聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器中氫氣在線監(jiān)測的改進

李若巖，陳建敏，劉勇輝，景麗，彭蓉

(1. 中國石油蘭州寰球工程公司，蘭州 730060；2. 中國石油蘭州化工研究中心，蘭州 730060)

?

聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器中氫氣在線監(jiān)測的改進

李若巖1，陳建敏1，劉勇輝1，景麗2，彭蓉2

(1. 中國石油蘭州寰球工程公司，蘭州 730060；2. 中國石油蘭州化工研究中心，蘭州 730060)

摘要：針對聚丙烯裝置環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)氫氣濃度測量采樣周期偏長、分析結(jié)果相對滯后、無法生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的問題，設(shè)計了單流路和雙流路兩種技術(shù)方案。通過比較得出，單流路方案中，2臺色譜分析儀與一環(huán)二環(huán)反應(yīng)器一一對應(yīng)，當其中1臺色譜儀或某個預(yù)處理系統(tǒng)發(fā)生故障時，另1臺色譜儀仍能通過控制流路切換閥分析雙環(huán)反應(yīng)器中的氫氣濃度，實現(xiàn)了2臺色譜儀的相互備用，準確控制聚丙烯反應(yīng)中的氫氣加入量，可靠性更高。

關(guān)鍵詞：聚丙烯裝置環(huán)管反應(yīng)器氫氣在線監(jiān)測氣相色譜儀

蘭州石化公司300kt/a聚丙烯裝置采用氣相反應(yīng)工藝在環(huán)管反應(yīng)器進行連續(xù)聚合生產(chǎn)抗沖聚丙烯，該生產(chǎn)過程的能耗、物耗低，最多可以生產(chǎn)103個牌號的聚丙烯產(chǎn)品。在聚丙烯雙環(huán)反應(yīng)器中，準確控制丙烯聚合反應(yīng)中的氫氣加入量是生產(chǎn)不同牌號聚丙烯產(chǎn)品的重要手段和依據(jù)。反應(yīng)器內(nèi)的主要組分包括氫氣、乙烯、丙烯、丙烷、丁烷五部分，其中氫氣為微量組分，需通過借助在線過程氣相色譜儀(以下簡稱在線色譜儀)才能準確測得其含量，在線色譜儀的檢測器為熱導(dǎo)式[1]，它是一個內(nèi)裝4個錸鎢絲的不銹鋼池體，4個錸鎢絲組成一個惠斯頓電橋，2個通過載氣為氮氣(參比臂)，另2個通過色譜柱流出的氣體(工作臂)。由于被測介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和載氣的導(dǎo)熱系數(shù)不同，導(dǎo)致工作臂的電阻不同于參比臂，惠斯頓電橋就輸出與被測介質(zhì)濃度成正比的信號[2]。

該裝置于2006年10月23日成功投產(chǎn)運行以來，主要以生產(chǎn)T30S料為主，原設(shè)計為一環(huán)和二環(huán)共用1臺在線色譜儀(AT-2001)，色譜儀按周期對2個反應(yīng)器輪流采樣分析。由于采樣周期偏長，分析結(jié)果相對滯后，在生產(chǎn)T38F，PA14D等一些高端產(chǎn)品時，無法精確控制丙烯聚合反應(yīng)過程中氫氣的含量，從而導(dǎo)致無法精確生產(chǎn)出合格的目的產(chǎn)品?？紤]通過快速、準確地分析雙環(huán)反應(yīng)器中的氫氣加入量，達到準確控制聚丙烯反應(yīng)中的氫氣量，生產(chǎn)質(zhì)量合格的高端聚丙烯產(chǎn)品的目的，以提高產(chǎn)品的附加值和市場競爭力。

1聚丙烯雙環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)氫氣在線色譜儀檢測現(xiàn)狀

由于該聚丙烯裝置雙環(huán)反應(yīng)器中氫氣在線監(jiān)測分析共用1臺在線色譜儀，在工藝生產(chǎn)與色譜儀監(jiān)測分析運行使用方面存在部分問題。

1.1工藝生產(chǎn)中存在的問題

1) 生產(chǎn)高端聚丙烯產(chǎn)品時，色譜分析儀采樣周期長，分析數(shù)據(jù)滯后于工藝過程，導(dǎo)致無法準確控制氫氣加入量，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

2) 一環(huán)加氫量少，二環(huán)加氫量多，一環(huán)二環(huán)共同使用1臺色譜儀進行反應(yīng)器中氫氣含量的檢測，分析頻次低，氫氣調(diào)整時間長，導(dǎo)致聚丙烯生產(chǎn)中的過渡料增加。

3) 在生產(chǎn)雙峰產(chǎn)品過程中，由于一環(huán)氫氣加入量較少，所以丙烯回收系統(tǒng)、原料系統(tǒng)、氫氣進料或者精制系統(tǒng)稍有輕微的波動，都會引起一環(huán)反應(yīng)器操作參數(shù)的波動,從而影響產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性。

1.2色譜儀運行中存在的問題

1) 樣氣流路切換頻繁，一環(huán)和二環(huán)中氫氣含量的量程范圍不一致，需要經(jīng)常變換色譜儀的量程范圍，影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定操作。

2) 樣氣流路切換過程中，可能在一段時間內(nèi)，氫氣含量分析數(shù)據(jù)不更新或者顯示為零。

3) 預(yù)處理系統(tǒng)雙通雙阻斷閥動作頻繁，易發(fā)生故障。

為解決上述問題，有必要新增1臺在線色譜儀，以滿足縮短采樣時間、增加分析頻次的要求。通過實測值和目標值及時進行對比，及時調(diào)整反應(yīng)器中氫氣量，從而更準確地控制反應(yīng)過程，減少過渡時間，降低生產(chǎn)波動，獲得更高的經(jīng)濟效益。同時，也能防止出現(xiàn)因流路切換和多量程切換所引起的數(shù)據(jù)不準和色譜儀部件故障問題。

2環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)氫氣檢測改造設(shè)計方案

2.1基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)

環(huán)管反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)見表1所列。

表1　基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)

2.2雙環(huán)反應(yīng)器工藝條件及試樣組分

1) 反應(yīng)器中H2工藝條件分析見表2所列。

表2　反應(yīng)器中H2工藝條件分析

2) 一環(huán)試樣組分見表3所列。

表3　一環(huán)試樣組分

3) 二環(huán)試樣組分見表4所列。

表4　二環(huán)試樣組分

2.3在線色譜儀工作過程

原在線氫氣濃度分析系統(tǒng)由采樣探頭、現(xiàn)場減壓站、樣品預(yù)處理系統(tǒng)和色譜儀四部分組成。首先試樣通過一環(huán)和二環(huán)2個根部帶關(guān)斷球閥的可插拔式采樣探頭后，分別送入各自現(xiàn)場減壓站進行處理。在減壓站中，試樣經(jīng)過過濾、氣化減壓到0.138～0.206MPa。氣化后的試樣經(jīng)過伴熱管線被送到樣品預(yù)處理系統(tǒng)中[3]。反應(yīng)器一環(huán)和二環(huán)2個取樣流路共用1個樣品預(yù)處理系統(tǒng)，各流路試樣首先通過安全閥，然后通過關(guān)斷球閥進入旁路過濾器。試樣經(jīng)過以上穩(wěn)流、穩(wěn)壓、過濾處理后，被分為兩部分，一部分進入快速旁路以加快分析速度，另一部分經(jīng)過樣品流量計進入AT-2001色譜儀進行分析,測得試樣中氫氣的含量[4]。不同流路試樣的切換是通過色譜儀控制雙通雙阻斷閥動作的方式實現(xiàn)。AT-2001的工作過程如圖1所示。

圖1　在線色譜儀AT-2001工作過程示意

2.4新增在線色譜儀技術(shù)方案[5]

本次在聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器新增1臺在線色譜儀的目的是解決一環(huán)和二環(huán)共用1臺在線色譜儀分析所引起的采樣周期過長的問題，從而準確快速測得反應(yīng)器的氫氣含量，并能在其中1臺在線色譜儀發(fā)生故障時，另1臺仍能分析雙環(huán)反應(yīng)器中氫氣的含量，更好地滿足聚丙烯工業(yè)裝置的生產(chǎn)需要。

據(jù)目前實際生產(chǎn)情況，雙環(huán)反應(yīng)器有2個采樣探頭及2個現(xiàn)場減壓站，這部分是各自獨立工作的，不做改動。本次技術(shù)改造設(shè)計了兩個方案，方案一為增加1臺單流路在線色譜儀，方案二為增加1臺并行在線色譜儀。

2.4.1新增1臺單流路在線色譜儀

新增1臺單流路在線色譜儀AT-2002和1套預(yù)處理系統(tǒng)。具體的改造方案是樣品進預(yù)處理系統(tǒng)前，在管路上各接入一個側(cè)線，側(cè)線上各裝1個可調(diào)流量的樣品流量計，側(cè)線流路管線和原流路管線各裝1個三通閥，樣氣通過流量計分別進入預(yù)處理系統(tǒng)，經(jīng)過處理后再送入AT-2001和AT-2002進行分析。改造方案一如圖2所示，圖中虛線部分為預(yù)處理系統(tǒng)新增部分。

圖2　改造方案一示意

在正常工作時，AT-2001控制原預(yù)處理系統(tǒng)2個取樣流路的切換閥，一環(huán)流路處于打開狀態(tài)，二環(huán)流路處于關(guān)閉狀態(tài)；AT-2002控制新預(yù)處理系統(tǒng)2個取樣流路的切換閥，一環(huán)流路處于關(guān)閉狀態(tài)，二環(huán)流路處于打開狀態(tài)，雙環(huán)反應(yīng)器中一環(huán)樣氣進入AT-2001分析氫氣含量，二環(huán)樣氣進入AT-2002分析氫氣含量，實現(xiàn)了一對一的分析，從而達到了縮短分析周期和增加分析頻次的目的。

當其中1臺色譜發(fā)生故障時，另1臺色譜仍能通過控制流路切換閥，分析雙環(huán)反應(yīng)器中氫氣含量，實現(xiàn)2臺色譜的相互備用，滿足裝置生產(chǎn)對色譜數(shù)據(jù)的基本要求，也便于維護單位的日常維護工作。

2.4.2新增1臺并行在線色譜儀

新增1臺并行在線色譜儀AT-2002，改造方案是雙環(huán)反應(yīng)器試樣進預(yù)處理系統(tǒng)后，在旁路過濾器和雙通雙阻斷閥之間的管路上分別接出一個側(cè)線，側(cè)線流路管線和原流路管線各裝1個三通閥，側(cè)線上各裝1個球閥和1個可調(diào)流量的流量計，2路試樣通過流量計進入AT-2002進行同時分析。改造方案二如圖3所示，圖中虛線部分為預(yù)處理系統(tǒng)新增部分。

圖3　改造方案二示意

在正常工作時，由于AT-2002并行在線色譜儀具有相互獨立的進樣口和樣品處理分析系統(tǒng)，所以具備同時分析雙環(huán)反應(yīng)器中氫氣含量的能力，從而縮短了采樣時間，增加了分析頻次，而AT-2001將被停用；在并行色譜儀發(fā)生故障時，AT-2001再被投用，用以分析雙環(huán)反應(yīng)器中氫氣含量，實現(xiàn)了2臺色譜儀備用的目的。

采取該種改造方案能滿足裝置生產(chǎn)的需要，消除原設(shè)計2個流路共用1臺在線色譜儀的不足之處。同時，該方案還有很強的可操作性，它對采樣探頭、現(xiàn)場減壓站不做任何改動，并充分利用了原預(yù)處理系統(tǒng)的快速回路、放空、標準氣等部分。

經(jīng)專業(yè)人員的研究討論，考慮到方案一、方案二都能滿足生產(chǎn)實際的前提下，方案一中，2臺在線色譜儀都運行工作；而方案二中，1臺并行在線色譜儀運行，原單回路在線色譜儀備用不運行。方案一更能適應(yīng)其中1臺發(fā)生故障的情況，可靠性更高，故按方案一實施。

2.5在線色譜儀遠傳數(shù)據(jù)在DCS的組態(tài)[6]

改造后，2臺色譜儀分析數(shù)據(jù)遠傳至聚丙烯裝置DCS，氫氣分析結(jié)果以4～20mA點對點方式傳送給DCS并實現(xiàn)信號選擇功能。

3結(jié)束語

該項目設(shè)計了單流路、雙流路兩個技術(shù)解決方案，通過對兩個方案的比較，選擇采用單流路方案。該方案實施后，AT-2001分析雙環(huán)反應(yīng)器中一環(huán)氫氣的含量，AT-2002分析雙環(huán)反應(yīng)器中二環(huán)氫氣的含量，2臺色譜儀正常工作時，不用流路切換，改造后采樣分析時間縮短50%以上，解決了因采樣周期長而引起的氫氣分析數(shù)據(jù)滯后的問題，同時，2臺色譜儀可以相互備用，當其中1臺發(fā)生故障時，另1臺仍能分析雙環(huán)反應(yīng)器中氫氣的含量，從而更好地服務(wù)于裝置生產(chǎn)。新增在線色譜儀有效提高了裝置生產(chǎn)高端產(chǎn)品的質(zhì)量，減少轉(zhuǎn)牌號時過渡料的產(chǎn)生，保證裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)，減少原取樣流路切換時給生產(chǎn)帶來的波動。該方案自2012年8月實施以來，取得了良好的應(yīng)用效果。

參考文獻：

[1]中國寰球化學(xué)工程公司，中國五環(huán)化學(xué)工程公司.HG/T 20507—2000自動化儀表選型設(shè)計規(guī)定[S].北京： 中國計劃出版社，2001.

[2]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].3版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[3]趙永登，郭維真，文濤.SH 3126—2001石油化工儀表及管道伴熱與隔熱設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國石化出版社，2002.

[4]傅若農(nóng).色譜分析概論[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5]南化集團公司設(shè)計院.HG/T 20512—2000儀表配管配線設(shè)計規(guī)定[S].北京： 中國計劃出版社，2001.

[6]悍春，葉向東.SH/T 3092—1999石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，1999.

中圖分類號：TH833

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0071-03

作者簡介：李若巖(1982—)，男，甘肅武威人，2014年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國石油蘭州寰球工程公司設(shè)計院自控室，從事石油化工自控工程設(shè)計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2014-12-24，修改稿收到日期： 2015-03-18。