在線氣體分析儀在乙烯裂解裝置中的應(yīng)用

孫繼鋒 張 劍 馬 琪

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

乙烯是石油化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原料之一，由乙烯裝置生產(chǎn)的乙烯、丙烯、丁二烯，是生產(chǎn)各種有機(jī)化工原料和三大合成材料（合成樹脂、合成纖維、合成橡膠）的基礎(chǔ)原料［1］。 乙烯工業(yè)的發(fā)展水平總體上代表了一個(gè)國(guó)家石油化學(xué)工業(yè)的水平［2］。目前全世界年產(chǎn)超過(guò)一億噸乙烯，主要以石腦油（或乙烷）為原料，采用蒸汽裂解技術(shù)生產(chǎn)。以石腦油為原料時(shí)，乙烯收率約為30%、丙烯收率約為15%［3］。

近年來(lái)， 乙烯裂解工藝不斷發(fā)展和完善，以滿足對(duì)裂解原料的可選擇性和烯烴產(chǎn)品市場(chǎng)需求的多樣性［4］。 先進(jìn)的過(guò)程控制技術(shù)極大地改進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。 乙烯裂解過(guò)程的典型特征是物料在裂解爐中滯留時(shí)間短、選擇性高、操作安全可靠、能效高。 在線分析在乙烯和丙烯的生產(chǎn)過(guò)程中至關(guān)重要，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)工藝過(guò)程中的介質(zhì)組成，實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)出和確保產(chǎn)品質(zhì)量的目的［5］。

1 設(shè)計(jì)條件

裂解氣工況參數(shù)如下：

介質(zhì)名稱 裂解氣

采樣點(diǎn)位置 裂解爐出口

樣品狀態(tài) 氣相

最大設(shè)計(jì)壓力 0.440MPa

最大設(shè)計(jì)溫度 675℃

操作壓力 0.071（最大）/0.070（正常）/0.040（最?。㎝Pa

操作溫度 576（最高）/399（正常）/381（最低）℃

樣品組成及其測(cè)量范圍見表1。

表1 樣品組成及其測(cè)量范圍 mol%

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 采樣系統(tǒng)

裂解氣溫度較高且組成復(fù)雜，H2O 和C5 以上的重組分較難汽化，一旦進(jìn)入色譜，會(huì)對(duì)進(jìn)樣閥和色譜分離系統(tǒng)造成不良影響，需要在采樣系統(tǒng)中除掉。 因此，一些公司專門開發(fā)了針對(duì)裂解氣工況的特殊采樣系統(tǒng)。 比較典型的有賽默飛世爾公司的Py-Gas 采樣器、ABB 公司的DRS 采樣器及天華院的YQXL 采樣器等。 這些采樣器工作原理大同小異，以Py-Gas 采樣器［6］為例，其工作過(guò)程如圖1 所示。

圖1 Py-Gas 采樣器工作過(guò)程

由工藝管線來(lái)的高溫、帶有油水混合物的裂解氣先經(jīng)過(guò)過(guò)濾段，被過(guò)濾掉一部分后回流到工藝管線里。 然后進(jìn)入冷卻段，Vortex 制冷器可產(chǎn)生最低達(dá)-40℃的制冷空氣， 通過(guò)列管式換熱器冷卻樣品， 使裂解氣中的大量H2O 和C5 以上的油類物質(zhì)冷凝為液體，順著立管回流到工藝管線中。 冷卻后的氣體樣品經(jīng)取樣器頂部的氣動(dòng)閥進(jìn)入樣品管線，為防止氣體樣品中攜帶水或油類重?zé)N組分，氣體樣品出口的溫度由一個(gè)氣動(dòng)溫控單元控制，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，出口氣動(dòng)閥關(guān)斷，截?cái)鄽怏w樣品， 當(dāng)溫度低于設(shè)定范圍時(shí)， 關(guān)斷Vortex 制冷器的驅(qū)動(dòng)空氣，停止制冷，直到溫度回到設(shè)定區(qū)間。 通常樣品氣出口溫度設(shè)定在10～16℃，只有溫度在此范圍內(nèi)時(shí)，裂解氣樣品才能進(jìn)入樣品管線。

2.2 樣品前處理系統(tǒng)

樣品前處理系統(tǒng)（圖2）盡可能靠近采樣點(diǎn)，主要功能是氣液分離，進(jìn)一步除去裂解氣中的重組分。 該系統(tǒng)可以設(shè)置反吹功能，在裂解爐清焦時(shí)，用于反吹樣品管線和采樣探頭。

圖2 樣品前處理系統(tǒng)（1/4″=6mm，3/8″=10mm）

2.3 樣品預(yù)處理系統(tǒng)

樣品預(yù)處理系統(tǒng)（圖3）通常安裝在分析小屋外墻并靠近色譜儀處， 主要功能是對(duì)裂解氣樣品進(jìn)行進(jìn)一步處理，包括過(guò)濾、壓力指示和調(diào)節(jié)、流路指示和調(diào)節(jié)、多流路切換以及色譜儀標(biāo)定等。

2.4 色譜配置

每臺(tái)裂解爐有兩組爐管，每組爐管的出口有一個(gè)采樣點(diǎn)，即每臺(tái)裂解爐有兩個(gè)采樣點(diǎn)，共用一臺(tái)在線色譜儀。 為了提高分析采樣頻率，這兩個(gè)點(diǎn)可進(jìn)行并行進(jìn)樣、并行分析。 西門子Maxum II 型色譜儀獨(dú)有的八通道熱導(dǎo)檢測(cè)器，配合多應(yīng)用并行技術(shù)， 使得裂解氣快速分析成為現(xiàn)實(shí)，分析周期短至2min， 即2min 同時(shí)完成兩流路數(shù)據(jù)更新。 閥柱系統(tǒng)的配置是色譜分析儀快速準(zhǔn)確測(cè)量的前提，具體如圖4 所示。

圖3 樣品預(yù)處理系統(tǒng)（1/8″=3mm，1/2″=12mm）

圖4 閥柱系統(tǒng)配置

3 分析結(jié)果及譜圖

在本套預(yù)處理系統(tǒng)中，由于介質(zhì)的操作溫度達(dá)400℃，且含有H2O 和C5 以上的重組分，在樣品傳輸過(guò)程中，易冷凝為液態(tài)，使得樣品以氣液兩相的形式共存，這對(duì)在線分析儀來(lái)說(shuō)是不現(xiàn)實(shí)的，所以在采樣點(diǎn)采用天華院的YQXL 采樣器對(duì)采樣后的樣品進(jìn)行處理，使之在采樣點(diǎn)就將重組分和H2O 除掉，在前處理和預(yù)處理中進(jìn)行常規(guī)的處理就能達(dá)到在線分析儀表進(jìn)表前的要求。

在線色譜分析儀LR1～LR3 檢測(cè)器譜圖如圖5～7 所示?？梢钥闯?，在2min 的分析周期內(nèi)，需要測(cè) 量 的6 個(gè) 組 分 （H2、CH4、C2H4、C2H6、C3H6和C3H8）得到了很好的分離和有效測(cè)量，將分析結(jié)果與設(shè)計(jì)院給出的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表中的測(cè)量范圍和正常值作對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)分析所得結(jié)果均在測(cè)量范圍內(nèi)，這說(shuō)明預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和色譜分析儀的選型在乙烯裂解工段上完全滿足設(shè)計(jì)要求，為裂解爐控制提供了及時(shí)有效的分析數(shù)據(jù)。

圖5 LR1 檢測(cè)器譜圖

圖6 LR2 檢測(cè)器譜圖

圖7 LR3 檢測(cè)器譜圖

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹了分析儀表選型和預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中一次性開車成功，并實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期可靠運(yùn)行， 其分析結(jié)果能夠?qū)崟r(shí)在線地對(duì)整個(gè)工藝進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)， 為工藝人員對(duì)裂解爐的控制提供重要的參考依據(jù)， 從而有效控制裂解深度， 提高雙烯收率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。