氣相流化床工藝循環(huán)氣在線分析儀探討

王艷清 筴宏偉 吉豪杰

摘 要：介紹了線性低密度聚乙烯裝置循環(huán)氣在線分析儀系統(tǒng)的選擇、施工、標(biāo)定、調(diào)試及維護(hù)等技術(shù)特點，以更好的指導(dǎo)裝置開工及正常生產(chǎn)。

關(guān) 鍵 詞：Unipol工藝；循環(huán)氣；在線分析儀；聚乙烯

中圖分類號：O 657 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1677-03

Application of Cycle Gas Online Analyzer

System in Gas Phase Fluidized bed Process

WANG Yan-qing，JIA Hong-wei，JI Hao-jie

（PetroChina Fushun Petrochemical Company， Liaoning Fushun 113001， China）

Abstract：The selection，construction，test，calibration and maintenance technical features of cycle gas online analyzer system in linear low density polyethylene unit of Fushun Petrochemical Company was presented so as to provide much better instruction for unit start up and normal running.

Keywords：Unipol process technology；Cycle gas；Online analyzer；Polyethylene

線性低密度聚乙烯是由乙烯和少量α-烯烴在二氧化硅為載體的絡(luò)合物高效催化劑或釩鈦為載體的催化劑體系作用下經(jīng)配位聚合而成。[1]Unipol PE工藝的核心在于在流化床反應(yīng)器中，精制后的乙烯和共聚單體在高活性催化劑的作用下反應(yīng)。[2]反應(yīng)器中循環(huán)氣的各組分監(jiān)控及產(chǎn)品指標(biāo)的控制均依賴于反應(yīng)器在線色譜分析儀。本文通過對國內(nèi)某unipol工藝線性低密度聚乙烯裝置在線分析儀系統(tǒng)的設(shè)計、施工、調(diào)試、使用及維護(hù)全過程的探討，給出了更為優(yōu)化的在線色譜分析儀應(yīng)用，以更好的指導(dǎo)聚合反應(yīng)生產(chǎn)。

氣相色譜分析儀的原理是氣體混合物通過含有某種物質(zhì)的管（色譜柱），基于管中物質(zhì)對不同化合物的保留性能不同而使混合物分離。[3]專利商推薦的色譜生產(chǎn)廠商有ABB、SIEMENS和YOKOGAWA三家。該裝置選用了由ABB生產(chǎn)的型號為PGC2000的過程氣相色譜分析儀。整個在線分析儀系統(tǒng)的集成由蘭州實華分析技術(shù)有限公司提供，循環(huán)氣分析系統(tǒng)具體流程見圖1。

1 在線分析儀采樣系統(tǒng)設(shè)計注意事項

1.1 采樣口到采樣箱的管道設(shè)計

循環(huán)氣采樣主要是通過循環(huán)氣壓縮機(jī)出入口前后的壓差形成在線反應(yīng)采樣箱內(nèi)過濾器的壓差，為了保證采樣的準(zhǔn)確性需要使通過過濾器的循環(huán)氣流量盡量大。由于壓縮機(jī)前后壓差相對固定，而過濾器在正常情況下壓差也相對固定，最主要的壓力降就在管道上形成。這就需要對采樣管道的尺寸和走向進(jìn)行特殊設(shè)計，首先管徑應(yīng)選擇合適，如果太小將造成管道壓差過大，而過濾器的壓差過小；如果管徑太大，會造成過濾器壓差過大，同時管道內(nèi)氣體流速過低，這些都影響分析儀樣品的準(zhǔn)確性，合適的管道尺寸為10～12mm，該裝置現(xiàn)場采用的管道尺寸為12 mm。

圖1 循環(huán)氣分析儀系統(tǒng)流程圖

Fig.1 Flow chart of the cycle gas analyzer

在管道走向設(shè)計上，為了防止管道過長引起的粉料沉積堵塞管道，應(yīng)遵循從采樣口到采樣箱的距離應(yīng)盡量短的原則，根據(jù)現(xiàn)場實際情況將采樣箱的位置選擇在最靠近采樣口的位置。同時從采樣口到采樣箱的管道需要進(jìn)行良伴熱和保溫，主要是為了防止C3以上組分在該處的冷凝析出，冷凝析出會直接影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。從采樣箱到循環(huán)氣壓縮機(jī)入口的返回管線也應(yīng)盡量短，配管時以距離最短為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，盡量短的管線可保證采樣過程的氣體流量。理想的管道距離應(yīng)小于15 m，目前該線性低密度聚乙烯裝置的管道長度為10 m。另外這條管線上設(shè)置有保溫，而不設(shè)置伴熱，同時設(shè)置有熱偶監(jiān)測溫度，當(dāng)該溫度點和循環(huán)氣壓縮機(jī)入口測溫點的溫差在5 ℃以內(nèi)時，表明管道內(nèi)采樣物料流動正常，當(dāng)溫差大于10 ℃時，表明采樣流量偏小。

1.2 采樣箱內(nèi)的設(shè)計

應(yīng)特別注意采樣箱內(nèi)過濾器選型的問題，過濾器選型的最大不同在于循環(huán)氣中相對較大量的細(xì)粉，對這些細(xì)粉的過濾需要過濾面積較大的過濾器。而目前常規(guī)采用的過濾器為SwirlKleen Type I型，后來經(jīng)專利商要求改為SwirlKleen Type II型。二者最主要的差別在于其過濾面積的不同，I 型過濾面積要比II型小20%。

圖2 原采樣箱內(nèi)部流程圖

Fig.2 The old design about sampling box

圖3 新采樣箱內(nèi)部流程圖

Fig.3 The new design about sampling box

采樣箱內(nèi)部流程的最新設(shè)計與原來相比也有了很大改進(jìn)（原設(shè)計見圖2，新設(shè)計見圖3）。新設(shè)計的采樣箱將兩套采樣系統(tǒng)完全獨立，在切換備用過濾器時后部管道及附件都完全獨立，增加了備用過濾器系統(tǒng)的可靠性。而另外一個最大的變化在于取消了冷凝罐，由于采樣箱設(shè)計溫度和循環(huán)氣溫度相同，冷凝罐作用不大，而冷凝罐的存在也增加了分析誤差存在的可能性，增加了取樣時間。

2 在線分析儀調(diào)試過程注意事項

2.1 氫氣組分分區(qū)間控制

本裝置引進(jìn)的兩套催化劑體系分別是UCAT-J和BMC-200，這兩套催化劑體系可生產(chǎn)的牌號中氫氣濃度變化較大。對于UCAT-J產(chǎn)品來說，生產(chǎn)高指數(shù)產(chǎn)品時氫氣濃度可達(dá)21%，而生產(chǎn)低指數(shù)時氫氣濃度在2%。對于BMC-200產(chǎn)品，其中氫氣濃度的控制范圍在1 000 到 4 000 mg/kg。而氫氣濃度的控制質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品指數(shù)的控制，基于不同產(chǎn)品氫氣濃度控制范圍變化較大的情況，在調(diào)試階段通過在線分析儀內(nèi)部設(shè)置和DCS控制系統(tǒng)共同作用，將氫氣濃度進(jìn)行細(xì)分，共劃分了0～1 500 mg/kg、0%～1%、0%～8%、0%～30%四個顯示區(qū)間段。生產(chǎn)不同牌號時，根據(jù)該牌號的氫氣濃度情況，選擇相適應(yīng)的濃度顯示區(qū)間控制，以達(dá)到更精確的氫氣濃度顯示和控制。

2.2 C5組分合并控制

對于循環(huán)氣中誘導(dǎo)冷凝劑異戊烷來說，由于原料中難免會有微量正戊烷存在，但色譜對于二者的區(qū)分也不是太明顯。將二者合并均顯示為異戊烷，保證了組分總量的相對穩(wěn)定。同時由于二者在反應(yīng)器中均起到冷凝作用，通過對二者進(jìn)行合并也進(jìn)一步增加了冷凝量顯示的準(zhǔn)確性，從而達(dá)到更好的冷凝態(tài)操作控制。

（1）色譜標(biāo)定用標(biāo)準(zhǔn)氣組分的選擇

最初調(diào)試階段色譜廠商ABB建議提供的標(biāo)氣規(guī)格分兩種，在不同壓力下不同組分的標(biāo)氣，具體指標(biāo)見表1：

調(diào)試過程中，用以上標(biāo)氣標(biāo)定過的分析儀在投用正常物料時會產(chǎn)生較大偏差，經(jīng)分析主要原因在于標(biāo)定組分與實際使用組分間偏差過大導(dǎo)致。以異戊烷為例，標(biāo)氣中的異戊烷濃度為0.5%，而實際生產(chǎn)過程中的異戊烷濃度可達(dá)8%～14%，實際量為標(biāo)氣量的25倍。當(dāng)分析儀在標(biāo)定時產(chǎn)生的誤差為+/- 0.03%時，當(dāng)正常生產(chǎn)時就會產(chǎn)生約+/- 0.75%的偏差。在專利商的建議下，重新采購標(biāo)氣，使用兩種更貼近生產(chǎn)實際的標(biāo)氣，從而更好的實現(xiàn)了分析儀的精確測量，標(biāo)氣具體組分見表2。使用兩種標(biāo)氣的目的也是為了在用一種標(biāo)定后，可以用另外一種進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)確性驗證。

表1 ABB提供標(biāo)氣組分

Table 1 Calibration standards for the cycle gas analyzers by ABB

1號標(biāo)氣（7.6 bar） 2號標(biāo)氣（24 bar）

組分 數(shù)值 組分 數(shù)值

H2 25% H2 5%

N2 51% N2 89%

CH4 2% 1-C4H8 1%

C2H6 3% i-C4H8 1%

C2H4 20% t-2- C4H8 1%

i-C5H12 0.5% c-2- C4H8 1%

n-C5H12 0.5% i- C4H10 1%

n-C6H14 0.2% n- C4H10 1%

1-C6H12 0.1%

t-2-C6H12 0.1%

表2 專利商提供標(biāo)氣組分

Table 2 Calibration standards for the cycle gas analyzers by Univation

組分 標(biāo)氣1 標(biāo)氣2

C2H4 30% 40%

N2 42% 14%

C2H6 5% 10%

H2 8% 15%

CH4 3% 5%

C4H8 4% 9%

N-C4H10 1% 3%

I-C5H12 7% 4%

CO 2×10-6 20×10-6

CO2 50×10-6 4×10-6

3 開車初期對在線分析儀的調(diào)整注意事項

在開工初期在線分析儀顯示趨勢中經(jīng)常出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象（見圖2）。其中展示了12 h的分析儀趨勢圖，跳躍最為明顯的就是異戊烷的濃度，最大的時候異戊烷濃度在一個周期內(nèi)會有1%的跳躍，同時也影響導(dǎo)致其他組分的相應(yīng)波動，這給反應(yīng)器的控制帶來了很大的難度。由于兩套在線分析儀同時出現(xiàn)波動，主要的問題應(yīng)在于采樣系統(tǒng)。排查從采樣管道經(jīng)采樣箱分離后再到分析小屋得到整個通道，有部分區(qū)域溫度達(dá)低于50 ℃，接近循環(huán)氣的露點溫度，導(dǎo)致部分異戊烷冷凝所致。隨后對該部位的伴熱進(jìn)行了重點的排查整理。之后又對采樣箱中過濾器膜片進(jìn)行了清理，清理時發(fā)現(xiàn)膜片堵塞嚴(yán)重，主要還是開工初期管道雜質(zhì)含量高導(dǎo)致的堵塞。在處理了以上問題后，分析儀顯示趨勢恢復(fù)正常平滑狀態(tài)。

圖2 開工初期在線分析儀趨勢

Fig.2 The analyzer trend during commissioning of the reactor

4 開停工分析儀投用停用的注意事項

氣相色譜分析儀屬于高精密儀器，系統(tǒng)進(jìn)入空氣和水分時會對設(shè)備造成損壞，因此在裝置停工，不需要分析儀監(jiān)控的時候，需要關(guān)閉采樣系統(tǒng)的一次閥門和樣品返回線上的根部閥門。通常，在反應(yīng)器經(jīng)過氮氣置換合格后，關(guān)閉這些閥門。同樣的，在裝置開工階段，需要反應(yīng)器經(jīng)過置換，露點合格后，方可投用色譜分析儀。短期停工時，不建議終止載氣（高純氮氣和高純氫氣），維持載氣運行對色譜儀管路可起到一定的清理作用。

5 分析儀的日常維護(hù)工作

在日常使用過程中，分析儀預(yù)處理室內(nèi)預(yù)處理箱的溫度對分析結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大，溫度過低會發(fā)生C5以上組分冷凝現(xiàn)象，溫度過高，會導(dǎo)致烴類碳化。一般控制在80 ℃左右，尤其在冬季生產(chǎn)時，要保障該溫度的穩(wěn)定。正常情況下，分析儀監(jiān)控反應(yīng)器為一用一備，但要確保兩臺分析儀的數(shù)據(jù)都正確，當(dāng)一臺出現(xiàn)故障時，另一臺能及時在線，避免因長時間標(biāo)定或硬件故障影響生產(chǎn)。由于循環(huán)氣組分中可能夾帶有微量粉末，或者樣品氣在色譜儀中發(fā)生了碳化、結(jié)渣等原因，色譜儀需要定期進(jìn)行清理管理中的流量計、閥片等部件。

6 結(jié)束語

該線性低密度聚乙烯裝置所選用的由ABB生產(chǎn)的PGC2000型循環(huán)氣在線分析儀，在經(jīng)歷了從設(shè)計、施工到開工調(diào)試及后期正常生產(chǎn)維護(hù)的一系列故障排除及問題解決后，目前在裝置得到了良好使用，很好的參與了反應(yīng)器的各項控制，達(dá)到并滿足工藝的各項需求。 （下轉(zhuǎn)第1683頁）