一種新材料解決在線色譜儀柱切系統(tǒng)污染問題

王云虎

（國能榆林化工有限公司，陜西 神木 719300）

0 引言

國能榆林化工甲醇下游加工項目是發(fā)改委示范項目，重點在解決榆林周邊甲醇產(chǎn)品深加工發(fā)展的示范工程，聚丙烯裝置生產(chǎn)的各類塑料牌號為汽車、醫(yī)藥、環(huán)境、航天的發(fā)展提供重要原材料支撐。在整個工藝流程中難點最大的為一級反應器單元，其功能主要將氣液狀態(tài)下的丙烯在反應器內(nèi)反應，除去多余雜質(zhì)，提高丙烯的純度。由于工藝操作條件比較苛刻，高溫或者低溫下容易產(chǎn)生聚合反應導致管線內(nèi)結(jié)晶，同時由于反應器副產(chǎn)物中含有很多微粒狀態(tài)下的顆粒物，導致很多先進的色譜儀使用中色譜柱切系統(tǒng)被污染，導致儀器停用，無法發(fā)揮工藝眼睛的作用。在采樣分析測量過程中，堵塞色譜取樣模塊中定量管、采樣閥，造成儀器定量不準、定性偏差大，故障率高，配套的4臺西門子色譜儀無法正常使用。如何解決此問題成為技術人員的一道難題，榆林公司儀表主管人員與上海昂索分析儀器技術有限公司依據(jù)工藝介質(zhì)特點，合作研發(fā)新材料解決細微粉料污染色譜柱系統(tǒng)問題。經(jīng)過現(xiàn)場反復測試，使用效果良好，色譜故障率降低80%，投用后的色譜分析儀測量穩(wěn)定、分析數(shù)據(jù)準確。

1 聚丙烯裝置INEOS公司Innovene工藝簡易流程介紹

國能榆林化工聚丙烯裝置采用的是INEOS公司Innovene工藝，以聚丙烯為主要原料，生產(chǎn)能力以8000h/a的操作時間進行計算，年產(chǎn)30萬噸聚丙烯顆粒樹脂產(chǎn)品，可生產(chǎn)聚丙烯、共聚聚丙烯和抗沖聚丙烯產(chǎn)品。

2 聚丙烯裝置一級反應器出口在線色譜儀的重要性

聚丙烯裝置工藝流程中循環(huán)氣從反應器底部穿過粉床但不是粉床硫化，反應尾氣通過兩個穹頂回收細粉。去除細粉的氣體在過頂冷器中部部分冷凝后，進入第一反應器過頂分離器，氣液兩項分離，液相聚丙烯通過激冷液泵從項部嘴進入反應器，氣相丙烯通過第一反應循環(huán)氣壓縮機從反應器底部回到反應器。聚丙烯粉料通過粉料輸送系統(tǒng)向第二反應器轉(zhuǎn)移。因此，聚丙烯裝置一般將在線色譜儀監(jiān)測測點設置于一處為一級、二級反應器出口，監(jiān)測反應器中物質(zhì)轉(zhuǎn)換濃度變化中C2H4C2H6N2C3H6C3H8N2的變化，并同時監(jiān)測反應器加氫過程中H2濃度變化，通過H2與C3H6濃度的變化，在DCS操作站實現(xiàn)自控進料控制。

3 聚丙烯反應器出口色譜儀使用現(xiàn)狀

2015年11月，榆林化工聚丙烯裝置建成投用，投用后因為前預處理旋風過濾器無法攔截樣品中細微顆粒粉料進入后預處理，由于后預處理設計中主要功能為對樣品穩(wěn)壓穩(wěn)流、過濾雜質(zhì)，采用金屬過濾器過濾大顆粒7μm左右的細微粉料，直徑小于2μm的顆粒通過進樣流量計進入色譜柱切系統(tǒng)與檢測單元。由于預處理無法過濾掉細微粉料，導致粉料進入色譜儀柱切系統(tǒng)，致使色譜儀氣動膜片發(fā)氣孔、定量管堵塞，色譜儀無法做到定量采樣，定性分析，造成使用過程中儀器故障率高，運行穩(wěn)定性差，維護量大，不能長周期穩(wěn)定運行。為了滿足工藝監(jiān)測要求，儀表維護人員不得不頻繁采用更換定量管、色譜閥與膜片方式維持儀器的正常運行，造成備件消耗量大，維護費用高，給儀表維護人員帶來極大困擾。

4 在線色譜儀取樣單元組成與現(xiàn)場色譜儀故障率高問題剖析

日常運行時，在線色譜儀故障率主要集中在色譜預處理設計、實際工藝條件、色譜儀測量條件三者集成過程中不匹配造成的，深層剖析問題的根源為兩點：

1）設計者對工藝技術參數(shù)理解程度、在線色譜儀運行條件銜接中出現(xiàn)偏差，無法滿足色譜儀運行要求。聚丙烯裝置建設時將工藝包中在線色譜儀分包給小屋集成公司進行成套設計與組裝，集成商為了節(jié)省成本，提高工程施工進度，采用原有傳統(tǒng)固定模板設計，不區(qū)分工藝包中影響色譜的影響因素，簡易成套組裝色譜分析儀，忽視精密儀器對檢測條件的特殊要求，從而導致設計出來的色譜預處理應用中故障頻發(fā)，不能處理掉影響色譜運行的干擾因素，無法滿足生產(chǎn)中的真實工況。圖1所示為現(xiàn)場原設計預處理流程圖。

2）設計者對新技術、新理論了解程度不夠，使用落后的設計理念無法做到技術革新。在線分析儀表技術隨著煤化工與石油煉化規(guī)模的擴大，帶動的新技術發(fā)展特別是新材料技術快速發(fā)展給在線分析儀表設計帶來巨大的沖擊與改變，解決掉傳統(tǒng)設計中很多不能解決的難點。比如，色譜預處理中使用金屬過濾器為典型案例，使用金屬過濾器來過濾樣品中的粉料顆粒，卻忽視金屬過濾器自身過濾工藝粉料時堵塞過濾芯現(xiàn)象。但因為成本低廉，很多色譜分析儀預處理單元內(nèi)安裝多層金屬過濾器，減少樣品攜帶顆粒物問題，雖效果明顯但是忽視了分析結(jié)果的滯后性，同時金屬過濾器芯堵塞問題并不能消除。

因此，好的色譜預處理設計必須是先進的科學前沿技術與理論、工藝參數(shù)條件、分析儀表測量要求三者相結(jié)合，用科學理論指導實踐，用實踐檢驗理論知識，最終做到理論與實踐相結(jié)合才能設計出合理優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，滿足用戶要求，進一步推動技術領域的發(fā)展創(chuàng)新。

5 國能榆林現(xiàn)場色譜預處理取樣單元存在的問題

1）前預處理中旋風模式過濾器膜片表層粉料堆積，造成后端樣品傳輸壓力低

原設計色譜儀前預處理單元采用7μm旋風模式過濾器，樣品快速進入模式過濾器內(nèi)在膜片表面高速旋轉(zhuǎn)，較大顆粒粉料在重力作用推動下，隨著流體方向進入快速回路返回，小于7μm直徑工藝粉料在模式過濾器內(nèi)旋轉(zhuǎn)方式滲透進入后預處理單元中。由于樣品連續(xù)通過模式過濾器與快速回路存在壓差，減緩膜片表層粉料返回速度，使膜片內(nèi)部粉料堆積，不能及時返回到丙烯反應器內(nèi)，最終導致樣品后續(xù)傳輸壓力低、流速低，出現(xiàn)管線內(nèi)粉料累積問題。

2）色譜儀柱切模塊內(nèi)的定量管、取樣50膜片閥堵塞嚴重

色譜儀后級預處理接收前預處理模式過濾器過濾樣品目數(shù)為2μm～7μm粉料顆粒，小于2μm目數(shù)工藝粉料無法處理干凈，直接進入色譜柱切單元內(nèi)，堵塞定量管，污染取樣50閥膜片，造成色譜穩(wěn)定性差，測量值波動較大，故障率高，不能長周期運行，如圖2、圖3所示。

圖2 西門子色譜儀柱切閥中定量管堵塞Fig.2 Blockage of the quantitative tube in the column cutting valve of the Siemens chromatograph

圖3 西門子色譜儀柱切閥膜片污染與堵塞Fig.3 Contamination and blockage of the diaphragm of the Siemens chromatograph column cutting valve

3）色譜儀維護量大，維護成本高

由于色譜分析儀預處理設計不合理，聚丙烯反應器出口一級、二級配套4臺色譜分析儀為了維持運行，需每臺每月進行兩次膜片更換，每次更換24張，每月兩次清理定量管。依據(jù)供銷部門購買的色譜取樣閥膜片與定量管價格，每年消耗備件與人工費用不低于80萬。日常維護中，現(xiàn)場維保人員每天固定時間用空氣反吹色譜前、后預處理，清除管線與部件中的粉料，從維護開始到色譜儀恢復測量需要2h，滿足色譜儀基本的運行要求。依據(jù)現(xiàn)場維護強度與備件消耗量，一時間現(xiàn)場的日常維護陷入困境。

4）工藝反饋色譜儀測量數(shù)據(jù)滯后，穩(wěn)定性差，影響工藝后續(xù)工段調(diào)整中顆粒成品質(zhì)量

聚丙烯聚合單元一級反應器工藝組分濃度準確性對整個反應器后端工序調(diào)整至關重要，工藝通過控制反應器內(nèi)部氫氣、丙烯、乙烷、氮氣濃度調(diào)整產(chǎn)品屬性與產(chǎn)品質(zhì)量。工藝要求色譜分析儀測量數(shù)據(jù)準確，測量周期短，如測量氫氣濃度周期不超過1min，其他組分周期不超過3min，以滿足工況調(diào)整及時性。由于原設計預處理單元存在設計缺陷，每天定期定時反吹色譜預處理，每月兩次定期維護色譜分析儀，每次維護需要2h，維護中造成測量數(shù)據(jù)中斷，不能及時反饋工況運行狀態(tài)，給工藝操作人員帶來極大操作風險。2016年末，在公司技術質(zhì)量例會上，工藝管理人員多次提出4臺聚丙烯在線色譜儀存在的問題及影響。公司主管領導將此問題責成機動部主管人員限期整改，達到工藝操作需要，避免影響聚丙烯顆粒成品質(zhì)量出現(xiàn)問題，給公司帶來損失。

6 新材料過濾器解決聚丙烯反應器出口粉料堵塞色譜儀柱切堵塞問題

6.1 顆粒物過濾器應用環(huán)境

新材料過濾器主要應用在低壓氣態(tài)介質(zhì)的微米級粉料顆粒環(huán)境，特別是丙烯、乙烯低壓線性裝置。顆粒物過濾器主要安裝在氣相分析儀的預處理箱內(nèi)，對預處理環(huán)境溫度、壓力有較高要求，適用于常溫、高溫、低壓預處理單元，依據(jù)使用環(huán)境溫度可分為常溫型、高溫型。

6.2 新材料過濾器屬性

新材料過濾器屬于管狀填充式不可再生類的過濾器，設計思路是利用中性顆粒物和纖維來構建致密的過濾芯，能夠讓顆粒物粘附纖維表面不易移動，從而實現(xiàn)顆粒物吸附濾除。工藝氣相介質(zhì)在吸附罐內(nèi)有減壓、緩流效應，降低氣體的線速度，顆粒物一旦吸附將很難脫附。顆粒物自身有不規(guī)則表面，總體呈現(xiàn)不規(guī)則球型，堆積后不會造成氣相堵塞，干凈工藝氣態(tài)介質(zhì)順利通過過濾器進入色譜檢測單元。過濾器內(nèi)填充物根據(jù)工藝介質(zhì)的污染情況定期更換，更換時用壓縮空氣吹掃避免任何殘留。

6.3 新材料過濾器在反應器色譜儀預處理中的改造過程

2017年1月，上海昂索專項維保人員與榆林公司機動部儀表管理人員依據(jù)聚丙烯反應器色譜預處理運行中出現(xiàn)的問題進行現(xiàn)場研討，分析色譜預處理功能部件不足之處，收集西門子、ABB等國外色譜預處理成功案例，借鑒國外新材料技術應用來確定新材料過濾器理論與模型設計。2017年2月20日，新材料過濾器模型在上海昂索分析儀器公司加工定型，依據(jù)新材料填充顆粒密度與直徑，外部套管尺寸和材質(zhì)最終確立為常溫型、高溫型兩種成品。

6.4 新材料過濾器現(xiàn)場的3個階段測試

2017年3月10日，榆林公司進行年度裝置停車檢修，機動部儀表主管人員利用檢修期對色譜后預處理中的金屬過濾器進行更換，重新對色譜預處理中的壓力、流量進行調(diào)整，滿足新材料過濾器安裝使用條件，2017年3月22日工藝裝置投料后啟用。投用初期，4臺色譜儀過濾器、定量管、取樣閥膜片全部更新，依據(jù)投用時間測試新式過濾器使用效果、維護量、使用壽命，最終依據(jù)備件消耗量測算出經(jīng)濟效益。

第一階段：測試新材料過濾器應用效果與反吹色譜儀預處理周期。

2017年3月18日，聚丙烯裝置反應器在線色譜儀投用，現(xiàn)場維保人員每天反吹前、后預處理，查看色譜運行數(shù)據(jù)與譜圖。經(jīng)過一周觀察，從3月18日到3月25日在線4臺色譜運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)測量正常。3月26日，日常維護中由每天反吹一次色譜預處理改為每兩周反吹一次預處理并觀察運行效果。4月4日，通過查看DCS曲線圖查看運行數(shù)據(jù)測試一切正常。4月20日，在聚丙烯工藝操作站查看色譜儀運行數(shù)據(jù)與穩(wěn)定性，結(jié)果表明數(shù)據(jù)正常，測量準確。依據(jù)運行結(jié)果判定，新材料過濾器應用成功。

第二階段：測試新材料過濾器單次填充物使用壽命與色譜儀膜片更換時間。

2017年4月20日，依據(jù)前期測試結(jié)果，在每兩周反吹一次預處理基礎上，現(xiàn)場維護人員從2017年3月26日開始計算更新后的定量管、取樣閥膜片、顆粒物過濾器使用壽命。2017年7月20日，工藝反映一級反應器色譜儀測量組分中丙烯、氫氣組分波動大，無法滿足工藝穩(wěn)定監(jiān)測需求。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)色譜取樣50閥膜片被粉料污染，定量管輕微堵塞。隨后專項維保人員清洗定量管，更換取樣閥膜片，更換過濾器填充物。依據(jù)現(xiàn)場運行現(xiàn)狀，最終得出結(jié)論：聚丙烯裝置反應器4臺在線色譜分析儀每季度一次過濾器填充物，更換取樣閥膜片，清洗定量管。

第三階段：計算出顆粒物過濾器在應用中的最終效益。

聚丙烯反應器色譜儀AT-2001/2003、AT-2501/2502安裝新材料過濾器測試后投用，色譜運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準確，日常維護量由每月兩次色譜膜片更換，每次24張降低到每季度更換一次膜片；每天固定一次反吹色譜預處理維護工作降低到每月兩次，清洗色譜定量管每月兩次降為每季度一次。通過對色譜取樣單元中金屬過濾器的技改，不僅降低了運維成本而且每年提質(zhì)增效費用80多萬。圖4、圖5為改造前后色譜預處理運行譜圖。

圖4 改造前色譜圖Fig.4 Chromatogram before renovation

圖5 改造后的色譜圖Fig.5 Chromatogram after modification

7 結(jié)束語

本案例因原色譜儀預處理單元設計時沒有充分考慮到樣品氣中固體微米直徑粉料小而多問題，采用常規(guī)傳統(tǒng)的金屬過濾器過濾樣品中的粉料顆粒，不僅沒有到達解決過濾粉料目的反而因為粉料堵塞過濾器，造成過濾效果差，導致后端色譜柱切系統(tǒng)被污染，致使儀表測量不準，維護量大，消耗備件數(shù)量多現(xiàn)象，不利于公司提倡節(jié)能降耗，提質(zhì)增效目標。本次項目改造過程中，只對色譜儀預處理單元中過濾器進行技改，但結(jié)果明顯。在2017年國能榆林化工金點子評選活動中，新材料過濾器因使用效果良好，榮獲評選活動一等獎。

通過本次技改讓技術人員知道抓重點、抓主要問題，分析主要問題和產(chǎn)生原因，對癥下藥，事半功倍。日常工作也是如此，既能節(jié)省工作時間，又能提高工作效率使工作順利進行。同時，通過本次改造認識到團隊的力量是無窮的，自我終有限，眾志方成城，不管面對多么復雜的問題時刻保持一個樂觀積極的態(tài)度去面對，去分析，去解決，利用團隊量，問題終將迎刃而解。