氮封與惰性化操作中氧氣濃度測量
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風(fēng)險
設(shè)計或維護不當(dāng)?shù)牡庀到y(tǒng)有可能導(dǎo)致嚴重事故發(fā)生。如果說所有的氮封系統(tǒng)均會出現(xiàn)這樣或那樣的泄漏則并不言過。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，帶有活動組件、包裝與密封件的閥門容易發(fā)生故障。出現(xiàn)故障的壓力變送器會記錄錯誤的頂部空間壓力，從而導(dǎo)致氮氣消耗過高。當(dāng)?shù)忾y無法充分打開時，氮氣的流入量將會變得過低，從而導(dǎo)致頂部空間壓力下降，進而造成儲罐內(nèi)爆或者空氣泄漏至儲罐當(dāng)中。如前所述，這些情況會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，根據(jù)存儲產(chǎn)品的不同，還會大大提高發(fā)生爆炸的風(fēng)險。
氮氣
由于對安全性與質(zhì)量的重視程度越來越高，全球范圍內(nèi)使用氮封工藝越來越多，進而使用氮氣的數(shù)量開始增多。由于各種原因，全球?qū)τ诘獨獾男枨罅块_始增加，以致于氮氣不再只是制氧的一種副產(chǎn)品，而本身已經(jīng)成為了一種主要產(chǎn)品。需求量的增加自然會對價格產(chǎn)生影響，但是由于能源成本占氮氣制造總成本的一半，因此 2008 年能源價格的快速上漲僅僅導(dǎo)致氮氣平均價格上升 4% 以上。顯然，運輸成本在這里同樣發(fā)揮著重要作用。氮氣達到最終用戶現(xiàn)場的方式有著明顯不同。小型用戶可獲得采用汽缸或散裝罐方式運輸?shù)膲嚎s氮氣。大型用戶可獲得以管道方式運輸?shù)牡獨?，但是這種基礎(chǔ)設(shè)施僅限于重型工業(yè)區(qū)。其他用戶則選擇自建制氮廠。因此，平均價格上漲不會對全局造成影響?？傮w而言，2008 年末至 2009 年中期，中小型用戶，尤其是位于較為偏遠地區(qū)的用戶氮氣價格上漲了 15% 甚至更多。
頂部空間氣體分析
在提高安全性的同時減少氮氣使用量的方法之一是控制惰氣與頂部空間氧氣濃度的關(guān)系。原理如下：由于產(chǎn)品不同以及氮封或惰性化的緣故，當(dāng)達到氧氣濃度上限時會有安全冗余。為了防止聚合，某些單體不能允許任何氧氣存在。由于相同原因，有些單體則需要少量氧氣。在防爆方面，氧氣濃度無需達到零值。事實上，所有溶劑均存在著所謂的氧氣濃度限制。低于這一濃度限制則不會出現(xiàn)爆炸風(fēng)險。顯然，根據(jù)氧氣濃度控制氮氣的充入量會大大降低氮氣成本。此外，測量儲罐頂部空間的氧氣濃度可以提供一個重要的安全參數(shù)。
圖 1：采用基于氧氣濃度的調(diào)節(jié)方式常規(guī)控制惰性化工藝中的 O2
目標(biāo)為防止氧氣濃度超過所謂氧氣濃度限制 (LOC)，這僅適用于經(jīng)過氮封處理（另被稱為 MOC 或最高氧氣濃度）的各種產(chǎn)品。這些特定值可在 CHEMSAFE 等數(shù)據(jù)庫中找到。出于安全起見，確定有兩個閾值，它們均低于 LOC（干預(yù)下限）與干預(yù)上限。這兩個閾值均屬于控制氮氣沖洗的設(shè)定點。當(dāng)氧氣濃度達到干預(yù)下限時，氮氣流會中斷。當(dāng)超過干預(yù)上限時，恢復(fù)充入氮氣。這意味著在安全操作得到保證的同時，該惰性系統(tǒng)可使氮氣消耗量保持最低水平。根據(jù)具體工藝條件以及所存在的溶劑，氧氣濃度通常保持在 2% 至 12%的水平之間。該系統(tǒng)由一套氧氣分析儀系統(tǒng)、一個PLC、一只氮封調(diào)節(jié)器、一只通氣閥和一只安全泄放閥等部件構(gòu)成。
這種方法適用于大多數(shù)需要準確氧氣濃度的惰性化操作與工藝。不過對于儲罐氮封而言，問題則略微復(fù)雜，這是因為主要目標(biāo)依然是允許儲罐通氣，而這完全取決于頂部空間的體積變化。當(dāng)儲罐繼續(xù)泵吸產(chǎn)品時，僅僅是因為氧氣濃度達到了設(shè)定點顯然是無法停止氮氣流的。如上所述，生成的真空會嚴重損壞儲罐。這一問題可通過使用空氣替換部分氮氣的方法得到解決。再次重申，目標(biāo)不是使氧氣濃度達到零值。這樣就不必充入純氮，而是可以使用氮氣與空氣的混合物?，F(xiàn)場制氮技術(shù)的進步可使得這一操作變得更加簡單。使用膜過濾器或分子篩類型技術(shù)可按需制成純度高達 99.9% 的氮氣。氧氣分析儀可確保可靠并且經(jīng)濟有效的氮氣供給以及安全的氮封工藝。
氧氣測量解決方案
然而，使用氧氣分析儀通常會遇到阻力，原因通常與氧氣分析系統(tǒng)的高價格與操作成本相關(guān)。常規(guī)系統(tǒng)往往由一臺萃取式氧氣分析儀構(gòu)成，這種儀器通常采用順磁技術(shù)，很少采用氧化鋯技術(shù)。這兩種分析儀需要進行樣品的前處理，并需要一臺用于拖拉樣品的泵、接管、閥門、過濾器、冷卻器、加熱器、干燥器等設(shè)備。簡言之，由于系統(tǒng)復(fù)雜并且分析儀易受損壞，因此需要進行大量的維護工作，并出現(xiàn)故障的可能性很高。除了導(dǎo)致投資成本極高的所有外部設(shè)備之外，分析儀自身價格也很高。因此，許多用戶不情愿安裝此類系統(tǒng)控制覆蓋操作的做法可以令人理解。
直接在線測量的優(yōu)點
而這種解決方案則更加簡單且絕對更加可靠。梅特勒-托利多采用電化學(xué)氧氣測量方法，其所提供的12 毫米探頭是一種經(jīng)濟有效并且安全可靠的解決方案，可完全無需使用樣品處理系統(tǒng)。電化學(xué)或極譜式氧氣電極可直接安裝在容器或氮氣排放管內(nèi)，并且對灰塵、濕氣或溶劑不敏感?？缮炜s的傳感器安裝允許在不干擾過程的情況下縮回傳感器，具有便于校準等優(yōu)點。無需使用特種校準氣體，這是因為只需使用空氣進行單點校準即可保持探頭的準確性。在非常重要的應(yīng)用當(dāng)中，可出于提高安全性以及自檢的目的在系統(tǒng)上安裝附加氧氣傳感器。
與傳統(tǒng)萃取式分析儀技術(shù)相比，梅特勒-托利多解決方案只需少量成本。首先，分析儀本身價格較低；其次，由于無需使用采樣與樣品處理系統(tǒng)，因此可進一步降低成本。不過，最具實惠的收益在于可節(jié)省大量的維護成本。梅特勒-托利多解決方案所需的唯一維護工作是不定期重新填充電解液，該操作僅需兩分鐘。
理論
電化學(xué)氧氣測量是一種適用于溶解氧與氣相氧測量的良好方法?；驹硎腔瘜W(xué)還原氧氣分子以及測量陰極與陽極之間的生成電流。
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