基于渦旋管制冷原理的分析儀表樣品處理系統(tǒng)與添加劑秤下料系統(tǒng)改造

郭江明 劉 怡 周士勇 羅雯婷

（中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化公司信息網(wǎng)絡(luò)公司）

化工生產(chǎn)現(xiàn)場中，分析儀表、添加劑秤等特殊儀表的可靠性往往取決于儀表是否在最短的滯后時間內(nèi)得到有代表性的工藝樣品，以及樣品的狀態(tài)（如溫度、壓力、流量和清潔程度）是否適合儀表所需的操作條件。 在此，筆者利用渦旋管制冷原理，改造分析儀表樣品處理系統(tǒng)，使其樣品符合儀表分析要求，提高經(jīng)濟效益；同時，改造添加劑秤下料系統(tǒng)， 使之滿足添加劑秤的要求，保證工藝的長周期平穩(wěn)運行。

1 渦旋管制冷原理

渦旋管制冷原理如圖1 所示。 常溫壓縮氣體經(jīng)噴嘴沿切線方向噴入渦旋發(fā)生器，由于切向噴嘴的作用，在渦旋發(fā)生器中形成沿圓周方向以音速旋轉(zhuǎn)前進的高速氣流，順渦旋管向右運動。 熱端裝有控制閥，當氣流到達熱端時，外圈氣流從控制閥閥芯周邊排出， 內(nèi)圈氣流受到閥芯的阻擋，反向折轉(zhuǎn)沿渦旋管向左運動，由冷端出口排出。 在渦旋管中，外圈右行氣流和內(nèi)圈左行氣流以相同的角速度沿同一方向旋轉(zhuǎn)，雖然兩者角速度相同，但外圈氣流線速度高，內(nèi)圈線速度低，即兩者的動能不同，如此就會在兩股氣流的交界面上發(fā)生能量交換， 內(nèi)圈氣流向外圈氣流輸出能量，或者說外圈氣流從內(nèi)圈氣流汲取能量，以維持兩者以相同的角速度高速運行。 由于外圈氣流的動能大，所以外圈氣體溫度高，從熱端出口經(jīng)過控制閥排出，形成熱風(fēng)的來源；內(nèi)圈氣流的動能小，所以內(nèi)圈氣體溫度低，內(nèi)圈的低溫氣體經(jīng)過孔板排出時會產(chǎn)生絕熱膨脹，使其溫度進一步下降，形成冷風(fēng)來源。

圖1 渦旋管制冷原理示意圖

2 分析儀表樣品處理系統(tǒng)改造

乙烯廠制氫裝置使用一臺紅外分析儀表測量蒸汽轉(zhuǎn)化爐后工藝介質(zhì)中CH4的含量。 自儀表安裝調(diào)試以來，一直無法長周期運行，同時紅外分析儀氣室極易進水， 導(dǎo)致儀表無法正常投用。通過學(xué)習(xí)工藝流程發(fā)現(xiàn)，由于制氫裝置蒸汽轉(zhuǎn)化爐的工藝原理為CH4+C2H6+4H2O→2CO+CO2+9H2，工藝上為了獲得更好的收率，通常在工藝介質(zhì)中加入大量的水蒸氣以助于正向反應(yīng)， 增加CH4和C2H6的收率，所以導(dǎo)致儀表樣品中含有大量的水蒸氣。 但是工藝上必須知道轉(zhuǎn)化爐的實時反應(yīng)情況，致使分析儀表只能從樣品處理著手以保證儀表的長周期使用。 儀表人員通過長時間觀察紅外分析儀運行情況，發(fā)現(xiàn)分析儀表具有預(yù)處理設(shè)計缺陷，導(dǎo)致其除水效果不佳，致使樣品中的水分無法去除，造成水分多次進入紅外分析儀測量氣室，嚴重影響了儀表的正常測量，給工藝生產(chǎn)帶來不穩(wěn)定性， 反而降低了CH4和C2H6的收率以及裝置的經(jīng)濟效益。

通過觀察分析儀表的樣品前處理和預(yù)處理過程，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的樣品處理設(shè)計無法達到分析儀表的要求。 利用現(xiàn)有的前處理箱和預(yù)處理設(shè)備，設(shè)計二級降溫除水設(shè)備，在前處理箱增加一個渦旋管和樣品冷卻罐，對進入前處理樣品冷卻罐的樣品進行第1 級降溫，除去大量的水分，少量的水分進入第2 級渦旋管冷卻罐，達到進一步除水的目的，然后微量的水分由干燥劑（硅膠和分子篩）脫除，最后使用氣液分離過濾器（膜片）保證進入分析儀的樣品不含水分。 通過定期觀察，維護制定排水時間，有效保證了紅外分析儀的長周期運行。

改造后的樣品處理工藝流程如圖2 所示。

圖2 改造后的樣品處理工藝流程

3 添加劑秤下料系統(tǒng)改造

在聚乙烯樹脂儲存、運輸和后加工過程中，為了減少或延緩由于機械力、熱、氧、光等作用而導(dǎo)致的材料性能被破壞， 聚乙烯樹脂在造粒過程中必須按工藝要求加入一定比例的不同品種的添加劑。 根據(jù)生產(chǎn)牌號的要求，將桶裝或袋裝固體添加劑分別加入卸料斗， 添加劑依靠自重分別進入緩沖倉， 緩沖倉中的添加劑在流量控制器的控制下分別進入加料器， 經(jīng)過計量后進入粉料添加劑混合輸送器， 經(jīng)過充分混合后在重力作用下進入混煉機粉料緩沖料斗。 聚乙烯樹脂與不同類型的添加劑混合， 經(jīng)過200～300℃的高溫加熱達到熔融狀態(tài)， 在雙螺桿擠壓機和熔融齒輪泵的作用下， 通過模板進行水下造粒，產(chǎn)生合格粒料。

固體添加劑秤自開工以來， 多次出現(xiàn)下料故障， 造成添加劑秤測量不準確， 輕者導(dǎo)致粒料不合格， 重則使擠壓機停機， 影響工藝平穩(wěn)運行，既造成經(jīng)濟效益損失，又留下潛在的設(shè)備停機隱患。 因此，保證添加劑秤平穩(wěn)運行、儀表測量準確、工藝正常生產(chǎn)，至關(guān)重要。

首先，對添加劑秤及控制系統(tǒng)進行檢查，對比同行業(yè)同類裝置的添加劑秤使用情況， 發(fā)現(xiàn)乙烯廠使用的添加劑秤與其他裝置相同， 添加劑秤大多數(shù)時間可以正常使用。 接著， 在查看歷史故障和擠壓機停機事件時發(fā)現(xiàn)添加劑秤使用不準確主要發(fā)生在夏季， 且發(fā)生的時候都出現(xiàn)下料管線堵塞的情況， 后來在管線中清理出大量坨狀的添加劑。 最后， 分析發(fā)現(xiàn)添加劑秤下料不暢、 測量不準的主要原因是添加劑在30℃左右時出現(xiàn)粘連。 由于添加劑屬于外購物料且化學(xué)屬性和物理屬性都滿足擠壓機造粒生產(chǎn)， 無法隨便更換。 經(jīng)過儀表人員多方聯(lián)系和試驗， 決定對下料管線進行改造以滿足添加劑秤需要。

改造后的添加劑下料工藝流程如圖3 所示。改造后經(jīng)過長期觀察，添加劑秤再未出現(xiàn)下料堵塞的情況，下料滿足添加劑秤要求，保證了工藝的正常運行。

圖3 改造后的添加劑下料工藝流程

4 渦旋管使用注意事項

渦旋管的使用注意事項有以下3 點：

a. 渦旋管制冷或制熱原理已經(jīng)大量運用于乙烯廠的各個裝置和生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，其中壓縮氣體的選擇至關(guān)重要。 首選儀表風(fēng)（壓縮空氣）作為制冷源，其次選擇氮氣。 如果選擇氮氣，則一定要保證其排放在安全管道中，防止現(xiàn)場出現(xiàn)氮氣窒息事故。

b. 渦旋管制冷效果與壓縮氣體的流量、壓力成比例關(guān)系，如果需要精確溫度，建議在改造中增加溫度計以觀察制冷效果。 通過改變壓縮氣體流量或壓力（主要為減壓閥）來控制溫度，防止過度制冷出現(xiàn)壓縮氣體浪費或凍凝設(shè)備的情況。

c. 制定合理的巡檢計劃，定期檢查渦旋管的使用情況。

5 結(jié)束語

利用渦旋管制冷原理，改造分析儀表樣品處理系統(tǒng)，使降溫除水滿足儀表測量要求；改造工藝下料管線，對介質(zhì)進行制冷，以滿足添加劑秤下料工藝的要求。 利用小部件改造，讓工藝樣品滿足現(xiàn)場儀表測量需要，極大地保證了裝置的平穩(wěn)運行，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。