氧分析儀在連續(xù)重整裝置中的應(yīng)用

陶孟瑤

(金陵石化建安公司儀表車間,南京 210033)

0 引 言

金陵石化公司煉油廠1 Mt/a連續(xù)重整裝置的工藝采用了UOP公司的專利技術(shù)。

UOP公司的鉑重整裝置的催化劑再生給煉油廠在高苛刻度條件下操作反應(yīng)段提供了靈活性。當(dāng)反應(yīng)段處于高苛刻度條件下時(shí),重整催化劑的失活速度更快,此時(shí)催化劑上的積炭速度也更快。如果沒有催化劑再生段,反應(yīng)段就不得不經(jīng)常停工再生,以便將催化劑上的積炭層燒掉,從而恢復(fù)催化劑的活性和選擇性[1]。有了催化劑再生段,煉油廠就能夠連續(xù)對鉑重整反應(yīng)段進(jìn)行操作。

催化劑再生段具有循環(huán)和再生功能,其均在一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的回路中實(shí)現(xiàn)[2]。首先,在催化劑再生段中,待生催化劑分4個(gè)步驟進(jìn)行再生:a)燒焦; b)氧氯化,目的是為了分散催化劑金屬并且調(diào)節(jié)催化劑的氯化物含量;c)催化劑干燥;d)還原,也就是將催化劑金屬狀態(tài)還原。最后,經(jīng)過再生的催化劑又循環(huán)回到第一臺(tái)鉑重整反應(yīng)器。該回路的邏輯和順序是由催化劑再生控制系統(tǒng)來控制的。

在催化劑再生過程中,燒焦區(qū)的氧體積分?jǐn)?shù)是一個(gè)重要參數(shù),氧體積分?jǐn)?shù)高將導(dǎo)致較高的燃燒溫度,這樣會(huì)損壞催化劑。而偏低的氧體積分?jǐn)?shù)則會(huì)使得燒焦的速度較慢,從而使得燒焦區(qū)的燒焦不充分。如果在氯化區(qū)中發(fā)生燒焦現(xiàn)象,就會(huì)產(chǎn)生極高的溫度,從而嚴(yán)重?fù)p壞催化劑和氯化區(qū)的設(shè)備。

為了控制燒焦區(qū)的氧體積分?jǐn)?shù),該裝置安裝了1臺(tái)WDG-ⅣUOP氧分析儀來監(jiān)控催化劑再生過程中的氧體積分?jǐn)?shù)。

1 原 理

氧分析儀的傳感元件本身就是一個(gè)封閉式的管或圓盤,由與氧化釔或氧化鈣相平衡的陶瓷氧化鋯制成。里層和外層的多孔鉑涂層充當(dāng)了催化劑或電極[3]。在高溫下(一般高于650℃),與傳感器相鄰的鉑電極相接觸的氧分子變?yōu)殡x子態(tài)。只要元件兩側(cè)的氧體積分?jǐn)?shù)相同,運(yùn)動(dòng)就是隨機(jī)的并且沒有離子的凈流動(dòng)產(chǎn)生。但是如果元件兩側(cè)的氧體積分?jǐn)?shù)不同,則電勢就會(huì)產(chǎn)生。此電勢的大小是兩側(cè)氧體積分?jǐn)?shù)之比的函數(shù)。如果一種氣體里的氧體積分?jǐn)?shù)已知,則該元件產(chǎn)生的電勢確定了另一種氣體中的氧體積分?jǐn)?shù)[4]。參比氣通常是空氣(φO2=20.9%),被用來作為其中一種氣體。

元件的電勢隨溫度變化,將元件的溫度保持恒定,氧氣含量由能斯特(Nernst)公式得到:

式中 R——?dú)怏w常數(shù);F——法拉第常數(shù);T——絕對溫度;φO2(1)和φO2(2)——氧化鋯氧氣分析儀兩側(cè)的氧體積分?jǐn)?shù)[5]。

為了測量非易燃性氣體中的氧體積分?jǐn)?shù),分析儀的刻度由下式得到:

式中 A——常數(shù);T——元件的絕對溫度; φ′O2——待測(由分析儀計(jì)算)氣體中的氧體積分?jǐn)?shù);695℃時(shí),A T=48.0。

當(dāng)兩側(cè)氧體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)元件產(chǎn)生的電勢為0,并且隨著氧體積分?jǐn)?shù)的減小而增加。由試樣氣和參比空氣中氧體積分?jǐn)?shù)之差產(chǎn)生的電勢由電纜傳至微處理控制元件,在此被線性化為輸出信號(hào)[6]。

2 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

圖1是WDG ⅣUOP氧分析儀的結(jié)構(gòu),采樣探頭插入工藝管線中,其端部裝有不銹鋼或陶瓷過濾器。試樣氣被抽吸器(噴射泵)從工藝管線中抽出,其中大部分試樣氣直接返回工藝管線,恒定流量的一小部分試樣氣流經(jīng)氧化鋯檢測元件后返回工藝管線。試樣氣流經(jīng)的所有部件都由電加熱器加熱,使試樣氣保持在露點(diǎn)溫度以上[7]。

圖1 WDG-ⅣUOP氧分析儀的結(jié)構(gòu)

由于試樣氣進(jìn)出口端的熱力學(xué)壓力相同,按理試樣氣應(yīng)該無法流過氧化鋯檢測元件并返回工藝管線,但試樣氣在垂直的氧化鋯檢測室中被加熱至695℃,而試樣氣被抽出的溫度一般在250℃左右,這一溫度差造成的密度差使得試樣氣發(fā)生自然對流,推動(dòng)試樣氣流過氧化鋯檢測元件并返回工藝管線[8]。

該氧分析儀是AMETEK公司專為UOP公司的鉑重整裝置的催化劑再生部分設(shè)計(jì)制造的,它與用于加熱爐的直插式氧化鋯氧分析儀和普通的氧化鋯氧分析儀不同,加熱爐的直插式氧化鋯氧分析儀通常試樣氣是微負(fù)壓或微正壓,普通氧化鋯氧分析儀的試樣氣是通過減壓等試樣預(yù)處理后使試樣氣成微正壓;而WDG-ⅣUOP氧分析儀是直接分析壓力為35(1 psi=6.89 kPa)的試樣氣,它在控制器有軟件壓力補(bǔ)償。由于催化劑再生過程中HCl體積分?jǐn)?shù)有時(shí)高達(dá)0.3%,該儀器與試樣氣接觸的部件材質(zhì)用哈氏C合金。氧分析儀還在進(jìn)樣的管線上安裝了Pt1000檢測器,通過檢測進(jìn)來的試樣氣的溫度,間接測量試樣的流量,判斷試樣管線是否堵塞。

3 應(yīng)用維護(hù)

該廠1 Mt/a連續(xù)重整裝置催化劑再生段燒焦區(qū)入口處安裝了1臺(tái)WDG-ⅣUOP氧分析儀,用來控制燒焦區(qū)的氧體積分?jǐn)?shù)。在正常的操作期間,氧分析儀能控制從再生器排放的過剩空氣的數(shù)量;如果放空的過?？諝獗容^少,就會(huì)有更多的空氣進(jìn)入燒焦區(qū),而此時(shí)的氧體積分?jǐn)?shù)就會(huì)增高,燒焦區(qū)的氧體積分?jǐn)?shù)一般控制在0.5%～1.0%。該氧分析儀輸出4～20 mA信號(hào)到DCS,另外送出兩組繼電器信號(hào):一組是流入氧分析儀試樣氣的流量少到一定程度。它是通過Pt1000檢測器測量進(jìn)來的試樣氣的溫度,若試樣氣溫度低于250℃,說明試樣管線堵塞。另一組是氧分析儀故障。該氧分析儀具有故障自診斷功能。這兩組繼電器信號(hào)串聯(lián)在一起送到催化劑再生停車系統(tǒng)(CRCS),兩組信號(hào)中只要有一組繼電器動(dòng)作,CRCS就發(fā)出報(bào)警聯(lián)鎖信號(hào),催化劑再生部分停車。到DCS的氧體積分?jǐn)?shù)信號(hào)經(jīng)過壓力補(bǔ)償計(jì)算后,成為隨著工藝管線壓力變化的正確的氧體積分?jǐn)?shù),這個(gè)氧體積分?jǐn)?shù)值送到CRCS,當(dāng)φO2值達(dá)到1.1%時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào), φO2值達(dá)到1.3%發(fā)出聯(lián)鎖信號(hào),催化劑再生部分停車。

3.1 安 裝

安裝包括傳感器箱和顯示控制器的安裝。

a)在安裝傳感器箱之前,必須先安裝采樣管和回樣管,采樣管安裝在左側(cè)回樣管為右側(cè)(打開箱門左視)斜口背向再生氣。注意采樣管要比回樣管長,然后與再生氣管道取樣管法蘭對接。注意在對接處密封墊要使用耐高溫的金屬密封墊。再生氣管道上取樣管道要求水平安裝,即不能斜形安裝[9]。

b)傳感器箱和接線端子箱一定要采用鋼結(jié)構(gòu)支架固定安裝,以避免在管道法蘭與儀器之間處產(chǎn)生應(yīng)力。

c)傳感器箱左上側(cè)為參比氣(儀表凈化風(fēng))接口,輸入壓力60～100 psi,輸入到傳感器箱內(nèi)壓力1～10 psi,流量0.1～0.25 L/min。儀表風(fēng)終端接口為DG15,最好在終端前加裝一個(gè)水油過濾器[7]。

d)傳感器箱右下側(cè)為驅(qū)動(dòng)氮?dú)饨涌?輸入壓力100 psi以上,流量5～10 L/min,驅(qū)動(dòng)氮?dú)饨K端接口為DG15,最好也在終端前加裝一個(gè)水油過濾器。

e)傳感器箱下方標(biāo)定口采用 DG8與標(biāo)準(zhǔn)氣連接[7]。

f)控制器采用鋼結(jié)構(gòu)支架安裝,四角螺絲固定。安裝位置與傳感器箱在同一工藝層面,盡可能與傳感器箱接近,以方便日常維護(hù)。

3.2 使用維護(hù)

該氧分析儀通電投入使用前,首先在控制器上要根據(jù)管道再生氣壓力設(shè)定壓力補(bǔ)償,通常壓力補(bǔ)償設(shè)定為35 psi(即管道內(nèi)再生氣壓力)。其次根據(jù)工藝情況設(shè)定試樣再生氣溫度報(bào)警,該廠溫度設(shè)定為250℃,然后再對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。首先進(jìn)行初始校準(zhǔn),它可以記錄儀器初始狀況下元件的最佳質(zhì)量,隨著時(shí)間推移,元件質(zhì)量開始惡化,元件對校準(zhǔn)氣的真實(shí)響應(yīng)將降低,初步校準(zhǔn)是為了延長元件壽命,通過標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)與初始校準(zhǔn)對比,提高爐子控制溫度來減少元件退化。初始校準(zhǔn)完成后,再進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)氣一般用一瓶8 L氧體積分?jǐn)?shù)為20%的氮?dú)庾鳛榱砍虤怏w(也可以使用儀表風(fēng),但儀表風(fēng)必須經(jīng)過過濾減壓),一瓶8 L氧體積分?jǐn)?shù)為2%平衡氣為氮?dú)庾鳛榱泓c(diǎn)氣體標(biāo)準(zhǔn)氣(也可以是其他氧體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)氣,但量程氣的氧體積分?jǐn)?shù)必須是零位氣氧體積分?jǐn)?shù)的10倍以上)。校準(zhǔn)完成后,打開抽氣氮?dú)忾y,儀器投入使用。

儀器的日常檢查主要是加熱爐溫度是否是695℃,氧體積分?jǐn)?shù)是否在0.65%～0.95%,并查看有無儀表報(bào)警。校準(zhǔn)周期通常每個(gè)月校準(zhǔn)一次,也可根據(jù)工藝需要即時(shí)校準(zhǔn)。按照程序先校準(zhǔn)量程氣體,后校準(zhǔn)零點(diǎn)氣體[10]。每次校準(zhǔn)前都要關(guān)閉抽氣氮?dú)忾y,校準(zhǔn)完成后,打開抽氣氮?dú)忾y。不論何時(shí)分析儀斷電,抽氣氮?dú)忾y需被關(guān)閉并且向校準(zhǔn)氣接口通入1.5～2 m3/h的氮?dú)?其作用是保證傳感器暢通,避免管路堵塞。

4 結(jié)束語

WDG-ⅣUOP氧分析儀在金陵石化連續(xù)重整裝置中的應(yīng)用是比較成功的,它通過檢測、控制燒焦區(qū)的氧體積分?jǐn)?shù),保證了連續(xù)重整裝置中再生部分的正常運(yùn)行。該分析儀的維護(hù)量和故障率相對于其他再生部分的氧含量分析儀降低了很多,受到了用戶的好評。

[1] 朱 飛.氧分析儀在PTA裝置中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2007,(6):71-72.

[2] 唐孟海.連續(xù)重整催化劑再生工藝?yán)鋮s過程的技術(shù)分析[J].煉油技術(shù)與工程,2006,(4):26-29.

[3] 于 洋.在線分析儀器[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4] 朱明華.儀器分析[M].3版.北京:高等教育出版社,2000.

[5] 郭振宇.自動(dòng)成分分析儀表[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1985.

[6] 張乃燕.氧分析器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1988.

[7] 邢龍春,張明忠,王俊梅.淺儀在線分析儀表[J].石油化工自動(dòng)化,2006,(1):85-89.

[8] 王 森.在線分析儀器手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[9] 羅伯特E.謝爾曼.過程分析儀試樣處理系統(tǒng)技術(shù)[M].馮秉耘,高長春,譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[10] 樂嘉謙.儀表工手冊[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.