烯烴催化裂解工藝中在線分析系統(tǒng)的設(shè)計探討

羅欣穎

(中石化上海工程有限公司，上海 200120)

丙烯是重要的石油化工基本原料之一，可用來生產(chǎn)多種重要的有機化工原料，如丙烯腈、環(huán)氧丙烷、聚丙烯等。中國丙烯資源短缺，產(chǎn)量并不能滿足下游產(chǎn)業(yè)的需求，缺口較大[1]。為了進一步提高丙烯產(chǎn)能，最新烯烴催化裂解(OCC)[2]工藝將常規(guī)催化裂化裝置生產(chǎn)丙烯時副產(chǎn)的C4,C5及以上烯烴進一步轉(zhuǎn)化為附加值高的丙烯及乙烯[3],而OCC工藝中，在線分析系統(tǒng)不僅在順序控制，而且對安全操作都起到了重要作用。所以在OCC生產(chǎn)裝置中，在線分析系統(tǒng)的設(shè)計是工程實施中的一個重要環(huán)節(jié)。本文基于OCC工藝，結(jié)合其反應(yīng)再生工序的工藝特點，討論在線分析系統(tǒng)的設(shè)計思路以及相關(guān)問題的解決方案。

1 OCC工藝簡述

OCC工藝制丙烯技術(shù)，利用混合的C4，C5及以上烯烴，在催化劑幫助下裂解為低碳烯烴丙烯和乙烯等高附加值的組分，然后通過壓縮機提壓后進入分離工序進行分離，分別獲得粗丙烯，混合C4，C5，C6和C6以上產(chǎn)品。OCC工藝分為三大工序： 反應(yīng)及再生工序、壓縮工序、分離工序。其中，反應(yīng)及再生工序的順序控制復(fù)雜且是該套生產(chǎn)工藝的核心環(huán)節(jié)，再生工序是對反應(yīng)工序中所需的催化劑進行重復(fù)利用的過程，更是起到了提高產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率的重要作用。

由于反應(yīng)工況與催化劑再生工況切換比較頻繁，將裝置中的3臺主要工藝設(shè)備按1組劃分，采用“一開一備”的操作方式，即A/B線方式。若催化劑需要再生，3臺工藝設(shè)備同時切換對催化劑進行再生。反應(yīng)再生工況的切換以及再生工況的推進由DCS中的順序控制完成。

2 OCC工藝在線分析儀的選型

OCC工藝的控制重點在于反應(yīng)及再生工序階段，將處于反應(yīng)末期的A(B)線切出反應(yīng)并至再生準(zhǔn)備狀態(tài)，以及將處于完成再生正處于氮氣保壓狀態(tài)的B(A)線切入反應(yīng)狀態(tài)的過程。對該階段的控制方案，既有工藝操作的順序控制，也有保障裝置安全性的聯(lián)鎖控制，而這些控制方案的執(zhí)行是基于在線分析系統(tǒng)的分析結(jié)果，所以在線分析系統(tǒng)對于OCC工藝的反應(yīng)再生工序至關(guān)重要。OCC工藝再生工序的順控流程如圖1所示，本文基于“A線處于反應(yīng)末期，準(zhǔn)備再生；B線完成再生正在進行氮氣保溫”的工藝狀態(tài)進行對照說明。

圖1 OCC反應(yīng)再生工序順控流程示意

1)在反應(yīng)再生切換過程的順序控制中，有以下三個關(guān)鍵步驟以及對應(yīng)需要分析儀表解決的問題：

a)一階段——氮氣置換烴。重復(fù)氮氣漲壓-泄壓置換，稀釋管線內(nèi)的C1～C10氣體，為下一階段創(chuàng)造安全條件。此時為了防止含有超過爆炸極限的碳?xì)浠衔镞M入VOC系統(tǒng)，需及時監(jiān)測管線中的總碳?xì)潴w積分?jǐn)?shù)。

b)二階段——燒焦再生。使催化劑在高溫下與低氧濃度空氣接觸，燃燒催化劑表面的積碳，恢復(fù)催化劑的活性。此時為了防止在反應(yīng)器內(nèi)部的催化劑床層飛溫(溫度過高)而損壞催化劑及可能的安全事故發(fā)生，要調(diào)節(jié)空氣及氮氣的混合比例，嚴(yán)格控制管線中的氧體積分?jǐn)?shù)。

c)三階段——氮氣置換氧氣。把燒焦后殘留在設(shè)備和管道內(nèi)的含氧再生氣體，反復(fù)氮氣漲壓-泄壓置換，稀釋管線中氧體積分?jǐn)?shù)，為該線路上的所有設(shè)備及管線切換至反應(yīng)工況做準(zhǔn)備。此時尾氣排放管線中的氧體積分?jǐn)?shù)多少，是判斷置換除氧是否結(jié)束的指標(biāo)，同時為了防止含有氧氣的尾氣排放至火炬系統(tǒng)而產(chǎn)生安全事故，也需要監(jiān)測管線中的氧體積分?jǐn)?shù)。

2)在OCC裝置在線分析系統(tǒng)的設(shè)計過程中，選用了以下分析儀表檢測工藝操作中要求的參數(shù)，保證順控操作以及裝置安全運行：

a)一階段中，要對管線中工藝組分定量分析。工業(yè)氣相色譜分析儀和質(zhì)譜儀都是多組分、高精度的分析儀表，氣相色譜分析儀技術(shù)相對成熟，廣泛應(yīng)用于乙烯裂解、分析、催化裂化等石油化工裝置中，用于檢測C1～C9，N2，CO，CO2，SO2，H2S等多種組分[4-5]；質(zhì)譜儀更加適用于工藝復(fù)雜、組分多變的過程和要求分析速度快的場合[6]。同一工況下，在色譜分析儀以及質(zhì)譜分析儀都可測量的情況下，且工藝操作對響應(yīng)時間無較高要求，色譜分析儀的價格相對較低，這也是色譜分析儀在化工裝置中更加常見的原因。

在OCC反應(yīng)再生工序中，所測工藝介質(zhì)的主要組分為N2，CO，CO2，O2，C3烴類，C4烴類，C5～C10烴類，且這些組分在管線中長時間存在，隨著管線內(nèi)工藝介質(zhì)置換次數(shù)的增加，組分含量逐步降低且組分并不會發(fā)生質(zhì)的變化；工藝順序控制操作過程中，也無需在極短的時間內(nèi)得到組分含量。所以根據(jù)上述對比，色譜分析儀更加適用該種工況。

b)一階段中，當(dāng)反應(yīng)器出口管線中總碳?xì)潴w積分?jǐn)?shù)超過0.3%(爆炸極限)時，聯(lián)鎖關(guān)閉空氣進料閥門，這是裝置的安全聯(lián)鎖保護。在該檢測點，已經(jīng)設(shè)置了色譜分析儀，而色譜分析儀單流路的分析周期約為5 min。為了安全聯(lián)鎖，對管線中的總碳?xì)潴w積分?jǐn)?shù)需快速響應(yīng)，選擇了基于氫火焰離子化檢測器(FID)的碳?xì)浞治鰞x可以實現(xiàn)組分快速響應(yīng)(約2～3 s)。于是，通過碳?xì)浞治鰞x即時檢測到管線中的總碳?xì)潴w積分?jǐn)?shù)，控制系統(tǒng)快速響應(yīng)至執(zhí)行元件，切斷危險源頭，實現(xiàn)裝置安全運行的目的。

c)二、三階段中，氧體積分?jǐn)?shù)的檢測范圍是0.1%～10%的常量氧，在此選擇了磁力機械式順磁氧分析儀測量氧體積分?jǐn)?shù)，它不受被測樣氣導(dǎo)熱性、密度等變化的影響，測量精度、分辨率和靈敏度高，穩(wěn)定性好，既能測量常量氧，也能測量微量氧，是一種技術(shù)成熟的精密儀器[7]。因結(jié)構(gòu)簡單而廣泛應(yīng)用的氧化鋯氧分析儀，由于OCC工藝組分中包含一部分可燃?xì)怏w，如CO等可燃?xì)怏w，氧化鋯原件在600 ℃的高溫下會消耗掉一部分氧，而使氧體積分?jǐn)?shù)測量值偏低[8]，因此氧化鋯分析儀在OCC工況下不適用。

3 OCC工藝在線分析系統(tǒng)的問題探討

OCC工藝的在線分析系統(tǒng)主要包括： 采樣探頭、樣氣傳輸管線(一體化蒸汽伴熱管纜)、預(yù)處理箱(安裝于分析小屋外)、分析小屋主體、采暖通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)等部分。在設(shè)計及工程實施階段應(yīng)注意如下幾個問題：

1)由于OCC反應(yīng)再生工況需要，工藝管線管徑較大且材質(zhì)采用不銹鋼，導(dǎo)致工藝管線均布置在標(biāo)高較低的地方(裝置一層)，所以分析儀表的采樣點與分析小屋外預(yù)處理箱高差較小。于是在設(shè)計采樣管線敷設(shè)時，應(yīng)更加注意避免U型彎的產(chǎn)生。

2)分析儀表的選擇性進樣。在控制方案中運用了3種分析儀表： 色譜分析儀、磁氧分析儀和碳?xì)浞治鰞x。因色譜分析儀采樣點位于尾氣管線上，如覆蓋反應(yīng)再生工序全工況，其測量烴類(C4、C5和烯烴)體積分?jǐn)?shù)的量程應(yīng)為0～100%。但實際應(yīng)用中，如選擇烴類體積分?jǐn)?shù)量程為0～100%，對色譜分析儀的色譜柱要求較高，不僅增加了色譜分析儀的成本，也增加了其響應(yīng)時間。

根據(jù)OCC工藝的特點，色譜分析儀只需在進入順序控制時啟用，開始用N2置換烯烴后，總烯烴體積分?jǐn)?shù)從100%降低至1%，該過程中無需色譜對工藝組分做具體分析，僅需監(jiān)測置換過程中N2的體積分?jǐn)?shù)以及檢測尾氣管線中總烯烴體積分?jǐn)?shù)降至1%后的實際總烯烴體積分?jǐn)?shù)。所以在設(shè)計過程中通過在順控開始階段同時送信號至分析小屋內(nèi)的PLC，通過PLC控制色譜分析儀中預(yù)處理系統(tǒng)箱中流路上的相關(guān)電磁閥組來實現(xiàn)分析儀“選擇性”分析的功能。該設(shè)計方案優(yōu)化了色譜柱的選擇，減少了色譜儀的采購成本，同時提高了其響應(yīng)時間。

3)預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)計。在工程設(shè)計中，大多數(shù)問題并非出現(xiàn)在分析儀表本身，而是集中體現(xiàn)在預(yù)處理部分[9]。在置換過程初期，工藝管線中含有較多重?zé)N成分，重?zé)N極易冷凝，若進入分析儀流路會造成分析儀表的不可逆損壞。所以，在設(shè)計實施過程中，采用了一體化蒸汽伴熱管纜作為從采樣點至分析小屋外預(yù)處理系統(tǒng)的樣氣管線，使伴熱保溫的溫度在其露點以上，保證分析的正確性。同時，注意預(yù)處理系統(tǒng)中管閥件的選用，因為采樣系統(tǒng)的管徑較小，應(yīng)使用制造精度高的管閥件，保證流路通暢提高響應(yīng)速度。

4)順磁氧分析儀的量程選擇問題。如選用可測量常量氧體積分?jǐn)?shù)的大量程(0～25%)，磁氧分析儀對較小的體積分?jǐn)?shù)測量值不夠敏銳(如0.1%)，測量結(jié)果易發(fā)生零點漂移。所以，在滿足工藝要求的測量范圍內(nèi)，應(yīng)選用量程較小的儀表，可以適當(dāng)提高儀表的測量精度。

5)順磁氧分析儀預(yù)處理機柜中安裝了旋風(fēng)制冷器以降低檢測組分進入氧分析儀表的進樣溫度，其具有經(jīng)濟、安全和高效的特點[10]。旋風(fēng)制冷通過壓縮儀表空氣，在其內(nèi)部使兩股渦流產(chǎn)生熱交換，從而降低出口溫度。在實際運行中，應(yīng)注意儀表風(fēng)壓力的設(shè)定，以滿足旋風(fēng)制冷的工作壓力，防止壓力過低/過高導(dǎo)致旋風(fēng)制冷器結(jié)冰而無法正常運行。

4 結(jié)束語

為了提高石化裝置C4及C4以上烯烴的利用率，利用OCC工藝將其轉(zhuǎn)化為更具有經(jīng)濟效益的丙烯是十分有價值的。而OCC工藝的在線分析系統(tǒng)在反應(yīng)再生工序中起著重要的作用，不僅推進順序控制而且參與安全聯(lián)鎖控制。本文對分析儀表的選型、分析系統(tǒng)的設(shè)計以及設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題進行了說明以及探討，為后續(xù)裝置的工程設(shè)計積累經(jīng)驗，進一步提高在線分析系統(tǒng)使用效率，為裝置的順利運行保駕護航。