在线氧分析仪在PTA装置中的应用

郝天旭，李蓉

(中国昆仑工程公司，北京100037)

目前，在国内PTA装置中，主流工艺流程的氧化反应是以醋酸(HAC)为溶剂，以对二甲苯(PX)与压缩空气中的氧气(O2)为原料，在催化剂、促进剂的作用下，生成对苯二甲酸，并放出大量热的过程。

当氧化反应器中的物料在贫氧情况下进行反应时，生成的产品质量较差，含有较多的副产物。当反应器中氧体积分数逐渐上升时，表示反应向燃烧极限移动，虽然反应副产物减少，产品质量变好，但是作为溶剂的醋酸会由于剧烈燃烧而消耗过高，增加了产品成本，使装置经济性变差。并且在极端情况下，反应器还可能会发生内部火灾，导致产品变色，最终可能会损伤反应器内件和管道，甚至引起装置爆炸。氧化反应尾气中的氧体积分数是一个反映氧化反应剧烈程度的重要指标。因此，如何将尾气中的氧体积分数控制在一个既经济又安全的范围内，对PTA装置的安全、稳定、高效生产至关重要。

1 尾气组分

氧化反应生成的尾气成分比较复杂，且含有腐蚀性物质(醋酸、溴离子等)和微量固体颗粒。正常生产时，反应尾气经过换热，在温度99～120℃，采样压力1.1～1.3MPa(G)时，组分见表1所列。

表1 氧化反应尾气组分

2 在线氧分析仪选用

为保证装置安全稳定高效运行，必须使用测量准确、响应快速、性能稳定的氧分析仪对氧化反应尾气中的氧体积分数进行在线连续测量。考虑被测介质的组分、腐蚀性、氧体积分数测量范围以及工艺要求等特点，PTA装置通常选用磁导式氧分析仪。

磁导式氧分析仪是利用氧气具有极强的顺磁性这一原理进行测量。常见气体的体积磁化率k[1]见表2所列。

表2 常见气体的体积磁化率(0℃)

多组分气体的体积磁化率k可以粗略地看成是各组分体积磁化率的算术平均值，即：

式中：ki——混合气体中第i组分的体积磁化率；ci——混合气体中第i组分的体积分数。

由于含氧混合气体中(含大量氮氧化物除外)，除氧气以外的各组分气体体积磁化率都很小，数值彼此相差不大，且顺磁性气体和逆磁性气体的体积磁化率有互相抵消的趋势。因此，混合气体的体积磁化率基本上取决于氧气的体积磁化率及其体积分数[2]。

磁导式氧分析仪一般分为磁力机械式、磁压式和热磁式3种。热磁式氧分析仪虽然结构简单，但是极容易受到背景气黏度、热容、热导率变化的影响而产生测量误差，同时响应时间也较长，不适合在PTA装置上使用。磁压式氧分析仪虽然响应时间比较短且不受背景气物性的影响，但是需要长期消耗参比气体，而且容易受到样气污染导致测量误差，在PTA行业应用较少。相比于其他两种磁导式氧分析仪，磁力机械式氧分析仪具有较高的测量精度、分辨率、灵敏度和短的响应时间，并且不需要消耗参比气体，因而在PTA行业中得到广泛应用。

图1 磁力机械式氧分析仪测量原理示意

如图1所示，在一个封闭气室内的不均匀磁场中，1根金属悬丝吊着1对体积相同且充满氮气的空心球(称为哑铃球)，球外缠有电磁反馈线圈。哑铃球只能以金属悬丝为轴旋转，在哑铃球与金属悬丝的交点处装有1个平面反射镜。

当含有氧气的样气进入气室流过不均匀磁场时，样气中所含的氧气分子会受磁场吸引朝向磁场强的方向移动，使处在磁场强度高的磁极中心气体比外面气体密度高，即磁极中心的气体压力高于外面的压力，该压力差推动哑铃球结构偏转。光源照在平面反射镜上的光因为此偏转，导致原光平衡的两块光电池上的光照不相等而产生差动信号。该差动信号输入至缠在哑铃球外的电磁反馈线圈，产生反馈力矩来平衡哑铃球在磁场作用下的转动力矩，直到平衡为止。哑铃球偏转产生的差动信号与氧气体积分数呈线性关系，信号经过测量放大器后输出至仪表指示，即表示氧气的体积分数值[3]。

3 样品处理系统的构成

样品处理系统是为分析仪创造良好使用条件的专用设施，是决定分析仪表能否正常、精确、稳定长期运行的前提。针对PTA装置氧化反应尾气组分以及温度、压力、腐蚀性等特点，在线氧分析仪样品处理系统一般分为采样探头及减压装置、前级样品处理装置、后级样品处理装置，如图2所示。

图2 样品处理系统的构成示意

3.1 采样探头及减压装置

高压样气在取样点就地减压有利于保障后面样气处理系统的安全和降低系统成本。因而选用了φ6mm钛材取样探针，探针顶端带有坡口，插至管道中心处附近，以采取具有代表性的介质。探针还带有加强保护套管，使采样管在高温高压的介质冲击下能保持足够的强度。

3.2 前级样品处理装置

减压后的尾气样品进入前级样品处理装置，首先采用水洗过滤方式，有效地除去其中的对苯二甲酸颗粒、醋酸、溴甲烷及其他杂质，保证经过处理后的样气清洁、有代表性并且待测组分及体积分数不受影响。水洗降温之前所有与样气接触的样品传输管线、管阀件接头等均使用钛材。水洗后的样气再经过冷却器和汽水分离，并且通过现场高达8m的水封，保证压力稳定在80kPa(G)以内，然后传送至后级样品处理装置，这样既可以保证响应速度满足工艺要求，又可以保证压力稳定及整个系统的安全。

3.3 后级样品处理装置

经过前级样品处理装置处理后的样气，经连续倾斜向下的不锈钢管路进入分析小屋外的后级样品处理装置。首先经过旋风制冷器进一步降低样气的温度，防止样气进入分析小屋后凝结，过滤后的样气经流量调节控制后进入分析小屋内的氧分析仪进行测量。为了保证分析系统的响应速度，在样气进入分析仪表前，还设计了快速排放管线，通过提高采样系统的流量来提高样气流速，从而缩短系统响应时间。

4 注意事项及误差分析

分析仪在使用过程中，由于使用环境的变化或操作人员的标定维护等操作，会造成测量误差，甚至各种故障的发生，因而在设计过程中需注意以下几点：

1) 样气温度变化。在实际应用中，样气温度变化造成仪表输出值改变的影响比理论推导出的结论严重。实验证明，在常温情况下气体温度每变化1℃，短时间偏差可达0.02%～0.05%，随着时间的延长和温度的升高，温漂现象更加严重[4]。因此，温度变化是测量误差产生的重要原因之一。磁力机械式氧分析仪内的检测器通常设置温控系统，采取恒温措施(一般设定为60℃左右)，温控精度在±0.1℃以内。

2) 样气压力变化。由于样气压力变化引起的测量误差通常分为两种情况： a) 由于工艺系统压力的变化引起的样气压力波动[4]。在PTA装置中采样处理系统采取了一级减压、两级水封稳压的方式来消除工艺系统的压力波动。b) 由于样气测量后直接放空，大气压力的变化导致检测器中的样气压力发生变化，从而影响仪表输出值。在同一地点，季节或气候变化引起的气压改变一般来说是很微弱的，通常对测量误差的影响可忽略不计。由生产地点和使用地点因大气压力差异带来的影响，只需在仪表投用前重新校准即可，但是在使用高精度氧分析仪时应考虑压力补偿措施。

3) 样气流量变化。样气流量会引起较大的测量误差，当流量波动10%时，仪表输出值误差可达1%以上。为了减少这种影响，在分析仪样品处理系统中需要加装稳流装置来减小流量波动的影响。

4) 采样处理导致的背景气成分变化。样品处理系统的作用之一是将样气中的水分和腐蚀性气体去除，以避免对检测器造成损坏。但是如果去除的组分体积分数过高，势必会导致样品组分发生改变。顺磁式氧分析仪是基于对磁化率的直接测量并且通常是使用不含氧的氮气作为零点气进行标定。大体上，除氧气之外绝大部分气体都呈弱反磁性。在PTA装置中，虽然氧化尾气中不含氮氧化物等干扰较强的顺磁性气体，但是由于背景气中其他气体仍然可以造成微小的磁化率影响(相对于氮气来说)。该种影响在背景气经过样品处理系统之后由于组分变化而影响更大了，从而造成一定的测量误差。该情况下，就需要根据背景气组分查阅仪表常用数据手册中“背景气体对顺磁式氧分析仪的零点偏差系数”或者仪表厂家给出的“不同温度下的气体零点偏移常数”来进行修正。

5) 振动及电磁干扰。无论是短时间的剧烈振动还是轻微的持续振动都会削弱磁性材料的磁场强度[2]。因此，虽然通常该类仪器的检测器敏感部件都安装在防振装置中，但是分析仪表本身还是需要避免任何形式的振动。同时还要注意避免分析仪内部的光学组件被电气线路穿过，防止电磁干扰。目前在PTA装置中，分析仪表通常都安装于现场分析小屋内以屏蔽可能存在的振动和电磁干扰。

5 结束语

分析仪使用效果的好坏，与样品处理系统的日常维护、分析仪零点和量程的定期标定有着密切关系。如果维护不及时，氧体积分数控制不稳定，可能会影响产品质量甚至造成装置停车。氧分析仪的合理选用与正确维护是PTA装置安全、稳定、高效运行的重要保障。

参考文献：

[1] 王森，纪纲．仪表常用数据手册[M]．北京： 化学工业出版社，2006： 85-87，290-291．

[2] 王森，董镇，郭肇新，等．在线分析仪器手册[M]．北京： 化学工业出版社，2008： 110-129．

[3] 陆德民，张振基，黄步余，等．石油化工自动控制设计手册[M]．3版．北京： 化学工业出版社，2000： 179-182．

[4] 王红红，张英杰．磁氧分析仪在克劳斯硫磺回收中的应用[J]．化工自动化及仪表，2013，40(10)： 1252-1254，1280．

[5] 黄步余，李丽华．SH 3005—1999 石油化工自动化仪表选型设计规范[S]．北京： 中国石化出版社，l999： 17-20．

[6] 王子平，周懋忠．SH/T 3104—2000 石油化工仪表安装设计规范[S]．北京： 中国石化出版社，2000： 18-19．

[7] 王笑，张媛媛，邱献文．SH/T 3521—2007 石油化工仪表工程施工技术规程[S]．北京： 中国石化出版社，2007： 19-23，29．