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深冷空分氣體監(jiān)測(cè)方案
方案背景
空分裝置是以空氣為原料，通過(guò)物理分離工藝制取高純度氧氣（O?）、氮?dú)猓∟?）、氬氣（Ar）等單組份氣體的成套設(shè)備。
目前工業(yè)上主要采用深冷法、變壓吸附法（PSA）和膜分離法，其中深冷法是大型空分裝置的核心技術(shù)。其通過(guò)深度制冷使空氣液化，并利用O?、N?、Ar的沸點(diǎn)差異，在精餾塔內(nèi)逐級(jí)分離，得到高純度產(chǎn)品。
空分裝置能否安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，確保O?、N?、Ar等氣體達(dá)到目標(biāo)純度，生產(chǎn)過(guò)程中必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵工藝點(diǎn)的氣體成分。
在線氣體分析儀器可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的氣體直接進(jìn)行質(zhì)量控制監(jiān)測(cè)，是提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要手段，也是空分裝置安全運(yùn)行的重要保障（如主冷凝器液O2中的乙炔和其他碳?xì)浠衔锏暮糠e聚過(guò)量會(huì)引起爆炸），所以它在空分設(shè)備儀控系統(tǒng)中，占著十分重要的地位。
在線分析儀屬于高價(jià)值儀表，需合理規(guī)劃分析點(diǎn)布局和儀器選型，以平衡可靠性與投資成本。
應(yīng)用領(lǐng)域
工業(yè)氣體應(yīng)用十分的廣泛，冶金、石油、化工、采礦、食品、軍工、管道焊接、精密電子元器件焊接等行業(yè)均離不開(kāi)氣體參與到生產(chǎn)過(guò)程中。
方案解析
項(xiàng)目裝置
深冷空分工藝介紹
深度冷凍的工藝方式生產(chǎn)高純度的氧氣和氮?dú)狻Ｋ哂猩a(chǎn)成本低、產(chǎn)品純度高（氧純度可以達(dá)到99.65％O2，氮?dú)饧兌冗_(dá)到≤5×10-4％O2，氬純度達(dá)到≤2×10-4％O2，≤3×10-4％N2）、實(shí)現(xiàn)容易等特點(diǎn)。
其基本工藝流程：
空氣從空氣吸入塔進(jìn)入工藝系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)過(guò)濾和空氣壓縮機(jī)加壓后，進(jìn)入空氣預(yù)冷塔，用冷卻水對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，經(jīng)冷卻后的空氣送入純化系統(tǒng)（MS系統(tǒng)）。由于空氣是多組分混合氣體，除氧、氮和稀有氣體外，還含有水蒸氣，CO2，乙炔和其他碳?xì)浠衔铮⒑谢覊m等其他固體雜質(zhì)。這些進(jìn)入空分裝置會(huì)帶來(lái)較大的危害，水蒸氣和CO2會(huì)首先凍結(jié)析出會(huì)堵塞設(shè)備和氣體通道，乙炔和其他碳?xì)浠衔锟赡軙?huì)導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生。因此在空氣進(jìn)換熱器前需進(jìn)行純化，除去含有的雜質(zhì)，保證后序工段的安全。經(jīng)凈化的空氣在膨脹機(jī)中進(jìn)行膨脹，溫度急劇下降。在分餾塔系統(tǒng)中，經(jīng)前面工段加壓、凈化、膨脹的空氣將實(shí)現(xiàn)分離，最終得到氧氣和氮?dú)?。在現(xiàn)階段，氬氣等稀有氣體也是空分裝置生產(chǎn)的一種重要產(chǎn)品，很多大型空分裝置都設(shè)置有氬塔提取氬，一般主要由粗氬塔和精氬塔完成提氬。
深冷空分流程圖：
組件功能介紹
3．1空氣壓縮機(jī)組
空氣壓縮機(jī)組主要用來(lái)壓縮空氣，將空氣加壓到0.5~0.62MPa之間（依據(jù)空分容量不同，范圍會(huì)不一樣，一般由空分制造廠家提指標(biāo)），這也是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源。控制上通常采用空壓機(jī)出口壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)控制進(jìn)口導(dǎo)葉，實(shí)行恒壓控制。
3．2空冷系統(tǒng)
目前多采用無(wú)冷凍機(jī)流程，利用返流污氮具有吸濕性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)外界水與污氮之間的熱質(zhì)交換，以降低外界水的水溫，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的電耗。水冷卻塔及空氣冷卻塔的上段一般采用填料，從而實(shí)現(xiàn)了熱質(zhì)傳遞效率高、空氣處理量及操作彈性大的目的?？諝饫鋮s塔在進(jìn)塔水量相當(dāng)小的情況下，出塔空氣的溫度與上段進(jìn)塔冷卻水的溫差為≤1°C，這也是檢驗(yàn)整體設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求指標(biāo)之一。水冷塔在工作條件下會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)溫差，說(shuō)明空冷塔、水冷塔具有較高的效率。
3．3分子篩系統(tǒng)
通常也稱純化系統(tǒng)，其主要目的是將空氣含有的水蒸氣、CO2、乙炔和其他碳?xì)浠衔铮约昂谢覊m的其他固體雜質(zhì)吸附出來(lái)，保證后序工段生產(chǎn)的正常進(jìn)行。
3．4膨脹機(jī)系統(tǒng)
膨脹機(jī)組是空分設(shè)備中很重要的機(jī)組，膨脹機(jī)利用氣體絕熱膨脹時(shí)氣體溫度下降的原理為整個(gè)系統(tǒng)提供冷量而進(jìn)行工作，因此它的好壞直接影響到成套空分設(shè)備的性能。
3．5分餾塔系統(tǒng)
分餾塔系統(tǒng)都安裝在冷箱內(nèi)，分餾塔（也稱主塔）分為上塔和下塔，一般空分設(shè)備的上塔為填料塔，這樣能提高塔精餾的性能，運(yùn)行也更加可靠。而氬系統(tǒng)采用全精餾制氬。
冷箱中的過(guò)程由于在低溫下運(yùn)行，因此要限制法蘭使用，因?yàn)榉ㄌm結(jié)構(gòu)很有可能成為泄漏點(diǎn)。對(duì)于冷箱內(nèi)的大多數(shù)接點(diǎn)，如管道、低溫鋁制閥門，應(yīng)采用高強(qiáng)度的焊接結(jié)構(gòu)，使得冷箱內(nèi)的法蘭數(shù)量減少到最低限度，以防止泄漏。冷箱內(nèi)的塔體及主要管道，都采用高強(qiáng)度鋁合金材料，以增加強(qiáng)度、減少管道的扭變破壞。冷箱內(nèi)的三架(管架、閥架、容器支架)均采用不銹鋼，減少跑冷損失，增加強(qiáng)度。
板翅式換熱器是能量交換的場(chǎng)所，目前換熱器多采用大型真空釬接爐進(jìn)行釬接，釬焊質(zhì)量會(huì)更有保證，目前空分廠家大多從國(guó)外引進(jìn)了相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備。
工藝流程主要包括進(jìn)塔流程和精餾過(guò)程
1、精餾就是利用兩種不同物質(zhì)（氣體）的沸點(diǎn)不同，多次地進(jìn)行混合，蒸氣的部分冷凝和混合液體的部分蒸發(fā)的過(guò)程就叫做精餾。
2、空氣從純化系統(tǒng)過(guò)來(lái)，經(jīng)冷箱換熱與膨脹后空氣混合后進(jìn)入下塔底部，這部分氣體做為下塔的上升蒸氣。
3、下塔液氮的分離：下塔下部的上升蒸氣溫度要比下塔上部下流的液體溫度高，當(dāng)下塔的氣體每穿過(guò)一塊塔板就會(huì)遇到比它溫度低的液體，這時(shí)，氣體的溫度會(huì)下降，部分被冷凝成液體，下降的液體被部分氣化；由于氧的液化溫度最高，所以氧被較多的冷凝下來(lái)，最后下塔底部得到含氧大致為36%的液空。上升的蒸氣含氮濃度不斷提高。一次又一次的循環(huán)下去，到塔頂后，蒸氣中含氮純度可達(dá)到99.9%。其中部分氣體被引入主冷（主冷位于上塔底部），被上塔底部液氧冷凝成液氮后部分做為回流液回流下塔中部，再次精餾；還有一部分被送往上塔作為上塔的回流液。
4、上塔精餾：將下塔36%液空經(jīng)節(jié)流降壓后送到上塔中部，作為上塔精餾原料；與下塔精餾原理相同，液體下流時(shí)，經(jīng)多次部分蒸發(fā)和冷凝，氮?dú)廨^多的蒸發(fā)出來(lái)，于是下流液體中含氧濃度不斷提高，到達(dá)上塔底部時(shí)，可以獲得含氧99.9%的液氧；部分液氧作為產(chǎn)品抽出；由于下塔上升蒸氣（純氮?dú)猓灰胫骼淅淠?，所以它將熱量較多的傳給了液氧，致使液氧復(fù)熱蒸發(fā)作為上塔的上升氣；在上升過(guò)程中，一部分蒸氣冷凝成液體流下，另一部分蒸氣隨著不斷上升，氮含量不斷增加；到塔頂時(shí)，可得到99%以上的氮?dú)狻?/span>
測(cè)點(diǎn)序號(hào) | 工藝點(diǎn) | 測(cè)量量程 |
1 | 出凈化器空氣中CO2 | CO2 ：0-5/20ppm |
2 | 再生污氮中微量水 | H2O： 0-10/100ppm |
3 | 增壓膨脹空氣中水 | H2O： 0-10/100ppm |
4 | 液空中富氧 | O2 ：0-50/100% |
5 | 污氮中氧 | O2 ：0-5/10% |
6 | 產(chǎn)品氧純度 | O2 ：98-100% |
7 | 產(chǎn)品氮中微量氧 | O2 ：0-10ppm |
8 | 氬餾份中氬 | Ar：0-15% |
9 | 粗氬塔1頂?shù)难?/span> | O2 ：0-5/10% |
10 | 工藝氬中的氬 | Ar：80-100% |
11 | 粗氬塔2氬中微量氧 | O2 ：0-10ppm |
12 | 精氬中雜質(zhì)N2/O2/H2O /CH4/CO/CO2 | O2 ：0-10ppm/N2：0-2pm /H2O： 0-10/100ppm |
13 | 主冷凝器液氧中氧化亞氮 | C2H2：0-500ppb，0-5ppm，0-50ppm Total CnHm：0-10，0-100，0-1000ppm |
14 | 氧化亞氮N2O分析儀 | N2O：0-10/100ppm |
| 15 | 粗Ar塔Ⅱ出口粗Ar純度分析 | Ar：80-100% |
| 16 | 液氬中微量氧分析 | O2 ：0-10ppm |
4．1 出凈化器空氣中CO2
應(yīng)用：空氣是制取O2，N2，Ar的原料，空氣中大約有0.03%的CO2和一定的水分。由于H2O和CO2在低溫下會(huì)凝結(jié)為固體，將會(huì)引起管路堵塞影響操作，故必須在預(yù)處理工序中將其去除，所以在MS空氣凈化器出口要設(shè)置CO2分析儀，根據(jù)工藝要求CO2含量需控制在1ppm以下。
測(cè)點(diǎn)位：進(jìn)冷箱空氣中CO2分析或MS空氣凈化出口空氣中的CO2分析
4．2 再生污氮中微量水
應(yīng)用：凈化器中分子篩吸附劑吸附水分和CO2達(dá)到一定程度后，必須用加溫后的污N2氣進(jìn)行再生。如采用蒸汽加溫時(shí)，在蒸汽加熱器的污N2出口設(shè)置微量水分析器來(lái)監(jiān)視蒸汽加熱器是否泄漏，如有泄漏將嚴(yán)重影響凈化器的再生操作。此處污N2露點(diǎn)應(yīng)低于-75℃。
測(cè)點(diǎn)介質(zhì)條件：溫度約350K、壓力約0. 0124Mpa、污氮露點(diǎn)低于-75℃
4．3 增壓膨脹空氣中水
應(yīng)用：經(jīng)膨脹機(jī)增壓風(fēng)機(jī)增壓后的空氣，由于溫度上升故一般須經(jīng)水冷卻器冷卻后才能進(jìn)入冷箱，此處設(shè)置微量水分析儀來(lái)監(jiān)測(cè)水冷卻器是否泄漏。如有泄漏水分將直接進(jìn)入冷箱引起凍結(jié)事故。因此該處空氣露點(diǎn)應(yīng)低于-80℃。
測(cè)點(diǎn)位：進(jìn)冷箱增壓空氣中含水量分析（經(jīng)膨脹機(jī)增壓風(fēng)機(jī)增壓后的空氣）
4．4 污氮中氧
應(yīng)用：污N2是空分裝置大量排放的氣體，其中氧含量高低是衡量該空分裝置氧提取的重要指標(biāo)，也是該空分裝置操作好壞的重要指標(biāo)。隨著空分技術(shù)的進(jìn)步，氧提取率越來(lái)越高，污N2中含氧一般都在1%以下。
測(cè)點(diǎn)位：上塔污氮純度（①），出冷箱污氮?dú)饧兌确治觯á冢?/span>
測(cè)點(diǎn)介質(zhì)條件：
AE-6 溫度約80. 8K、壓力約0. 0362Mpa、組分約1%O2
AE-104 溫度約284K、壓力約0. 0163Mpa、組分約1%O2
選型：TW-A100
4．5 產(chǎn)品氧純度
應(yīng)用：除特氣外，一般要求產(chǎn)品O2純度≥99.6%，其分析目的是產(chǎn)品O2質(zhì)量的控制和檢驗(yàn)。因?yàn)榧兌群芨撸暨x用0-100%O2量程顯然是不合理的，一般均選用98-100%O2。因?yàn)榱泓c(diǎn)是98%，所以受大氣壓力變化的影響很大，必須進(jìn)行壓力補(bǔ)償。
測(cè)點(diǎn)位：空分裝置產(chǎn)品氧純度分析
4．6 產(chǎn)品氮中微量氧
應(yīng)用：產(chǎn)品N2純度一般要求≥99.999% 。由于不容易直接分析如此高純度的N2，所以分析其雜質(zhì)含量來(lái)確定N2的純度。產(chǎn)品N2中的雜質(zhì)主要是Ar和O2，另外還有微量的H2和烴類等，在線分析一般只分析O2雜質(zhì)，減去O2的含量，即認(rèn)為是N2的純度了。（除了分析產(chǎn)品N2氣中的微量O2外，有時(shí)工藝尚要求分析下塔純液N2中微量O2）。測(cè)點(diǎn)位：空分裝置中產(chǎn)品氮純度分析。
測(cè)點(diǎn)介質(zhì)條件：溫度約284K、壓力約12. 4 KPa、O2 < 10 ppm
選型：TW-A100
4．7 氬餾份中氬
應(yīng)用：Ar餾份是制造粗Ar的原料氣，檢測(cè)控制Ar餾份中Ar含量對(duì)指導(dǎo)氬塔和主塔的操作具有重要意義。氬餾份中N2≤0. 06%，因?yàn)镹2很少，可忽略不計(jì)，故只要分析Ar含量。
測(cè)點(diǎn)位：氬餾分中氬分析
4．8 粗Ar塔Ⅱ出口粗Ar純度分析
應(yīng)用：粗Ar塔Ⅱ出口的氣體成份組成是Ar≥98.5%，N2≤1.5%, O2≤2ppm。因?yàn)镺2含量極低，如忽略不計(jì)，則變成了兩組分氣體， 只要分析其中一種含量即可, 為了讀數(shù)方便, 以Ar濃度來(lái)顯示儀表分析值。
測(cè)點(diǎn)位：粗氬中氬含量分析
4．9 粗氬塔1頂?shù)难?/span>
應(yīng)用：無(wú)H2制Ar新工藝將粗Ar塔分為I塔和Ⅱ塔，Ar塔I粗精餾，使Ar中O2含量降到2%以下,為Ar塔Ⅱ精餾進(jìn)一步除去O2創(chuàng)造條件。
測(cè)點(diǎn)位：粗氬中氧分析
測(cè)點(diǎn)介質(zhì)條件：溫度約86. 7K、壓力約0. 043Mpa、Ar約 96%, O2約 2. 5%, N2約 1. 5%
選型：TW-A100
4．10 粗氬塔2氬中微量氧
應(yīng)用：粗Ar塔Ⅱ出口的氣體成份組成是:Ar≥98.5%, N2≤1.5%, O2≤2ppm. 在這里,產(chǎn)品Ar含氧量是重要的工藝控制指標(biāo)。
測(cè)點(diǎn)位：粗Ar塔Ⅱ出口粗Ar中微量O2分析
測(cè)點(diǎn)介質(zhì)條件：
溫度86. 7K、壓力0. 032Mpa、
Ar 98. 5%, N2 1. 5%, O2 < 5 ppm
選型：TW-A100
4．11 精氬中雜質(zhì)N2/O2/H2O/CH4/CO/CO2
應(yīng)用：高純Ar( Ar≥99.999%)中的雜質(zhì)主要有: O2, N2, H2, CnHm, H2O等, 其中H2, CnHm, H2O由工藝本身決定了它們的含量極低, 且非常穩(wěn)定, 所以, 與工藝操作的關(guān)系不大, 可以只對(duì)產(chǎn)品抽檢, 而不作在線監(jiān)控。 而O2, N2的含量則與工藝操作關(guān)系很大, 應(yīng)作在線分析監(jiān)控O2, N2均要求在2ppm以下。
測(cè)點(diǎn)介質(zhì)條件：溫度約284K、壓力約12. 4Kpa、O2 ≤5 ppm
選型：O2:TW-A100
4．12 主冷凝器液氧中碳?xì)浠衔锶M份
應(yīng)用：由于空氣中含有微量烴類, 如乙炔, 甲烷等碳?xì)浠衔? 這些物質(zhì)在主冷凝器液氧中積聚過(guò)量, 特別是乙炔過(guò)量, 容易引起爆炸, 威脅空分裝置的安全運(yùn)行, 因此連續(xù)監(jiān)控乙炔等碳?xì)浠衔锖烤惋@得非常必要了。
對(duì)于內(nèi)壓縮流程的測(cè)量選型：一臺(tái)總碳?xì)浞治鰞x
對(duì)于外壓縮流程的測(cè)量選型：一臺(tái)乙炔和總碳?xì)潆p組份分析儀
測(cè)點(diǎn)介質(zhì)條件：溫度約94. 4K、壓力約0. 05Mpa、O2≥99. 6 %， 碳?xì)浠衔锷倭?/span>
4．13 主冷凝器液氧中氧化亞氮
應(yīng)用：主冷凝器（尤其膜式）O2中N2O分析,空氣中含有少量N2O, MS空氣凈化器中13X分析篩只能吸附掉90%N2O, N2O在主冷凝器液氧中積聚, 容易固化阻塞換熱通道進(jìn)而會(huì)造成碳?xì)浠衔镌诰植繀^(qū)域的富集, 從而引起爆炸,因此連續(xù)監(jiān)控N2O含量非常必要。
測(cè)點(diǎn)介質(zhì)條件：溫度約94. 4K、壓力約0. 05Mpa、O2≥99. 6 %， 碳?xì)浠衔锷倭俊?/span>
4．14 液氬中微量氧分析
應(yīng)用：液氬中氧分析
測(cè)點(diǎn)介質(zhì)條件：溫度約92. 7K、壓力約0. 07Mpa、O2 <10ppm
選型：TW-A100
氣體分析儀表選型原則：
能準(zhǔn)確檢測(cè)各個(gè)工藝檢測(cè)點(diǎn)氣體產(chǎn)品的質(zhì)量
能及時(shí)輸出數(shù)據(jù)，以便及時(shí)反映和掌握各工序的工況變化狀況，以指導(dǎo)工藝
能正確檢測(cè)原料氣的品質(zhì)
能對(duì)純化后的氣體品質(zhì)能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求（GB/T 8979-2008《純氮》、GB/T 14599-2008《高純氧》、GB/T 4842-2017《純氬》）
儀器的穩(wěn)定性、精度等技術(shù)參數(shù)合格
儀器生產(chǎn)廠家有良好行業(yè)經(jīng)驗(yàn)、熟悉行業(yè)工況，能夠準(zhǔn)確選型
有完善的服務(wù)體系，售后及技術(shù)服務(wù)響應(yīng)及時(shí)；出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能第一時(shí)間給予服務(wù)支持或進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)
備品備件供應(yīng)穩(wěn)定、價(jià)格合適
有投產(chǎn)的項(xiàng)目應(yīng)用業(yè)績(jī)案例
儀器使用方便，售后維護(hù)量小
產(chǎn)品簡(jiǎn)介
深冷空分和制氣流程中5、7、9、11、12、16工藝點(diǎn)，O2是重點(diǎn)控制指標(biāo)，完全切合清聞TW-A100在線式分析儀分析指標(biāo)。清聞TW-A100型氧含量檢測(cè)儀，用于精確測(cè)量0-10ppm至0-25%氧濃度的高精度在線氧分析儀。采用行業(yè)前沿電路技術(shù)及先進(jìn)的精密電化學(xué)傳感器設(shè)計(jì)，確保儀器響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好的高性能表現(xiàn)。
儀表效果圖：
方案應(yīng)用
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