在線分析儀采樣細(xì)粉和低聚物脫除方案的設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

趙霄

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

在線分析儀采樣細(xì)粉和低聚物脫除方案的設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

趙霄

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

在氣相法聚丙烯反應(yīng)器及其附近管線的試樣采集中，不可避免地存在聚丙烯細(xì)粉及丙烯低聚物雜質(zhì)，會(huì)對(duì)在線分析儀的正常測(cè)量造成危害。介紹了雜質(zhì)的形成機(jī)理和基本物性特點(diǎn)，并從設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用的角度闡述了分析儀采樣處理系統(tǒng)中雜質(zhì)的典型脫除方案，包括采樣探頭的設(shè)計(jì)方案、前端反吹或沖洗單元的設(shè)計(jì)方案、過(guò)濾器的選型原則、冷卻及分離設(shè)備的設(shè)置方案、色譜采樣閥的選型原則等，從多個(gè)方面清除采樣處理管線中的雜質(zhì)，盡可能地減少對(duì)在線分析儀的不良影響，保證在線分析儀的正常工作。

氣相法聚丙烯工藝技術(shù) 聚丙烯細(xì)粉 丙烯低聚物 脫除方案 分析儀采樣處理系統(tǒng) 反吹或沖洗單元 過(guò)濾器 冷卻器

氣相法聚丙烯工藝技術(shù)中，需要在線采樣分析并穩(wěn)定控制氣相反應(yīng)器內(nèi)的氣相組成，以控制共聚產(chǎn)品的組成和性能。介質(zhì)的主要成分為氣相烴類(lèi)混合物、少量聚丙烯(PP)細(xì)粉和丙烯低聚物組成的氣液固三相混合介質(zhì)。從工藝角度講，真正需要在線分析的試樣是氣相烴類(lèi)混合物，而PP細(xì)粉和丙烯低聚物均屬于試樣雜質(zhì)。為了保證在線工業(yè)氣相色譜儀能準(zhǔn)確地分析各種混合烴類(lèi)介質(zhì)的組成，必須通過(guò)分析儀采樣處理系統(tǒng)將試樣中的PP細(xì)粉和低聚物進(jìn)行徹底脫除，否則會(huì)造成采樣管線頻繁堵塞、色譜采樣閥經(jīng)?？ㄈ狻⑸V定量管和色譜柱遭受污染等問(wèn)題，嚴(yán)重干擾正常測(cè)量，導(dǎo)致分析數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、色譜停用等事故發(fā)生， 最終影響工藝產(chǎn)品的組成和質(zhì)量。

本文從設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用的角度闡述在線分析儀采樣處理過(guò)程中PP細(xì)粉及低聚物的典型脫除方案。

1 PP細(xì)粉和低聚物的工藝特點(diǎn)及其主要危害

1.1 PP細(xì)粉的形成和危害

好的氣相法聚丙烯工藝及催化劑，在反應(yīng)器中得到的PP粉料粒度分布比較窄，細(xì)粉和大顆粒較少，但生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生少量的細(xì)粉是無(wú)法避免的。那些少量的微米級(jí)PP細(xì)粉產(chǎn)生的原因： 微量過(guò)細(xì)的催化劑細(xì)粉聚合所致，少量催化劑顆粒走短路使反應(yīng)停留時(shí)間過(guò)短而產(chǎn)生細(xì)粉，聚合過(guò)程中少量聚合物顆粒破碎產(chǎn)生細(xì)粉。

在采樣處理系統(tǒng)的前端即采樣探頭至前級(jí)減壓站，如果不能快速有效地脫除大顆粒PP細(xì)粉，直接會(huì)導(dǎo)致前端采樣管線或過(guò)濾器頻繁堵塞，造成分析中斷，大幅增加儀表維護(hù)人員的工作量。在采樣處理系統(tǒng)的中段和末端，如果不能進(jìn)一步有效地脫除直徑較小的細(xì)粉，也會(huì)導(dǎo)致末端旁通過(guò)濾器的堵塞或造成色譜采樣閥卡塞漏氣而無(wú)法使用，影響正常的分析測(cè)量。

1.2 低聚物的形成和危害

丙烯低聚物通常是指由幾個(gè)或幾十個(gè)丙烯分子聚合而成的小聚合體，其相對(duì)分子質(zhì)量介于小分子和高分子之間，在壓力和溫度較低的分析儀采樣管線中通常以液相油脂的形態(tài)存在。由于相對(duì)分子質(zhì)量較小，又是液體介質(zhì)，單純采用過(guò)濾器很難將其完全濾除，因而需要在采樣處理系統(tǒng)中設(shè)置專(zhuān)用的液體冷卻及分離設(shè)備進(jìn)行低聚物的脫除。

氣相法聚丙烯工藝技術(shù)中，產(chǎn)生低聚物在所難免，某些專(zhuān)利技術(shù)的反應(yīng)器內(nèi)甚至?xí)a(chǎn)生較多的低聚物。丙烯低聚物對(duì)工業(yè)氣相色譜儀的正常測(cè)量非常不利，危害也很大。樣品處理系統(tǒng)中未脫除的液相低聚物極易通過(guò)色譜采樣閥進(jìn)入色譜定量管和色譜柱，并對(duì)其造成嚴(yán)重污染，最終導(dǎo)致分析中斷、色譜儀停用。

在線工業(yè)氣相色譜儀故障會(huì)直接導(dǎo)致聚丙烯氣相反應(yīng)器內(nèi)組成控制不準(zhǔn)，進(jìn)而造成聚合物組成控制不準(zhǔn)，產(chǎn)品性能指標(biāo)偏離，生產(chǎn)出不合格產(chǎn)品，最終影響產(chǎn)品組成和質(zhì)量。

2 PP細(xì)粉和低聚物脫除方案的設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

2.1 采樣探頭的設(shè)計(jì)

分析儀采樣探頭應(yīng)盡量選用不帶插入式探針的類(lèi)型。工藝設(shè)備或管道中的PP細(xì)粉含量相對(duì)較高，插入式探針內(nèi)徑較小，容易被黏度較大的PP細(xì)粉附著甚至堵塞。如果安裝在水平工藝管線上，采樣探頭應(yīng)垂直向上取壓，充分利用細(xì)粉的自重返回工藝管線中，以減少進(jìn)入采樣處理系統(tǒng)的細(xì)粉數(shù)量。含反吹或沖洗單元的前級(jí)減壓站應(yīng)與采樣探頭一體式安裝，盡量不使用采樣管線連接，減少堵塞環(huán)節(jié)。

2.2 采樣前端反吹或沖洗單元的設(shè)計(jì)

在采樣探頭和前級(jí)減壓站之間安裝反吹或沖洗單元對(duì)于有效地去除采樣處理系統(tǒng)前端的PP細(xì)粉和低聚物至關(guān)重要。丙烯沖洗單元典型配置方案如圖1所示。通過(guò)DCS或PLC控制相關(guān)氣動(dòng)電磁閥的動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)分析儀進(jìn)樣和采樣處理管線沖洗的周期性切換，保證沖洗單元?dú)鈩?dòng)三通閥前絕大部分的PP細(xì)粉和低聚物在沖洗周期被有效去除。下面以圖1所示方案為例說(shuō)明如下。

1) 進(jìn)樣(樣品傳輸)周期。邏輯控制電磁閥SOV-A和SOV-B處于非勵(lì)磁狀態(tài)，排放閥V-A1打開(kāi)，沖洗閥V-A2關(guān)閉，三通閥V-A3的1—2端通，進(jìn)樣閥V-B1和V-B2打開(kāi)；此時(shí)，分析試樣進(jìn)入前級(jí)減壓站和后續(xù)的樣品處理系統(tǒng)，并維持一段時(shí)間；三通閥和沖洗閥至排放閥管線中的沖洗丙烯進(jìn)入低壓排放管線或火炬管線。

2) 沖洗周期。邏輯控制電磁閥SOV-A和SOV-B轉(zhuǎn)換至勵(lì)磁狀態(tài)，排放閥V-A1關(guān)閉，沖洗閥V-A2打開(kāi)，三通閥V-A3的1—3端通，進(jìn)樣閥V-B1和V-B2關(guān)閉；此時(shí)，沖洗丙烯對(duì)三通閥至采樣探頭之間的管線和閥門(mén)進(jìn)行沖洗，將其中的試樣及其攜帶的PP細(xì)粉和低聚物反向沖洗回工藝采樣設(shè)備或管線中，并維持一段時(shí)間。

假設(shè)1臺(tái)色譜串行分析3個(gè)采樣流路，每個(gè)采樣流路分析周期均為3min，其中如果每個(gè)流路的試樣傳輸時(shí)間設(shè)定為1min，則沖洗時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)8min,當(dāng)不進(jìn)樣時(shí)就一直保持沖洗狀態(tài)。設(shè)定較長(zhǎng)的周期性的沖洗時(shí)間，非常有利于采樣前端去除絕大多數(shù)的PP細(xì)粉和低聚物，避免采樣前端管線和閥門(mén)的堵塞，減小后續(xù)脫除試樣雜質(zhì)的壓力，大幅提高脫除效率。進(jìn)樣周期開(kāi)始前，由于沖洗丙烯積聚在采樣探頭至三通閥之間，因而進(jìn)樣周期的前期如前30s，不要進(jìn)行色譜采樣，待正常試樣完全充滿(mǎn)在采樣管線中后，再進(jìn)行色譜采樣，以免殘留的沖洗丙烯干擾正常的分析測(cè)量。

未被反吹或沖洗回工藝的PP細(xì)粉和丙烯低聚物將主要通過(guò)采樣處理系統(tǒng)中的過(guò)濾器和冷卻分離器進(jìn)行脫除。

2.3 過(guò)濾器的選擇及其工程應(yīng)用

采樣處理系統(tǒng)中過(guò)濾器的選擇通常需要考慮如下主要因素： 分析試樣的基本物性，被過(guò)濾介質(zhì)的基本物性，采樣處理系統(tǒng)的阻力降。

圖1 丙烯沖洗單元在線分析儀樣品處理系統(tǒng)前端沖洗單元典型配置

氣相法聚丙烯工藝技術(shù)中，分析試樣主要是氣相烴類(lèi)混合物，被濾除的介質(zhì)主要是固相PP細(xì)粉和液相丙烯低聚物，考慮到采樣速率和采樣管線的整體阻力降要求，在采樣處理系統(tǒng)的前端，即前級(jí)減壓站內(nèi)選用過(guò)濾直徑為50～100μm的2臺(tái)并聯(lián)安裝的旋進(jìn)式過(guò)濾器或聚結(jié)式過(guò)濾器；在采樣處理系統(tǒng)的末端，試樣返回快速回路前選用過(guò)濾直徑為10～30μm的聚結(jié)式旁通過(guò)濾器。

旋進(jìn)式過(guò)濾器可以用于分離氣相試樣中的微米級(jí)顆粒物和液滴。過(guò)濾器中使用了微孔薄膜濾芯，微孔結(jié)構(gòu)由聚合材料構(gòu)成，濾孔孔徑均衡，過(guò)濾面具有良好的保留顆粒物的能力。旁路流切向進(jìn)入過(guò)濾器能產(chǎn)生旋渦流，顆粒物被送回工藝，有利于濾芯保持清潔。旋進(jìn)式過(guò)濾器適用于PP細(xì)粉較多的工藝采樣點(diǎn)，其細(xì)粉過(guò)濾能力較強(qiáng)，對(duì)較大的低聚物液滴也有一定的濾除作用。

聚結(jié)式過(guò)濾器的聚結(jié)濾芯由多種復(fù)合材料經(jīng)特殊工藝加工而成，試樣中的PP細(xì)粉和丙烯低聚物被聚結(jié)器內(nèi)部的超細(xì)纖維捕捉，這些細(xì)小纖維對(duì)氣流形成了曲折的通道，迫使固體顆粒和液體霧滴在慣性碰撞、擴(kuò)散攔截和直接攔截三種過(guò)濾機(jī)理的作用下，被超細(xì)纖維捕獲，液體表面張力使小液滴聚結(jié)成較大液滴，在重力作用下，大型液滴會(huì)與部分被濾出的PP細(xì)粉一同沉降至容器底部。

上述兩種過(guò)濾器不僅對(duì)PP細(xì)粉的過(guò)濾效果明顯，而且對(duì)液相低聚物也有很好的脫除作用，因此被普遍應(yīng)用于氣相法聚丙烯工藝技術(shù)中的在線分析儀采樣處理系統(tǒng)中。

2.4 液體冷卻及分離設(shè)備的設(shè)置

分析試樣中含有較多的液相低聚物時(shí)，單純依靠過(guò)濾器難以徹底清除，應(yīng)當(dāng)在采樣處理系統(tǒng)中設(shè)置專(zhuān)用的低聚物脫除設(shè)備。工程應(yīng)用中典型的冷卻及分離設(shè)備一般有兩種： 利用工藝夾套水或循環(huán)水進(jìn)行冷卻的微型管殼式換熱器；利用儀表風(fēng)進(jìn)行制冷的旋風(fēng)冷卻器。無(wú)論何種方式，其目的都是將混合在氣相烴類(lèi)試樣中的低聚物進(jìn)行充分冷卻液化并聚集為較大的液滴，再利用重力作用使其進(jìn)入排液分離罐，最終將液相低聚物收集至裝置的廢油系統(tǒng)中。

這兩種低聚物脫除設(shè)備在分析采樣處理系統(tǒng)中可以單獨(dú)設(shè)置，也可以串行設(shè)置。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，儀表風(fēng)旋風(fēng)冷卻器的冷卻效果往往更好。在工程實(shí)踐中，除了個(gè)別專(zhuān)利商有特殊要求外，冷卻及分離設(shè)備較少應(yīng)用于氣相法聚丙烯工藝技術(shù)在線分析儀采樣處理系統(tǒng)中。實(shí)際上，在分析試樣冷卻的過(guò)程中，液相低聚物得以充分分離的同時(shí)，也會(huì)有部分固相PP細(xì)粉隨液體排入廢油收集系統(tǒng)。因而，液體冷卻及分離設(shè)備的設(shè)置不僅對(duì)液相低聚物具有良好的脫除效果，而且對(duì)PP細(xì)粉也有一定的去除作用，在工程應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)予以重視并合理配置，以更好地脫除分析試樣中的雜質(zhì)。

2.5 色譜采樣閥的選型

分析試樣在經(jīng)過(guò)采樣處理系統(tǒng)沖洗單元、前級(jí)減壓站過(guò)濾器、冷卻分離設(shè)備和聚結(jié)式旁通過(guò)濾器后，作為試樣雜質(zhì)的PP細(xì)粉和丙烯低聚物已基本脫除殆盡，理論上不會(huì)對(duì)后續(xù)的色譜采樣閥、定量管、色譜柱和分析儀造成危害，也不會(huì)影響色譜的正常測(cè)量。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，除了需要儀表維護(hù)人員定期清洗采樣處理系統(tǒng)中的過(guò)濾器外，在色譜分析儀投用數(shù)周或數(shù)月后，仍能夠在色譜采樣閥的凹槽處看到PP細(xì)粉的存在，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致采樣閥卡塞漏氣而不能正常使用。產(chǎn)生這種問(wèn)題的主要原因如下：

1) 過(guò)濾器的濾芯孔徑選擇過(guò)大，導(dǎo)致PP細(xì)粉進(jìn)入色譜采樣閥。

2) 直徑較小的微米級(jí)PP細(xì)粉穿過(guò)各種脫除設(shè)備到達(dá)采樣閥凹槽附近，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間緩慢的聚合反應(yīng)最終形成較大的粉末卡塞色譜采樣閥。

3) 儀表維護(hù)不當(dāng)，導(dǎo)致PP細(xì)粉留在采樣管線中，并進(jìn)入色譜采樣閥等。

鑒于此，在工程設(shè)計(jì)階段，制造廠應(yīng)盡量選擇更易于清洗維護(hù)和更換的色譜采樣閥，比如選擇滑閥而非膜片閥。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于氣相法聚丙烯裝置的工藝特點(diǎn)，某些在線分析儀采樣管線中不可避免地會(huì)吸入少量的PP細(xì)粉和丙烯低聚物，為了保證工業(yè)氣相色譜儀的正常工作和準(zhǔn)確測(cè)量，最終用戶(hù)、設(shè)計(jì)院和分析儀供貨商應(yīng)該在工程設(shè)計(jì)階段對(duì)試樣雜質(zhì)的脫除方案進(jìn)行充分地討論和研究，并結(jié)合測(cè)量介質(zhì)組分和被脫雜質(zhì)的工藝特性設(shè)計(jì)出合理高效、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的采樣處理系統(tǒng)。在裝置運(yùn)行的過(guò)程中，儀表維保人員應(yīng)根據(jù)脫除效果，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，摸索出一套行之有效的主動(dòng)維護(hù)方案，及時(shí)對(duì)分析采樣處理系統(tǒng)中潛在的堵塞或卡塞元件進(jìn)行清洗處理，盡可能減少被動(dòng)停用在線分析儀的頻次，保證工廠生產(chǎn)操作的連續(xù)性和可靠性。

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Design and Engineering Application of Fine Powder and Oligomer Removal Scheme for On-Line Analyzer Sampling

Zhao Xiao

(Sinopec Engineering Incorporation， Beijing， 100101， China)

During sampling from reactor and pipelines around reactor for gas phase polypropylene (PP) process， it is unavoidable that samples will contain PP fine powder and propylene oligomer. It will influence routine measurement for on-line process analyzer. The forming principle and basic properties of the impurities are explained. From point of design and engineering practice view， typical PP fine powder and oligomer removal schemes for analyzer sample handling system are described in detail， including sample probe design， purge back or flushing unit design， filter selection， cooling and separation device configuration， gas chromatograph (PGC) sampling valve selection and so on.PP fine powder and oligomer should be removed as far as possible in sample process pipeline to eliminate negative effect to ensure on-line analyzer proper function.

gas phase polypropylene (PP) process technology; PP fine powder; propylene oligomer; removal scheme; analyzer sample handling system; purge back or flushing unit; filter; cooler

趙霄(1974—)，男，山東榮成人，1996年畢業(yè)于大連理工大學(xué)自動(dòng)化系生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司儀表自控室從事石油化工自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作，任高級(jí)工程師。

TH833

B

1007-7324(2016)06-0005-04

稿件收到日期： 2016-06-20，修改稿收到日期： 2016-08-15。