适用于空气分离装置的气体分析解决方案

空气分离装置播客文字稿

DB：
欢迎收听 ASU 播客。我叫 Douglas Barth，加入 Servomex 大约五年了。我在仪表行业工作了二十多年。最初我从事的是 X 射线荧光分析仪，用于重金属和危险废弃物排放的测量，应用领域包括燃煤电厂和污水处理。之后我进入了半导体市场，与 Pall Corporation 合作推出了……用于水分测量的解决方案。后来我并没有离开仪表行业，而是寻找一家 100% 专注于仪表的公司，并于 2018 年中后期加入了 Servomex 集团。今天我也很高兴能与 Chris Davis 一起交流。他是英国团队的产品经理，隶属于 Servomex 的 P&S 业务单元。Chris，你在 Servomex 工作多久了？

CD：
谢谢你，Doug。我在 Servomex 工作将近 10 年了。一开始我在真正的“发动机房”里工作，参与制造 Servomex 的部分产品，也在我们的应用团队工作过。正如你所说，现在我是纯度与特种气体业务组的产品经理之一。

DB：
那么 Chris，空气分离装置是 P&S 业务组的核心应用之一。我们为客户提供一站式的仪表解决方案，满足空气分离装置市场中质量、纯度和过程控制所需的全部测量需求。空气分离装置并不完全相同。有些装置服务于 P&S 业务单元以外的特定细分市场。空气分离装置可以为工业或城市提供通用气体，包括医用气体和工业气体。有时它们专门服务于钢铁制造行业，直接建在工厂旁，通过管道输送氮气、氧气和氩气等气体。污水处理、石化、半导体等应用也都离不开空气分离装置，而且通常就建在这些行业附近。Chris，ASU 还有哪些用途？

CD：
空气分离装置在半导体行业中同样非常重要。所有半导体工厂几乎都会在现场建有专用的空气分离装置，通常就在工厂旁边。这些工厂对气体质量的要求，与钢铁制造等行业有着明显不同。

稍微回顾一下空气分离的历史。最早的空气低温精馏可以追溯到 1892 年，当时爱尔兰的一家啤酒厂向 Carl von Linde 提出需求，希望建造液化 CO₂ 装置，用于啤酒的强制碳酸化。这促使 Linde 开始思考空气中各组分不同的沸点。最初是氮气和氧气。到了 1910 年代，Linde 开发并申请了用于分离氮气和氧气的双塔工艺专利。直到今天，这种双塔结构的变体仍在使用。这可以说是空气分离技术的起点。当然，自那以后，技术已经发生了巨大变化。接下来我们可以更详细地看看整个工艺过程。

DB：
好，我们来深入讲讲。Chris。我也查到了一些资料，发现 Carl von Linde 在德国、瑞士、英国都有专利，最后还在美国申请了专利。显然，他身边有一位非常精明的商业伙伴，将技术布局在当时的新兴市场中。

CD：
没错。他确实是一位非常精明、非常聪明的人。

DB：
那我们就来向大家讲讲他有多聪明。我曾在 Pall Corporation 工作，那是一家在过滤、净化和分离领域非常强大的公司。他们参与了空气分离装置前端的关键环节，也就是吸入大量环境空气，并将其中的颗粒物全部过滤掉。

他们还负责分子筛系统，用于吸附一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物和水分。这些步骤都必须在空气分离装置开始吸入并通过大型涡轮鼓风机压缩空气时完成。为此，需要测量空气中的碳氢化合物含量。我看到我们的 FID 和 Chroma 都应用在这一环节。Chris，这两款仪表都是你负责的。在压缩机后的第一个测量点，为什么会在 Chroma 和 FID 之间进行选择？

CD：
这是个好问题，Doug。这主要取决于环境条件。如果装置建在重工业区域，大气中可能含有较高浓度的碳氢化合物，那么巨大的进气量就会带入大量不同类型的碳氢化合物。我们生产的 SERVOPRO FID 是一款非常优秀的总烃分析仪。但在某些情况下，客户希望获得更具体的信息，例如甲烷含量，或者乙炔的具体浓度。因为不同的碳氢化合物对过程控制和后续阶段的安全限值有着不同的影响。

如果需要更高的组分分辨能力，就需要选择 SERVOPRO Chroma，这是一款气相色谱类分析仪。而对于相对简单的应用，SERVOPRO FID 作为火焰离子化检测器，只测量总碳氢化合物就已经足够。整个过程中都需要对这些组分进行监测，以防止在后续阶段出现危险情况。

DB：
明白了。也就是说，不同工厂所在地的一般空气质量差异，会影响前端仪表的选择。另一个因厂而异的因素，是压缩之后所使用的分子筛类型和吸附能力，用于去除杂质，防止其进入工艺流程并混入产品中。

CD：
是的。分子筛之后，我们通常还会进行额外的测量，再次检查碳氢化合物含量。同时还要测量水分，例如使用 AquaXact 1688，在进入精馏过程之前监测水分含量。此外，我们也会在吸附器之后测量 CO₂ 含量，对吧？

DB：
没错。必须确保 CO 和 CO₂ 在进入换热器之前已被分子筛有效去除。说到换热器，在 ASU 启动初期，并没有液氧、液氮或液氩可用于换热并汽化。因此，在启动阶段，需要某种制冷剂来启动整个过程。随后系统会逐步形成一种“自循环”的状态。

进入的空气被冷却到大约零下 200 摄氏度，并在进入高压塔底部时稍微膨胀。这种膨胀利用了焦耳–汤姆逊效应，这也是 Carl von Linde 所借鉴的重要物理原理之一，使空气分离或低温精馏得以实现。

经过压缩、净化并充分冷却的气体仍然是气相状态，随后进入低压塔。整个过程依赖于一系列阀门、回流和氧、氩、氮产品在精馏塔内的循环。在高压塔底部，会抽取一个过程流。Chris，我记得你跟我说过，那里的氧气浓度大约是 50%。

CD：
是的，那是富氧液体，聚集在高压塔底部，然后被送入位于其上方的低压塔顶部附近。同时，在高压塔中也发生分离。氮气从底部液相中汽化，并在接近塔顶时，被低压塔底部积累的液氧冷却，从而重新冷凝成液态氮。液氮可以作为最终产品抽出，并进行分析，我们稍后也会谈到这一点。

DB：
所以实际上这是两个塔合为一体，而不是单一的精馏塔。在高压塔顶部得到的是液氮，并被抽出用于储存。

CD：
是的，液氮被送去储存。

DB：
客户非常关心液氮中氧气的含量，因为他们希望产品尽可能纯净。在这一点上，会使用 MonoExact DF310E 来测量液氮中百万分之一甚至低于 1 ppm 的氧含量，同时也会使用 MultiExact 4100。

CD：
在痕量氧测量方面，确实有两种选择。一种是采用库仑传感技术的 MonoExact DF310E，另一种是使用氧化锆电池的 MultiExact 4100。

DB：
水分看似不是杂质，但在医疗应用中却非常关键。在欧洲药典中，水分必须低于 67 ppm。AquaXact 1688 可与 MultiExact 4100 或 MonoExact DF310E 连接，实现这一测量。因此，在液氮储罐上，可以非常顺畅地完成这两项测量。

随后，在储罐之后也会进行同样的测量。即使在进入储罐前已完成检测，但由于法规和客户要求，如果液氮需要通过槽车运输，就必须再次验证离开储罐并进入槽车的产品质量是否一致。因此，在这里同样会看到 MultiExact 4100 或 MonoExact DF310E，用于测量痕量氧和水分。Chris，这里同样也会用到 Chroma。

CD：
如果是为半导体工厂供气，或者供气点较为偏远，那么通常需要对所有潜在杂质进行全面分析。SERVOPRO Chroma 几乎可以完成所有这些测量。它可以测量氮气中的氩含量，也可以测量 CO₂、氢气，甚至氧气。如果客户希望只用一台分析仪，Chroma 几乎可以胜任所有任务。

DB：
太棒了。这就是液氮部分。在高压塔中，我们抽取大约 50% 浓度的液氧，经过再次净化后送入低压塔顶部。同时，从高压塔顶部抽取液氮。之后，其余产品基本都来自低压塔，对吗，Chris？

CD：
是的。低压塔中继续发生分离反应。氧气在塔底积累，氮气在塔顶汽化，最终在塔顶得到气态氮，可通过管道输送给本地用户。在离开过程时，还会发生换热，极冷的最终产品与进入系统的环境空气进行热交换。

顺便提一下，在低压塔底部积累纯氧的地方，N₂O 和 CO₂ 的浓度有可能增加。虽然在进入过程前已经去除了大部分杂质，但随着时间推移，这些杂质可能在低压塔液相中富集。因此，在低压塔中测量 CO₂ 和氧气是非常关键的安全测量。

DB：
在低压塔中，液氧从塔底抽出并送往储存。在现场储存，用于槽车灌装。在这里，MultiExact 4100 会采用顺磁技术来测量氧气纯度。

CD：
没错，使用 MultiExact 4100 的顺磁技术进行 100% 氧气分析。

DB：
如果需要确保医用液氧质量，还可以使用 Gfx 传感器测量 CO 或 CO₂。

CD：
是的。MultiExact 4100 符合欧洲药典对氧气中一氧化碳和二氧化碳测量的要求。

DB：
规则在某些情况下会有所不同。如果是直接从液氧汽化用于医疗用途，只需进行纯度测量。但如果将液氧汽化后，与其他气体混合并灌装成小型医用钢瓶，就必须测量纯度以及所有杂质，包括碳氢化合物、CO、CO₂ 和水分。

CD：
这一点非常重要。

DB：
这就是为什么市场上会提到“商用气体站”或“瓶装气体”设施。这些也是我们仪表的另一类应用。

液氧部分介绍完了。接下来，在低压塔底部，如果液氧被送往换热器以维持系统循环并冷却进入的空气，它会吸收热量并汽化。在这里，又会看到 FID 和 Chroma。

CD：
是的。我们再次关注碳氢化合物含量。如果气体被输送给半导体行业等用户，对纯度有严格要求。进入用户端之前，需要确保气体质量合格，否则后端净化器会更快耗尽。因此，在装置出口处，我们使用 SERVOPRO Chroma 对总杂质进行测量。

DB：
MultiExact 4100 同样在这里测量氧气纯度，并可使用 Gfx 测量 CO、CO₂ 或甲烷。它还可以连接氧化铝传感器，测量气态氧中的水分。

这些管道可以延伸到城市各处。我曾在德国科隆参观过一家 ASU 客户，他们在墙上展示了庞大的地下管道网络，为整个城市的工业、医疗和制药行业供气，非常震撼。

现在我们谈到了液氮和液氧。接下来是氩气，这部分通常是最复杂的，因为氩气在大气中的含量只有大约 1%。

CD：
没错。这也是偏离 Carl von Linde 原始双塔工艺的地方。直到 20 世纪 80 年代，塔板技术的改进才使氩气的商业化分离成为可能。在低压塔中的某个区域，氮、氧和氩的比例使得氩气含量达到大约 15%，可以被抽出并送入所谓的粗氩塔。

此时，气体中大约有 85% 的氧气，氮气含量非常低，通常在几百到一千 ppm 左右。控制这一过程的关键是测量氮气。在氧气和氩气背景中测量 ppm 级氮气并不容易，但使用气相色谱技术，SERVOPRO Chroma 可以胜任这一任务。

DB：
同时，MultiExact 4100 在这里测量氧气百分比，用于过程控制。令人惊叹的是，在零下 200 摄氏度左右，通过几十摄氏度的温差，就能分离出我们呼吸空气中的各个组分。

在粗氩塔之后，顶部会排出氮气，并进一步分离和冷凝氩气，送入纯氩塔。在进入纯氩塔之前，会使用 MonoExact DF310E 测量痕量氧，以确保进入纯氩塔的氩气尽可能不含氧。

CD：
是的。在粗氩塔中，我们将底部积累的液氧送回主精馏塔，将顶部的气态氮也送回系统。同时，我们通过分析仪控制氧气含量，避免氧气进入纯氩塔。纯氩塔的主要任务是去除最后残留的氮气。

进入粗氩塔时，氮气可能只有 100 到 1000 ppm，但在将氩气从 15% 提升到 99% 以上的过程中，氮气会被浓缩，通常可达到约 5%。纯氩塔的作用就是去除这部分氮气。

DB：
MultiExact 4100 同样可以安装在粗氩塔与纯氩塔之间，使用氧化锆测量痕量氧，并通过连接氧化铝传感器测量水分。在纯氩塔之后，同样会进行这些测量。此时还会看到 Plasma 和 Chroma。

CD：
是的。液氩的质量测量通常使用 SERVOPRO Plasma 在线分析仪，用于测量氩气中的氮，最低可达 1 ppm。如果需要更复杂的分析，例如不仅关注氮气，还关注其他杂质，那么 SERVOPRO Chroma 就可以提供全面分析。在液氩储存前后，以及装车前，也都会进行同样的质量测量。

DB：
我经常听到业内人士说，如果过程出现波动，他们会利用这些测量结果在产品进入储罐前将其放空，因为一旦污染储罐或客户储罐，将是“致命的”。这意味着需要回收产品、清洗储罐并重新充装，客户生产将被迫停机。

在液氩储存后，还有一条工艺线将液氩汽化为气态氩，并再次进行关键测量，包括使用 MonoExact DF310E 或 MultiExact 4100 测量痕量氧，同时使用 Chroma 进行杂质分析。

CD：
是的。这是为了满足高端用户的质量要求，确保输送到终端用户的气态氩符合合同约定的质量标准。

DB：
这就是 ASU 从始至终的完整流程。从环境空气进入系统，到压缩、净化、冷却、精馏，再到液氮、液氧和液氩的生产、储存、装车以及通过管道向用户供气。在整个过程中，都需要大量的过程控制、质量和安全测量。

Chris，还有什么想补充的吗？

CD：
我想在 30 分钟的播客里，我们已经涵盖了空气分离装置能讲的大部分内容。

DB：
很高兴与你交流，Chris。希望疫情结束后能尽快当面见到你。在此之前，祝你下午愉快。

CD：
感谢大家的收听和时间。也谢谢 Doug 带领我们完成这次旅程。提醒大家，可以访问 servomex.com，了解更多关于空气分离装置以及我们提供的各类分析仪。