乙烯裂解爐關(guān)鍵組分質(zhì)量收率在線測量技術(shù)

梅華，于坤杰，王振雷

(華東理工大學 化工過程先進控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200237)

儀器儀表

乙烯裂解爐關(guān)鍵組分質(zhì)量收率在線測量技術(shù)

梅華，于坤杰，王振雷

(華東理工大學 化工過程先進控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200237)

深入分析了裂解爐現(xiàn)有裂解氣取樣分析系統(tǒng)存在的問題，提出了一種裂解氣關(guān)鍵組分質(zhì)量收率的在線測量方法。該方法基于對裂解氣組成、物理和化學性質(zhì)的分析，推導了裂解氣中關(guān)鍵組分質(zhì)量收率的表達式，進而提出了一種新的裂解氣在線取樣分析系統(tǒng)，并詳細地給出了設計和實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)可以在現(xiàn)有取樣系統(tǒng)的基礎上，通過增加1個取樣孔和1股防焦蒸汽，解決裂解氣關(guān)鍵組分質(zhì)量收率無法直接在線獲取的難題，對乙烯裝置運行優(yōu)化系統(tǒng)設計和效益評價有非常重要的意義。

乙烯裂解爐 關(guān)鍵組分 質(zhì)量收率 在線測量技術(shù)

乙烯是一種非常重要的化工原料，它的產(chǎn)量高低是衡量一個國家石油化工發(fā)展水平的主要標志[1]。目前，工業(yè)制乙烯主要采用石油烴蒸汽熱裂解的方式，而裂解爐則是進行裂解反應的裝置。裂解原料(氣相或者液相)經(jīng)過氣化后在裂解爐的爐管中被進一步加熱至高溫從而發(fā)生裂解反應，生成氫氣、甲烷、乙烯、丙烯、丁二烯、芳烴等裂解產(chǎn)物。這些裂解反應產(chǎn)物經(jīng)過急冷后送入干燥、壓縮、分離等后續(xù)單元，得到高純度乙烯和丙烯、氫氣、丁二烯以及三苯、裂解汽油等高附加值產(chǎn)品。在該過程中，裂解爐出來的裂解產(chǎn)物分布將直接影響后續(xù)壓縮、分離系統(tǒng)的運行狀況和能耗，因而裂解爐是整個乙烯裝置的核心，是乙烯裝置經(jīng)濟效益的決定環(huán)節(jié)。

在工業(yè)乙烯生產(chǎn)過程中，為提高裝置甚至整個生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益，需要及時地了解企業(yè)中乙烯裂解爐的運行狀況與工藝參數(shù)，尤其是裂解產(chǎn)物中關(guān)鍵組分的分布情況，以便企業(yè)進行生產(chǎn)計劃調(diào)度[2]和工藝參數(shù)優(yōu)化調(diào)整[3]。然而，由于裂解產(chǎn)物中關(guān)鍵組分在線測量手段有限，無法獲取關(guān)鍵組分全組分質(zhì)量收率(簡稱“質(zhì)量收率”)的在線實時數(shù)據(jù)，所以上述調(diào)度優(yōu)化工作只能借助反應機理模型以及相關(guān)的模擬軟件來實現(xiàn)裂解產(chǎn)物分布的估算[4-7]。眾所周知，目前裂解爐反應機理模擬軟件基本被國外大公司壟斷，國內(nèi)乙烯生產(chǎn)企業(yè)僅在購置裂解反應模擬軟件上就要投入巨額的資金。另一方面，裂解反應模擬軟件容易受到現(xiàn)場儀表、工藝條件等諸多因素影響，導致軟件模擬結(jié)果與實際情況之間存在較大的偏差。這些偏差會對企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度與優(yōu)化產(chǎn)生許多不利影響，造成不必要的資源浪費，提高了企業(yè)運行成本，降低了企業(yè)經(jīng)濟效益。

因此，解決工藝乙烯裂解爐關(guān)鍵組分質(zhì)量收率的在線測量問題具有非常重要的意義。目前關(guān)于裂解氣在線取樣/分析系統(tǒng)的文獻主要集中在在線取樣設備、管線的改造與在線分析儀表的維護方面[8-10]，而關(guān)于關(guān)鍵組分全組分在線分析的文獻幾乎沒有。筆者從裂解爐出口裂解氣在線取樣/分析系統(tǒng)原理出發(fā)，首次提出一種裂解爐關(guān)鍵組分質(zhì)量收率在線測量原理，并根據(jù)該原理提出一種工業(yè)實現(xiàn)方案。

1 乙烯裂解爐在線取樣分析系統(tǒng)

乙烯裂解爐裂解產(chǎn)物分布的測量主要依靠在線色譜或者質(zhì)譜儀[11]進行在線分析。由于裂解氣中包含大量的重油、水分和焦粒粉塵等雜質(zhì)，裂解氣必須經(jīng)過有效的處理之后獲得潔凈合格的樣氣才能進入色譜儀(質(zhì)譜儀)進行連續(xù)分析[8]。圖1為裂解氣在線取樣/分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[9]，裂解氣從取樣器底部進入取樣器后經(jīng)過換熱冷卻，由200℃以上急冷到10℃以下。此時裂解氣中的C4以上重組分和稀釋蒸汽冷凝成液相，在重力作用下由取樣器底部流回工藝管道；而C3以下輕組分以及部分C4組分保持氣相并從取樣器上部出口進入傳輸管線，再經(jīng)過進一步過濾、冷卻去液處理后送入在線色譜進行分析，最后得到氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷的體積分數(shù)，記為φCi，i=0， 1， 2， 3， 4。其中，Ci表示組分中的包含有i個碳原子，例如，φC0表示氫氣的體積分數(shù)，φC1表示甲烷的體積分數(shù)，φC3=和φC3分別表示丙烯和混合C3的體積分數(shù)，以此類推。顯然，在線色譜分析得到的結(jié)果只是乙烯、丙烯等關(guān)鍵產(chǎn)物占裂解產(chǎn)物中氣相部分(在3℃以下，0.12MPa)的體積分數(shù)。

圖1 裂解氣在線取樣/分析系統(tǒng)功能示意

假設氣相樣氣中某關(guān)鍵組分的質(zhì)量百分比，即質(zhì)量收率(wt%)記為YC*(其中C*的概念同上)，則根據(jù)質(zhì)量收率的定義[12]得到Y(jié)Ci和φCi的關(guān)系：

(1)

從式(1)可知，如果要從在線色譜的測量結(jié)果φCi，i=0， 1， 2， 3， 4得到某關(guān)鍵組分的質(zhì)量收率YCi，必須已知裂解原料的轉(zhuǎn)化率X和氣相產(chǎn)物比Xg，而這2個參數(shù)是無法在線測量得到的。一種解決思路是根據(jù)裂解原料屬性通過裂解反應機理模型和工藝參數(shù)(如爐管出口溫度(COT)、進料負荷、汽烴比等)估算X和Xg，但其精度對關(guān)鍵組分質(zhì)量收率的影響非常大；另一種解決思路就是對裂解氣的在線取樣和測量方式進行改進。

2 關(guān)鍵組分質(zhì)量收率在線測量原理

(2)

圖2 新的裂解氣在線取樣系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意

3 關(guān)鍵組分質(zhì)量收率在線測量的工程實現(xiàn)

需要指出的是，取樣口位置選擇在TLE出口管線上，由于TLE出口溫度較高，在此溫度下裂解氣很容易發(fā)生結(jié)焦，造成管線堵塞，因而必須采取措施抑制結(jié)焦。此外，當裂解原料屬性以及裂解爐工藝參數(shù)發(fā)生變化時，裂解氣組成將發(fā)生很大的變化，導致被測介質(zhì)的密度隨之發(fā)生變化，這將嚴重影響質(zhì)量流量計的測量結(jié)果。針對上述兩個問題，簡潔的辦法是在取樣器入口前增加一股稀釋蒸汽。其作用有兩個： 降低取樣器入口裂解氣的烴分壓，抑制裂解氣結(jié)焦；稀釋裂解氣在整個混合氣中的比例，降低裂解氣組成變化對混合氣密度的影響。綜上所述，新的取樣系統(tǒng)在工程實現(xiàn)過程中需采取以下工藝措施：

1) 裂解氣從取樣器過濾回流段中部進入取樣器，從而與冷凝回流液分開。

2) 在裂解氣取樣入口必須設置在TLE和淬冷器之間的工藝管線上，因而需增設1個防焦蒸汽混合段，在該管段內(nèi)裂解氣與防焦蒸汽充分混合。

3) 防焦蒸汽的溫度和壓力需與工藝管線中裂解氣的溫度和壓力相匹配，此處應設置1個壓力控制回路，并做好保溫措施。

4) 分別在取樣器頂部氣相樣氣出口管線、防焦蒸汽管線和取樣器入口管線上設置質(zhì)量流量計，其中防焦蒸汽和裂解氣需采用高溫型流量計，而裂解氣流量測量元件應采用壓損較小的測量元件，如采用超聲波流量計、文丘里管或者畢托巴傳感器等[13]。

5) 取樣器底部增加一段回流液封段，此處管徑應根據(jù)取樣器處理負荷計算管徑與管長，以保證該管段內(nèi)能夠形成持續(xù)流動的液封，防止裂解氣從取樣器底部竄入取樣器。

6) 由于增加了1股額外的防焦蒸汽，取樣器所需的冷量也較現(xiàn)有取樣器所需冷量要大，因而需要相應地調(diào)整儀表風量。

(3)

結(jié)合式(1)～(3)，可以得到裂解氣中關(guān)鍵組分占全組分的質(zhì)量收率。

4 結(jié)束語

筆者在深入分析裂解爐現(xiàn)有裂解氣取樣分析系統(tǒng)存在問題的同時，提出了一種裂解氣關(guān)鍵組分質(zhì)量收率的取樣方法。該方法基于對裂解氣組成、物理和化學性質(zhì)的分析，推導了裂解氣中關(guān)鍵組分

質(zhì)量收率的表達式，進而提出了一種新的裂解氣在線取樣分析系統(tǒng)，并詳細地給出了其設計和實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)可以在現(xiàn)有取樣系統(tǒng)的基礎上，通過增加1個取樣孔和1股防焦蒸汽，解決裂解氣關(guān)鍵組分質(zhì)量收率無法直接在線獲取的難題，對裂解爐運行優(yōu)化和乙烯裝置運行優(yōu)化系統(tǒng)設計和效益評價有非常重要的意義。

最后需要指出的是，上述關(guān)鍵組分質(zhì)量收率的測量方法受在線氣相色譜分析儀的影響很大。目前工業(yè)乙烯裂解爐裂解氣在線氣相色譜只分析氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯和丙烷，不考慮在線色譜本身的測量精度，因而本文方法能夠精確測量上述6種組分的質(zhì)量收率。裂解氣中的部分C4組成與C5以下重組分存在于液相冷凝液中，故這類組成的質(zhì)量收率尚無法測量，關(guān)于這方面的內(nèi)容還有待進一步研究。

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Online Measurement Technology on Mass Yields of Key Components in Ethylene Cracking Furnace

Mei Hua， Yu Kunjie， Wang Zhenlei

(Key Laboratory of Advanced Control and Optimization for Chemical Processes， Ministry of Education， East China University of Science and Technology， Shanghai， 200237， China)

A new sampling approach is proposed in this paper after investigating on issues existing in current sampling and online analyzer systems in ethylene cracking furnace devices， in which an expression of mass yields of key components in cracking gas based on analysis on physical and chemical properties of cracking components is formulated， thus a new sampling system is designed with detailed configurations for engineering realization. Compared with current sampling system， both a new sampling entrance and an anti-coking steam are required additionally in the new system. Through above techniques， the dilemma that mass yields of key components in cracking gas can’t be obtained is solved. It is meaningful to the issue of optimization and benefit evaluation of ethylene installation running.

ethylene cracking furnace； key components； mass yields； online measurement technology

國家自然科學基金重點項目(U1162202)；十二五國家科技支撐計劃項目(2012BAF05B00)，上海市科技攻關(guān)項目(12dz1125100)，上海市“科技創(chuàng)新行動計劃”研發(fā)平臺建設項目(13DZ2295300)。

梅華(1977—)，男，2006年畢業(yè)于上海交通大學自動化專業(yè)，獲博士學位，現(xiàn)工作于華東理工大學自動化系，從事過程控制、建模與優(yōu)化方法及工程應用的研究，任講師。

TP274，TH83

B

1007-7324(2015)01-0049-04

稿件收到日期： 2014-10-08，修改稿收到日期： 2014-11-15。