聚乙烯醇醇解尾氣中氧分析儀的選型設(shè)計(jì)

陳麗娟

(重慶川維石化工程有限責(zé)任公司，重慶 401122)

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聚乙烯醇醇解尾氣中氧分析儀的選型設(shè)計(jì)

陳麗娟

(重慶川維石化工程有限責(zé)任公司，重慶 401122)

摘要：聚乙烯醇干燥過程中,干燥機(jī)內(nèi)氣體的氧體積分?jǐn)?shù)是控制難點(diǎn)。通過增設(shè)在線氧分析儀，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)氧體積分?jǐn)?shù)，并控制干燥機(jī)內(nèi)氮?dú)饧尤肓?，以確保干燥系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。通過對(duì)幾種常用的氧分析儀在測(cè)量原理、性能特點(diǎn)、安裝、投資和運(yùn)行維護(hù)成本等方面進(jìn)行比對(duì)后，確定選用原位插入式安裝的激光在線氧分析儀，實(shí)現(xiàn)干燥廢氣甲醇和非甲烷總烴的達(dá)標(biāo)排放。

關(guān)鍵詞：廢氣處理氧分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)能減排

Oxygen Analyzer Type Selection for Alcoholized PVA Tail Gas

Chen Lijuan

(Chongqing Chuanwei Petrochemical Engineering Co. Ltd., Chongqing, 401122, China)

Abstracts: O2volume fraction of gas in drying machine is very difficult to control in PVA drying process. To ensure safe and stable operation of drying system, on-line oxygen analyzer is installed to monitor real-time O2volume fraction with controlling N2charging quantity in drying machine. After comparison of measuring principles, performance features, installation, investment, cost on operation, maintenance for several common used oxygen analyzers, laser on-line oxygen analyzer with home position plug-in mounting is selected to realize emission standard of methanol and non-methane hydrocarbon for off-gas discharging.

Key words:exhaust gas treatment; oxygen analyzer; real-time monitoring; energy conservation and emission reduction

1概述

聚乙烯醇裝置醇解工藝在醇解機(jī)上析出成品聚乙烯醇(PVA)，固化的聚乙烯醇?jí)赫ズ筮M(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)加熱干燥。干燥在常壓、氮?dú)庋h(huán)的條件下進(jìn)行，蒸發(fā)出來的甲醇和醋酸甲酯引入冷凝器，與被冷卻后的冷凝液逆流接觸回收。尾氣中含甲醇?xì)?.3%，醋酸甲酯氣1.5%，水蒸氣2.0%，其余為氮?dú)夂脱鯕?。如果工況變化或干燥系統(tǒng)設(shè)備、氮?dú)夤苈泛烷y門故障等異常情況發(fā)生時(shí)，干燥機(jī)系統(tǒng)內(nèi)蒸發(fā)氣體中的氧氣體積分?jǐn)?shù)可能迅速上升，與甲醇、醋酸甲酯和烷烴等氣體混合達(dá)到爆炸下限，遇到靜電火花可能會(huì)發(fā)生爆炸，形成重大安全隱患。為了保證生產(chǎn)安全，需要在干燥機(jī)系統(tǒng)內(nèi)加入氮?dú)?，目前是采用人工取樣、?shí)驗(yàn)室分析的方式得出干燥機(jī)系統(tǒng)內(nèi)氧的體積分?jǐn)?shù)，操作人員根據(jù)該分析數(shù)據(jù)和工作經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)控制閥門向干燥系統(tǒng)充氮。由于該裝置新產(chǎn)品低醇解度的聚乙烯醇含濕量大，導(dǎo)致干燥機(jī)排氣量增加，繼續(xù)采用上述方式不能實(shí)時(shí)得到干燥機(jī)系統(tǒng)內(nèi)氣體氧的體積分?jǐn)?shù)，就不能有效控制醇解干燥系統(tǒng)的氮?dú)饧尤肓亢蛷U氣排放量。

為了防止醇解干燥系統(tǒng)氧超標(biāo)帶來的安全隱患，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)蒸發(fā)氣體氧的體積分?jǐn)?shù)來實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)氮?dú)獾募尤肓匡@得十分必要。在冷凝器出口尾氣管道上增設(shè)在線氧分析儀，同時(shí)增加吸收塔系統(tǒng)，加大尾氣吸收處理能力，根據(jù)氧的體積分?jǐn)?shù)自動(dòng)控制干燥機(jī)內(nèi)氮?dú)饧尤肓?，使干燥機(jī)系統(tǒng)內(nèi)氧的體積分?jǐn)?shù)控制在10%以內(nèi)，可以提高裝置控制水平，實(shí)現(xiàn)廢氣達(dá)標(biāo)排放，起到節(jié)能減排的作用。

2分析儀選型

該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中，選擇了市場(chǎng)上應(yīng)用較多的幾種分析儀表，著重從測(cè)量原理、性能特點(diǎn)、安裝環(huán)境要求等方面進(jìn)行了對(duì)比。

2.1磁力機(jī)械式氧分析儀

磁力機(jī)械式氧分析儀是基于氧的體積磁化率高于一般氣體，在磁場(chǎng)中具有較高順磁特性的原理，通過處于非均勻磁場(chǎng)中的物體隨周圍介質(zhì)磁性變化而受到吸力或斥力，形成一定的偏轉(zhuǎn)角度，來間接得出氧的體積分?jǐn)?shù)。氧的體積磁化率數(shù)值為+146，一氧化碳的體積磁化率為+53，空氣的體積磁化率為+30.8，其余氣體遠(yuǎn)小于空氣。

該分析儀測(cè)量精度和靈敏度都較高，在1×10-3量程范圍內(nèi)氧氣的測(cè)量誤差可低至±0.1%；測(cè)量范圍寬，氧氣可測(cè)體積分?jǐn)?shù)為0～100%；因氧氣的體積磁化率是溫度、壓力的函數(shù)，氣樣壓力、溫度及流量的變化會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來影響，須加預(yù)處理系統(tǒng)對(duì)樣氣進(jìn)行恒溫、穩(wěn)壓、穩(wěn)流處理，預(yù)處理系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)工作量大；采用每3列共用1套分析儀系統(tǒng)，通過流路切換方式對(duì)每個(gè)尾氣測(cè)量樣氣中氧的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，節(jié)約了投資，但是也帶來了分析滯后的問題；醇解裝置振源較多，考慮到振動(dòng)對(duì)磁性材料磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，分析儀安裝時(shí)需采取抗振措施，現(xiàn)場(chǎng)劃為Ⅱ區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所，需選用防爆分析小屋進(jìn)行安裝，將采樣預(yù)處理系統(tǒng)、流路切換單元、分析器及配套設(shè)施等集成安裝在分析小屋內(nèi)。分析小屋占用空間大，醇解裝置每列的設(shè)備管道等布置得非常緊湊，安裝分析小屋會(huì)占用操作工的檢維修通道，因而該方案不可行。

2.2電化學(xué)式氧分析儀

分析儀通過半通透膜有選擇地讓被測(cè)氣體分子擴(kuò)散進(jìn)入傳感器電解質(zhì)，過濾后，氣體在工作電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電子轉(zhuǎn)移時(shí)形成與被測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)有關(guān)的電極電流或電勢(shì)。用于常量氧在線分析的電化學(xué)式氧分析儀有燃料電池式氧分析儀、氧化鋯氧分析儀。

1) 燃料電池式氧分析儀的氧化還原反應(yīng)可以自動(dòng)進(jìn)行，不需要外供電。具有分辨率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)工作量小的特點(diǎn)，當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)升高時(shí)，其測(cè)量值與氧體積分?jǐn)?shù)成非線性關(guān)系，用于常量氧的測(cè)量，其測(cè)量精度和穩(wěn)定性較順磁式氧分析器差，分析儀的線性特性在氧體積分?jǐn)?shù)升高時(shí)也會(huì)變差；燃料電池陽極與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被消耗，需定期更換電池，運(yùn)行成本高。

2) 帶導(dǎo)流管的直插式氧化鋯分析儀測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣(氧氣體積分?jǐn)?shù)可在0～50%范圍內(nèi)任意設(shè)定)；轉(zhuǎn)換器具有自診斷功能，可靠性和安全性高；直接原位插入式安裝，響應(yīng)速度快，安裝方便；傳感器和轉(zhuǎn)換器防爆外殼設(shè)計(jì)，無需正壓吹掃；檢測(cè)器和轉(zhuǎn)換器之間采用雙屏蔽專用電纜，抗干擾能力強(qiáng)。但是，氧化鋯分析儀探頭在高溫條件下運(yùn)行，可能會(huì)消耗樣氣中的氧，導(dǎo)致測(cè)量的氧體積分?jǐn)?shù)比實(shí)際值偏小，引起分析結(jié)果不準(zhǔn)確。因無處獲得更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行論證，選擇氧化鋯分析儀對(duì)醇解尾氣中的氧體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，可能會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3激光在線氧分析儀

激光在線氧分析儀是基于激光光譜吸收技術(shù)，通過被測(cè)氣體對(duì)激光的衰減強(qiáng)度來測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)的一種分析儀器，光強(qiáng)的衰減與被測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)關(guān)系可以用朗伯-比爾定律表示，根據(jù)該定律可知，被測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)越高，光的衰減強(qiáng)度越大。以LGA-4100和GproTM500產(chǎn)品為例，進(jìn)行方案對(duì)比。

1) LGA-4100半導(dǎo)體激光吸收光譜(DLAS)技術(shù)，利用激光能量被氣體分子“選頻”吸收形成吸收光譜的原理來測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)。由半導(dǎo)體激光器發(fā)射出特定波長(zhǎng)的激光束(僅能被被測(cè)氣體吸收)，穿過被測(cè)氣體時(shí)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，選擇某一位于特定波長(zhǎng)的吸收光譜線，使得在所選吸收譜線波長(zhǎng)附近無測(cè)量環(huán)境中其他氣體組分的吸收譜線，避免這些背景氣體組分對(duì)該被測(cè)氣體的交叉吸收干涉，激光強(qiáng)度的衰減與被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)成一定的函數(shù)關(guān)系，通過測(cè)量激光強(qiáng)度衰減信息分析獲得被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。LGA-4100的光學(xué)鏡片是平面鏡結(jié)構(gòu)，發(fā)射單元與接收單元對(duì)射式安裝，為了使發(fā)射后的光能平行到達(dá)接收端，需要精準(zhǔn)對(duì)焦，從而需要較大的管道進(jìn)行安裝(至少DN300)，管道的熱脹冷縮會(huì)影響光的傳輸，所以需要定期地進(jìn)行對(duì)焦；ExPxmdⅡCT5防爆設(shè)計(jì)，需正壓吹掃，吹掃耗氣量較大；因該項(xiàng)目的尾氣管道只有DN50，安裝空間有限，無法滿足分析儀發(fā)送、接收單元及其操作平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)安裝的空間要求。

2) GproTM500采用可調(diào)諧二極管激光技術(shù)(TDL)，非接觸式測(cè)量，二極管激光器具有吸收線帶寬窄、可調(diào)諧性、穩(wěn)定性、緊湊性及可室溫下運(yùn)行的特點(diǎn)。GproTM500可精確控制儀表的激光光源在設(shè)定波段內(nèi)對(duì)所選定的氧氣特征吸收譜線附近進(jìn)行循環(huán)掃描，精確分析，利用SpectraIDTM技術(shù)進(jìn)行對(duì)比、鎖定，并與HITRAN數(shù)據(jù)庫相同溫度和壓力條件下相同峰表面峰值的譜線進(jìn)行匹配，從而得出對(duì)應(yīng)的氧氣的體積分?jǐn)?shù)值。GproTM500采用緊湊型探頭式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可原位插入式安裝，簡(jiǎn)單方便，可最小安裝管道為DN50；可“折疊式”光程設(shè)計(jì)使儀表光程翻倍，提高了傳感器的精度；SpectraIDTM光譜定位分析專利技術(shù)，對(duì)樣氣中要求測(cè)量組分所對(duì)應(yīng)的特定吸收譜線進(jìn)行鎖定分析，測(cè)量可靠性高；反射端光學(xué)視窗采用直角棱鏡結(jié)構(gòu)，由于直角棱鏡可將任意方向的光源都平行地反射回去，因而發(fā)射出的光源經(jīng)棱鏡反射后返回的光路始終平行于發(fā)射光路，無需對(duì)焦；隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無需吹掃。

基于以上幾種分析儀的方案對(duì)比，結(jié)合該工況的特點(diǎn)和安裝空間，選用GproTM500激光在線氧分析儀對(duì)醇解尾氣中氧進(jìn)行分析是最佳的方案。

3GproTM500系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1GproTM500的工作原理

GproTM500的工作原理如圖1所示。每次氣體測(cè)量激光器發(fā)射出的光都分為2路，1路通過過程氣體到棱鏡端，另1路進(jìn)入?yún)⒈瘸剡M(jìn)行校驗(yàn)校準(zhǔn)，對(duì)激光特性進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

圖1　GproTM500的工作原理示意

在設(shè)定的溫度和壓力下，激光源在760nm波段附近0.3nm的帶寬以100Hz頻率進(jìn)行循環(huán)掃描，電流值根據(jù)程序設(shè)定進(jìn)行控制。在電流激發(fā)下，波長(zhǎng)也相應(yīng)發(fā)生變化，如果樣氣介質(zhì)中有氧氣(特征吸收氣體)存在，會(huì)產(chǎn)生特征吸收使光強(qiáng)下降，光譜曲線會(huì)發(fā)生變化。GproTM500能夠?qū)ρ鯕馓囟úǘ挝兆V線的變化進(jìn)行精確分析，以波長(zhǎng)為函數(shù)記錄被測(cè)氣體對(duì)入射光吸收的原形吸收線，由測(cè)量的線形、線寬和強(qiáng)度計(jì)算出分子的吸收截面，進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)。GproTM500利用SpectraIDTM光譜定位分析技術(shù)，對(duì)每次掃描所選定的3個(gè)相鄰吸收譜線中相鄰2個(gè)譜線之間的距離進(jìn)行對(duì)比，如果距離相同，說明鎖定的是預(yù)先所選定的氧氣的吸收線，圖2為已知溫度和壓力下測(cè)量的3個(gè)相鄰的吸收線。

圖2　已知溫度和壓力下測(cè)量的3個(gè)相鄰的吸收線

在光譜儀內(nèi)存有1個(gè)HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中找到相同溫度和壓力下氧氣吸收峰的峰值、相對(duì)位置和面積，與鎖定的3個(gè)相鄰的氧氣吸收線進(jìn)行比對(duì)，最終得出匹配的吸收峰對(duì)應(yīng)的氧氣體積分?jǐn)?shù)值。

3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

醇解裝置含有易燃易爆介質(zhì)，裝置劃分為Ⅱ區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所，醇解共6列干燥機(jī)，在每列干燥機(jī)的冷凝器出口至尾氣吸收塔的尾氣管道上分別設(shè)1臺(tái)隔爆型GproTM500激光在線氧分析儀。因尾氣管道尺寸只有DN50，梅特勒托利多有一款法蘭夾持型的GproTM500，專門用于小管道的安裝。由DCS電源分配柜提供24 V(DC)或220 V(AC)電源至現(xiàn)場(chǎng)GproTM500，分析儀控制器輸出標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA信號(hào)通過屏蔽信號(hào)電纜傳輸至DCS，進(jìn)行氧體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)在線分析，并根據(jù)氧體積分?jǐn)?shù)值自動(dòng)控制氮?dú)獾募尤肓?，以確保干燥系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4結(jié)束語

即插即用式可調(diào)諧二極管激光技術(shù)具有高分辨率和高精確度、原位測(cè)量、響應(yīng)速度快、抗交叉干擾、耐腐蝕、精確校準(zhǔn)、零維護(hù)、長(zhǎng)期信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)越性，使得該技術(shù)在各領(lǐng)域成為了最佳的選擇，并得到了廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].

3版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社,2000: 165.

[2]王森,董鎮(zhèn),郭肇新,等.在線分析儀器手冊(cè)[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社,2008： 77,130-138,144-149.

[3]高喜奎,朱衛(wèi)東，程明宵.在線分析系統(tǒng)工程技術(shù)[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2014： 216-217，222-234.

[4]黃步余,李麗華.SH 3005—1999石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社,2000： 15,18.

[5]張帥,董鳳忠,張志榮,等.基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜的氧氣測(cè)量方法的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2009,29(10)： 1-2.

[6]李寧,王飛,嚴(yán)建華,等. 利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)對(duì)氣體濃度的測(cè)量[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(15)： 1-4.

[7]韓建武.隔爆型氧化鋯分析儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2009,36(04)： 60-63.

[8]王健,高秀敏,顧海濤,等.半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)及應(yīng)用 [C]//在線分析儀器的應(yīng)用及發(fā)展國際論壇論文集.北京： 中國分析儀器學(xué)會(huì),2000： 100-102.

[9]祁磊,李永紅.在線紅外分析儀在制氫裝置中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(02)： 132-133.

中圖分類號(hào)：TQ056.1+6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2016)01-0027-03

作者簡(jiǎn)介：陳麗娟(1983—)，女，黑龍江綏化人，2006年畢業(yè)于黑龍江齊齊哈爾大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)就職于重慶川維石化工程有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)部?jī)x表室，任自控工程師。

稿件收到日期： 2015-10-22，修改稿收到日期： 2015-12-08。