氮封與惰性化操作中氧氣濃度測量
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風(fēng)險(xiǎn)
設(shè)計(jì)或維護(hù)不當(dāng)?shù)牡庀到y(tǒng)有可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故發(fā)生。如果說所有的氮封系統(tǒng)均會(huì)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(dòng)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(huì)記錄錯(cuò)誤的頂部空間壓力，從而導(dǎo)致氮?dú)庀倪^高。當(dāng)?shù)忾y無法充分打開時(shí)，氮?dú)獾牧魅肓繉?huì)變得過低，從而導(dǎo)致頂部空間壓力下降，進(jìn)而造成儲(chǔ)罐內(nèi)爆或者空氣泄漏至儲(chǔ)罐當(dāng)中。如前所述，這些情況會(huì)對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，根據(jù)存儲(chǔ)產(chǎn)品的不同，還會(huì)大大提高發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。
氮?dú)?
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(jìn)而使用氮?dú)獾臄?shù)量開始增多。由于各種原因，全球?qū)τ诘獨(dú)獾男枨罅块_始增加，以致于氮?dú)獠辉僦皇侵蒲醯囊环N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(huì)對價(jià)格產(chǎn)生影響，但是由于能源成本占氮?dú)庵圃炜偝杀镜囊话?，因?2008 年能源價(jià)格的快速上漲僅僅導(dǎo)致氮?dú)馄骄鶅r(jià)格上升 4% 以上。顯然，運(yùn)輸成本在這里同樣發(fā)揮著重要作用。氮?dú)膺_(dá)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(yùn)輸?shù)膲嚎s氮?dú)?。大型用戶可獲得以管道方式運(yùn)輸?shù)牡獨(dú)?，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(jià)格上漲不會(huì)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(yuǎn)地區(qū)的用戶氮?dú)鈨r(jià)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(shí)減少氮?dú)馐褂昧康姆椒ㄖ皇强刂贫铓馀c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(dá)到氧氣濃度上限時(shí)會(huì)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(dá)到零值。事實(shí)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(huì)出現(xiàn)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。顯然，根據(jù)氧氣濃度控制氮?dú)獾某淙肓繒?huì)大大降低氮?dú)獬杀?。此外，測量儲(chǔ)罐頂部空間的氧氣濃度可以提供一個(gè)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(gè)閾值，它們均低于 LOC（干預(yù)下限）與干預(yù)上限。這兩個(gè)閾值均屬于控制氮?dú)鉀_洗的設(shè)定點(diǎn)。當(dāng)氧氣濃度達(dá)到干預(yù)下限時(shí)，氮?dú)饬鲿?huì)中斷。當(dāng)超過干預(yù)上限時(shí)，恢復(fù)充入氮?dú)?。這意味著在安全操作得到保證的同時(shí)，該惰性系統(tǒng)可使氮?dú)庀牧勘３肿畹退?。根?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(gè)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(zhǔn)確氧氣濃度的惰性化操作與工藝。不過對于儲(chǔ)罐氮封而言，問題則略微復(fù)雜，這是因?yàn)橹饕繕?biāo)依然是允許儲(chǔ)罐通氣，而這完全取決于頂部空間的體積變化。當(dāng)儲(chǔ)罐繼續(xù)泵吸產(chǎn)品時(shí)，僅僅是因?yàn)檠鯕鉂舛冗_(dá)到了設(shè)定點(diǎn)顯然是無法停止氮?dú)饬鞯?。如上所述，生成的真空?huì)嚴(yán)重?fù)p壞儲(chǔ)罐。這一問題可通過使用空氣替換部分氮?dú)獾姆椒ǖ玫浇鉀Q。再次重申，目標(biāo)不是使氧氣濃度達(dá)到零值。這樣就不必充入純氮，而是可以使用氮?dú)馀c空氣的混合物?，F(xiàn)場制氮技術(shù)的進(jìn)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(dá) 99.9% 的氮?dú)?。氧氣分析儀可確?？煽坎⑶医?jīng)濟(jì)有效的氮?dú)夤┙o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(huì)遇到阻力，原因通常與氧氣分析系統(tǒng)的高價(jià)格與操作成本相關(guān)。常規(guī)系統(tǒng)往往由一臺(tái)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(jìn)行樣品的前處理，并需要一臺(tái)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(jìn)行大量的維護(hù)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(jià)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(diǎn)
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(jì)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?dú)馀欧殴軆?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(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。無需使用特種校準(zhǔn)氣體，這是因?yàn)橹恍枋褂每諝膺M(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)即可保持探頭的準(zhǔn)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(jià)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(jìn)一步降低成本。不過，最具實(shí)惠的收益在于可節(jié)省大量的維護(hù)成本。梅特勒-托利多解決方案所需的唯一維護(hù)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。基本原理是化學(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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