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深圳市淇安科技有限公司作者
反應釜內氧含量分析儀是一個用于精確、連續(xù)（或在線）測量反應釜內部氣相空間中氧氣濃度百分比（通常以 % O2 或 ppm 表示）的關鍵過程安全與控制設備。
它的存在至關重要，主要原因包括：
1. 過程安全：
o 防爆防火：氧氣是強氧化劑。在存在可燃氣、有機物粉塵或易燃溶劑的環(huán)境中，高氧含量極大地增加了爆炸和火災的風險(尤其是在LEL下)。嚴格監(jiān)控氧含量對于控制在安全操作窗口內至關重要(通常是惰化，如用N2或Ar氣保持低氧狀態(tài))。
o 氧化反應控制：對于需要嚴格控制氧氣的放熱氧化反應(如某些化工合成)，氧濃度直接影響反應速率和熱量產生。偏離設定值可能導致反應失控、產物降解或危險副產物。
o 惰化保護：確保在開蓋操作(如加料、放料、檢查)前或停機期間，氧氣含量已降低到安全水平(通常<8% O2或更低，取決于工藝)。
2. 產品質量控制：
o 防止氧化變質：某些原料、中間體或產品對氧氣敏感，接觸氧氣會導致降解、變色、異味或活性降低(如食品、藥品、精細化學品生產)。精確的惰化保護是保持產品質量的必要條件。
o 特定反應條件：某些合成或發(fā)酵工藝需要特定嚴格的氧分壓作為反應參數(shù)，超出范圍影響收率和副產物生成。
核心組成與測量原理
分析儀通常由兩部分組成：
1. 傳感器 (Sensor / Probe):負責直接或間接測量氧氣濃度。常用技術包括：
o 電化學 (Electrochemical):測量氧氣在特定電解液中通過擴散膜進入傳感器后進行電化學反應產生的微電流(與氧濃度成正比)。有原電池和恒電壓電解池兩種主要形式。優(yōu)點是結構簡單、初期成本低、多數(shù)設計本質安全；缺點是傳感器壽命有限(2-4年，取決于使用環(huán)境)、易受交叉氣體污染、需要校準、響應相對較慢、輸出可能會漂移。需定期更換傳感器。
o 激光光譜式 (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy - TDLAS 或 Laser):基于特定波長的近紅外激光穿過氣體后被氧分子選擇性吸收的特性進行測量。分非接觸的原位(直接插入或法蘭安裝)或旁路抽取式(通過采樣池)。優(yōu)點是非接觸測量(對于腐蝕、高溫或易污染介質尤其有利)、響應快(可達秒級)、精度高、校準周期長、維護量相對小、壽命長(無消耗件)；缺點是初期投資成本通常較高，受粉塵和某些背景氣干擾程度視具體設計而定。
2. 變送器/控制器 (Transmitter/Controller):
o 接收傳感器的信號(通常是電壓、電流或數(shù)字信號)。
o 將信號轉換為具體的氧氣濃度值(% O2 或 ppm)。
o 提供顯示(本地或遠程顯示)。
o 輸出標準信號(如4-20mA、Modbus、等)到PLC/DCS系統(tǒng)。
o 設置報警點(高限、高高限、低限)，觸發(fā)安全聯(lián)鎖(如自動充入N2、停攪拌、排空)。
o 存儲數(shù)據、支持校準功能、提供診斷信息。
安裝方式
· 旁路抽取測量式 (Extractive)：用采樣泵通過采樣管(伴熱防止冷凝)從反應釜頂部采樣點將氣體抽出，經過預處理系統(tǒng)(除塵、除水/除濕、減壓/增壓、穩(wěn)流)后送入放置傳感器的分析小室/池中進行測量。電化學、順磁傳感器常應用此法。優(yōu)點是預處理可以更好地保護傳感器；缺點是響應較慢(受管道長度、氣速影響)、潛在泄漏風險、需要復雜預處理環(huán)節(jié)。
關鍵考慮因素（選型與應用）
· 測量范圍：根據工藝要求和安全目標確定(如0.01%-25% O2, 0-100%, 0-1000 ppm 等)。
· 精度與分辨率：反應釜過程控制和安全通常要求較高精度(如 ±0.1% O2或更好)。
· 響應時間 (T90)：尤其對于安全控制和高要求過程控制至關重要(秒級～數(shù)十秒)。
· 過程條件：溫度、壓力、物料性質(是否有腐蝕性氣體？是否有顆粒粉塵？溶劑蒸汽是否飽和？)。
· 介質組分：是否存在會干擾所選傳感器技術的氣體？(如電化學傳感器可能受H2S、酸氣影響或中毒；順磁和激光一般抗干擾強很多)。
· 安全要求：
o 危險區(qū)域認證：安裝在反應釜上的傳感器和分析儀必須符合防爆等級，通常是防爆外殼型或本質安全型。
o 安全完整性等級 (SIL)：如果需要達到一定的SIL等級(SIL1，SIL2)，則整個測量回路(從傳感器到變送器到安全邏輯解算器)都需要符合SIL認證要求。
· 校準要求：所有傳感器都需要定期校準(手動或自動)，校準頻次和方式影響維護成本和可靠性。激光型(TDLAS)和高質量順磁型校準周期通常最長。有些可在線校準或原位校準。
· 維護：易損件(主要是電化學傳感器、濾芯、采樣系統(tǒng)泵/閥)、更換周期。
· 防護等級：傳感器和變送器外殼的防塵防水等級(如IP65, IP67)。
· 樣本調理（僅抽取式）：抽取系統(tǒng)通常需要復雜的預處理(過濾、除濕/制冷、穩(wěn)壓、流控)。
總結
反應釜內氧含量分析儀是工藝安全和產品質量保證的核心裝備。選擇合適的技術(順磁、電化學、激光TDLAS)、正確的安裝方式(原位或抽取)并配合完善的預處理系統(tǒng)(如需要)，結合符合危險區(qū)域和SIL等級要求的設計，才能可靠地監(jiān)控氧含量，實現(xiàn)及時、有效的安全聯(lián)鎖和生產工藝控制。持續(xù)的維護與校準是確保其長期精確運行的基礎。
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