反應(yīng)生成亞硝酸甲酯，酯化反應(yīng)方程式為：

混合物繼續(xù)進(jìn)入羰化單元，在羰化單元亞硝酸甲酯與一氧化碳在一定的溫度下，及催化劑作用下反應(yīng)生成草酸酯，羰基化反應(yīng)方程為:

在酯化塔酯化反應(yīng)中，甲醇、氧、一氧化氮反應(yīng)產(chǎn)生亞硝酸甲酯，反應(yīng)混合物必須嚴(yán)格控制氧，如果不能控制好氧，造成氧含量超標(biāo)；反應(yīng)將放出大量熱，造成塔飛溫，反應(yīng)速度和過(guò)程都將無(wú)法控制，將發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。同時(shí)過(guò)量O2進(jìn)入羰化反應(yīng)器將使后續(xù)羰化反應(yīng)也無(wú)法控制，反應(yīng)會(huì)迅速放出巨大熱量，造成飛溫進(jìn)而發(fā)生爆炸，直接造成重大安全危險(xiǎn)事故，因此AT1002在線分析值必須要及時(shí)、準(zhǔn)確，工藝操作嚴(yán)加控制氧含量，嚴(yán)加防范超標(biāo)，高于1400ppm聯(lián)鎖，酯化流程圖如下：

本文對(duì)結(jié)合我公司使用的杭州聚光半導(dǎo)體激光在線微量氧含量分析儀原理及在我公司乙二醇裝置開車和運(yùn)行以來(lái)激光在線微量氧含量分析儀出現(xiàn)故障和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)介紹。

一、比爾-朗伯（Bccr -lambcrt）定理及激光在線氧含量表測(cè)量原理和特點(diǎn)

1.比爾-朗伯（Beer -lambert）定理

激光氧分析儀都是基于比爾-朗伯（Beer -lambert）定理，定理內(nèi)容：一束單色光照射于吸收介質(zhì)表面，在通過(guò)一定厚度的介質(zhì)后，由于介質(zhì)吸收了一部分光能，透射光的強(qiáng)度就要減弱。吸收介質(zhì)的濃度愈大，介質(zhì)的厚度愈大，則光強(qiáng)度的減弱愈顯著。簡(jiǎn)單理解就是被測(cè)組分對(duì)紫外光或可見光具有吸收，且吸收強(qiáng)度與組分濃度成正比。

2.LGA4500激光微量氧含量分析特點(diǎn)

半導(dǎo)體激光氣體微量氧分析儀LGA4500是出產(chǎn)于杭州聚光公司，該分析儀的原理采用半導(dǎo)體激光吸收光譜（DLAS）技術(shù)，激光能量被氣體分子“選頻”吸收，測(cè)量氣體濃度。該半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光束（僅能被被測(cè)氣體吸收）的特定波長(zhǎng)激光，通過(guò)被測(cè)氣體，氣體濃度和通過(guò)氣體的激光衰減成一定的函數(shù)關(guān)系。由于使用的半導(dǎo)體激光光源的光譜寬度比氣體吸收線小得多，因此它是一個(gè)高分辨率技術(shù)。

LGA4500激光氧含量分析儀其特點(diǎn)：

(1)采用單線光譜技術(shù)

“單線光譜測(cè)量技術(shù)”利用激光的光譜比較窄、遠(yuǎn)小于被測(cè)氣體的吸收譜線的特性，通過(guò)調(diào)節(jié)二極管激光器溫度和驅(qū)動(dòng)電流，將半導(dǎo)體二極管激光器頻率調(diào)整對(duì)應(yīng)到氣體的單吸收光譜線，激光光譜寬度相應(yīng)調(diào)整到比被測(cè)氣體單吸收線光譜寬度更窄，使得在所選吸收譜線波長(zhǎng)附近無(wú)測(cè)量環(huán)境中其它氣體組分的吸收譜線，從而避免了這些背景氣體組分對(duì)該被測(cè)氣體的交叉吸收干涉，有效解決傳統(tǒng)的氣體分析技術(shù)中存在的諸多現(xiàn)場(chǎng)疑難問(wèn)題。圖1.1是“單線光譜”測(cè)量原理圖。

圖1.1是“單線光譜”測(cè)量原理圖。

圖1.1 “單線光譜”測(cè)量原理圖

(2)激光頻率掃描技術(shù)

激光氣體分析儀LGA-4000通過(guò)調(diào)制激光頻率不同,周期性地掃描被測(cè)氣體吸收譜線，激光頻率的掃描范圍應(yīng)該設(shè)置成大于被測(cè)氣體吸收譜線的寬度，使得在一次頻率掃描范圍中包有不被氣體吸收譜線衰減的圖1.1中的“Ⅰ”區(qū)以及被氣體吸收譜線衰減的“Ⅱ”區(qū)。

(3)譜線展寬自動(dòng)修正技術(shù)

在氣體溫度和壓力發(fā)生改變時(shí)，被測(cè)氣體譜線的寬度和高度會(huì)發(fā)生隨之的變化，從而造成測(cè)量的準(zhǔn)確性的不穩(wěn)定。通過(guò)在測(cè)量通道里加入壓力和測(cè)量溫度傳感器，把4-20mA電流信號(hào)輸送到運(yùn)算放大處理單元對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)修正，從而保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性,和穩(wěn)定性以及可靠性,實(shí)現(xiàn)高溫、高壓環(huán)境下測(cè)量

3.LGA4500激光氣體分析儀的組成及功能：

由發(fā)射單元、接收單元、吹掃單元、正壓?jiǎn)卧?、安裝法蘭和維護(hù)切斷閥等組成，LGA4500結(jié)構(gòu)圖2.1如下：

圖2.1

(1)發(fā)射單元及發(fā)射探頭：

激光式氣體分析儀的發(fā)射單元包括人機(jī)界面，激光驅(qū)動(dòng)器模塊，中央處理模塊，半導(dǎo)體激光器和高精度的光學(xué)部件組成。發(fā)射單元發(fā)射高強(qiáng)度，高單色激光的激光，同時(shí)可對(duì)激光調(diào)諧;對(duì)光譜數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交互等功能。

(2)接收單元及探頭探頭：

接收單元由光電傳感器（硅傳感器），信號(hào)處理模塊，電源模塊，以及精密光學(xué)元件和其他元件的組成，其主要功能是接受與測(cè)量氣體濃度相對(duì)應(yīng)激光光譜，并根據(jù)與激光光譜對(duì)應(yīng)相對(duì)應(yīng)的電壓、電流信號(hào)，同時(shí)將相對(duì)應(yīng)測(cè)量介質(zhì)測(cè)量濃度的電壓、電流信號(hào)送到發(fā)送單元，用于發(fā)射單元人機(jī)界面等設(shè)備的計(jì)算處理。

(3)吹掃單元：

因?yàn)榘雽?dǎo)體激光儀可能工作在惡劣的領(lǐng)域中，為了確保其能夠長(zhǎng)期安全連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)避免灰塵或其他污染物造成嚴(yán)重污染激光發(fā)射窗口，使用氣體吹掃發(fā)射單元和接收單元的窗口。吹掃單元包括減壓閥，過(guò)濾器，和穩(wěn)流裝置等。

(4)正壓?jiǎn)卧?/p>

防爆型激光式氣體分析儀安裝了嵌入式正壓控制模塊，實(shí)現(xiàn)本安防爆設(shè)計(jì)，它以惰性氣體填充在實(shí)現(xiàn)本安防爆。激光分析儀正壓模塊包括壓力傳感器，信號(hào)處理，電源控制，和信息顯示模塊，可對(duì)發(fā)射和接收單元內(nèi)部充正壓防爆惰性氣體，同時(shí)對(duì)壓力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，保證激光氣體分析儀在危險(xiǎn)場(chǎng)合的安全使用。

(5)安裝法蘭和維護(hù)切斷閥

發(fā)射、接收單元通過(guò)連接鎖箍與連接單元（或標(biāo)定單元）連接，連接單元由吹掃接口、光路調(diào)整機(jī)構(gòu)、維護(hù)切斷閥門和安裝法蘭等組成。主要功能是對(duì)發(fā)射單元進(jìn)行清潔或其他維護(hù)時(shí)，維護(hù)切斷閥可靈活、方便的隔絕過(guò)程管道和操作環(huán)境，防止危險(xiǎn)氣體泄漏

二、半導(dǎo)體激光在線分析儀在我公司運(yùn)行狀況及出現(xiàn)故障：

半導(dǎo)體激光在線分析儀在我公司運(yùn)行中，效果比較良好，為工藝操作提供了可靠的測(cè)量依據(jù)，但是在操作中還是發(fā)出了一些故障，現(xiàn)將故障進(jìn)行說(shuō)明：

(1)氮?dú)膺M(jìn)水；我公司在使用中突然工藝反應(yīng)AT1002此表無(wú)輸出，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)儀表液晶面板無(wú)顯示，儀表連接正壓吹掃裝置指示燈亮，正壓壓力指示顯示條不亮，儀表無(wú)輸出4-20mA信號(hào)。打開正壓氮?dú)獯祾哌B接管才發(fā)現(xiàn)氮?dú)庵杏兴F，檢查電路板發(fā)現(xiàn)內(nèi)部也有水，電路板已經(jīng)燒壞，因?yàn)檎龎旱獨(dú)饨拥臑楣S氮?dú)夤芫€，估計(jì)氮?dú)馍嫌纬霈F(xiàn)問(wèn)題氮?dú)鈳?，致使儀表?yè)p壞，后返回生產(chǎn)廠家維修。通過(guò)此次教訓(xùn)，我廠對(duì)氮?dú)膺M(jìn)入氧分析儀增加氣液隔離裝置，同時(shí)及時(shí)要求巡檢觀察氣液隔離裝置玻璃視窗是否有液。其實(shí)最根本方法就是聯(lián)系上游空分裝置，注意工廠氮?dú)馄焚|(zhì)，從根本上防止此類事件發(fā)生。經(jīng)過(guò)聯(lián)系廠家也可采用儀表風(fēng)保證正壓氣體干燥合格。

(2)我公司在使用中突然發(fā)現(xiàn)，在儀表柜內(nèi)有大量金屬銹蝕，儀表面板腐蝕，進(jìn)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)樣氣接頭漏樣氣，因?yàn)槲夜続T1002樣氣內(nèi)含有大量NO氣體，泄漏氣體進(jìn)入儀表柜因?yàn)楫?dāng)時(shí)為夏天天氣潮濕，NO與水蒸氣反應(yīng)生成硝酸，迅速腐蝕金屬造成柜內(nèi)儀表腐蝕，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后我們迅速查找漏點(diǎn)消漏，同時(shí)給氧分析儀儀表柜通入儀表風(fēng)，在柜內(nèi)形成正壓，即使以后泄漏也不會(huì)有NO氣體積存，保護(hù)儀表。

(3)在生產(chǎn)時(shí)，工藝操作人員有時(shí)反映測(cè)量波動(dòng)不準(zhǔn)，我公司儀表工作人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題基本不是激光氧分析儀問(wèn)題，初步判斷可能與工藝狀況有關(guān)；畢竟煤制乙二醇技術(shù)工藝尚處在工廠實(shí)驗(yàn)階段，其中有些工藝機(jī)理尚不完清楚，在實(shí)際中我們驗(yàn)證激光氧分析儀是否正常，通常使用已知濃度含量的標(biāo)準(zhǔn)氣體，將已知含量標(biāo)氣，通入到接收和發(fā)射單元安裝到標(biāo)定管上，通入氣體，并設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，看儀表測(cè)量值是否和已知測(cè)量標(biāo)氣濃度相同，就可判斷分析儀是否正常。

三、結(jié)束語(yǔ)

聚光在線激光微量氧分析儀先進(jìn)性，準(zhǔn)確性符合我公司一貫要求宗旨并投用，經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)，在使用中達(dá)到良好的效果，為工藝操作提供了較為準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)，而且其維護(hù)相對(duì)其他測(cè)量方式的分析儀來(lái)說(shuō)維護(hù)量相對(duì)較小，可靠性較高。同時(shí)激光微量氧分析儀為我公司煤制乙二醇工藝工廠化研制和發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

Analysis Theory for Semiconductor Laser in Line Trace Oxygen Gas and Malfunction Situation and Handling Method in Glycol Device

Li Yanrui, Li Jigang
（Henan Puyang Yong Jin Chemical Industry co., LTD, Henan, 457000）

Introduction semiconductor line gas laser trace oxygen analyzer used in the esterification reaction in my company。Laser oxygen analyzer to Beer-Lambert theorem based principles，Composed of laser oxygen analyzer，Had appeared in my company glycol device applications over the fault condition。

Laser trace oxygen analyzer；Ethylene glycol plant；Esterification reaction；Beer - Lambert Theorem

T

A

李衍銳（1988～），男，河南能源化工集團(tuán)濮陽(yáng)永金化工有限公司，研究方向：乙二醇工藝現(xiàn)場(chǎng)儀表及DCS、SIS、ITCC。