氮封與惰性化操作中氧氣濃度測量
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風(fēng)險
設計或維護不當的氮封系統有可能導致嚴重事故發(fā)生。如果說(shuō)所有的氮封系統均會(huì )出現這樣或那樣的泄漏則并不言過(guò)。由于其結構復雜，帶有活動(dòng)組件、包裝與密封件的閥門(mén)容易發(fā)生故障。出現故障的壓力變送器會(huì )記錄錯誤的頂部空間壓力，從而導致氮氣消耗過(guò)高。當氮封閥無(wú)法充分打開(kāi)時(shí)，氮氣的流入量將會(huì )變得過(guò)低，從而導致頂部空間壓力下降，進(jìn)而造成儲罐內爆或者空氣泄漏至儲罐當中。如前所述，這些情況會(huì )對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響，根據存儲產(chǎn)品的不同，還會(huì )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(lái)越高，全球范圍內使用氮封工藝越來(lái)越多，進(jìn)而使用氮氣的數量開(kāi)始增多。由于各種原因，全球對于氮氣的需求量開(kāi)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(huì )對價(jià)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(jià)格的快速上漲僅僅導致氮氣平均價(jià)格上升 4% 以上。顯然，運輸成本在這里同樣發(fā)揮著(zhù)重要作用。氮氣達到最終用戶(hù)現場(chǎng)的方式有著(zhù)明顯不同。小型用戶(hù)可獲得采用汽缸或散裝罐方式運輸的壓縮氮氣。大型用戶(hù)可獲得以管道方式運輸的氮氣，但是這種基礎設施僅限于重型工業(yè)區。其他用戶(hù)則選擇自建制氮廠(chǎng)。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(hù)，尤其是位于較為偏遠地區的用戶(hù)氮氣價(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，當達到氧氣濃度上限時(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(wú)需達到零值。事實(shí)上，所有溶劑均存在著(zhù)所謂的氧氣濃度限制。低于這一濃度限制則不會(huì )出現爆炸風(fēng)險。顯然，根據氧氣濃度控制氮氣的充入量會(huì )大大降低氮氣成本。此外，測量?jì)揄敳靠臻g的氧氣濃度可以提供一個(gè)重要的安全參數。
圖 1：采用基于氧氣濃度的調節方式常規控制惰性化工藝中的 O2
目標為防止氧氣濃度超過(guò)所謂氧氣濃度限制 (LOC)，這僅適用于經(jīng)過(guò)氮封處理（另被稱(chēng)為 MOC 或最高氧氣濃度）的各種產(chǎn)品。這些特定值可在 CHEMSAFE 等數據庫中找到。出于安全起見(jiàn)，確定有兩個(gè)閾值，它們均低于 LOC（干預下限）與干預上限。這兩個(gè)閾值均屬于控制氮氣沖洗的設定點(diǎn)。當氧氣濃度達到干預下限時(shí)，氮氣流會(huì )中斷。當超過(guò)干預上限時(shí)，恢復充入氮氣。這意味著(zhù)在安全操作得到保證的同時(shí)，該惰性系統可使氮氣消耗量保持最低水平。根據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。該系統由一套氧氣分析儀系統、一個(gè)PLC、一只氮封調節器、一只通氣閥和一只安全泄放閥等部件構成。
這種方法適用于大多數需要準確氧氣濃度的惰性化操作與工藝。不過(guò)對于儲罐氮封而言，問(wèn)題則略微復雜，這是因為主要目標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。當儲罐繼續泵吸產(chǎn)品時(shí)，僅僅是因為氧氣濃度達到了設定點(diǎn)顯然是無(wú)法停止氮氣流的。如上所述，生成的真空會(huì )嚴重損壞儲罐。這一問(wèn)題可通過(guò)使用空氣替換部分氮氣的方法得到解決。再次重申，目標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場(chǎng)制氮技術(shù)的進(jìn)步可使得這一操作變得更加簡(jiǎn)單。使用膜過(guò)濾器或分子篩類(lèi)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?？煽坎⑶医?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(huì )遇到阻力，原因通常與氧氣分析系統的高價(jià)格與操作成本相關(guān)。常規系統往往由一臺萃取式氧氣分析儀構成，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，并需要一臺用于拖拉樣品的泵、接管、閥門(mén)、過(guò)濾器、冷卻器、加熱器、干燥器等設備。簡(jiǎn)言之，由于系統復雜并且分析儀易受損壞，因此需要進(jìn)行大量的維護工作，并出現故障的可能性很高。除了導致投資成本極高的所有外部設備之外，分析儀自身價(jià)格也很高。因此，許多用戶(hù)不情愿安裝此類(lèi)系統控制覆蓋操作的做法可以令人理解。
直接在線(xiàn)測量的優(yōu)點(diǎn)
而這種解決方案則更加簡(jiǎn)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(wú)需使用樣品處理系統。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，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(guò)程的情況下縮回傳感器，具有便于校準等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)需使用特種校準氣體，這是因為只需使用空氣進(jìn)行單點(diǎn)校準即可保持探頭的準確性。在非常重要的應用當中，可出于提高安全性以及自檢的目的在系統上安裝附加氧氣傳感器。
與傳統萃取式分析儀技術(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(wú)需使用采樣與樣品處理系統，因此可進(jìn)一步降低成本。不過(guò)，最具實(shí)惠的收益在于可節省大量的維護成本。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(yáng)極之間的生成電流。
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