乙烯裂解氣在線分析儀自動清焦取樣器

孫維棟

(蘭州實(shí)華分析技術(shù)有限公司，蘭州 730070)

乙烯裂解氣在線分析儀自動清焦取樣器

孫維棟

(蘭州實(shí)華分析技術(shù)有限公司，蘭州 730070)

簡述乙烯裂解氣在線分析儀取樣的特點(diǎn)和各種取樣器的優(yōu)劣比較，詳細(xì)介紹了自動清焦取樣器的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和功能。

自動清焦取樣器 乙烯裂解氣 過程樣品分析儀

乙烯裂解爐是乙烯生產(chǎn)裝置的核心設(shè)備，主要作用是把輕柴油、原油及石腦油等各類原材料加工成裂解氣，并將它提供給其他乙烯裝置，最終加工成乙烯、丙烯等產(chǎn)品。乙烯裂解爐生產(chǎn)能力和技術(shù)水平的高低，直接決定了整套乙烯裝置的生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。為了提高裂解爐乙烯、丙烯的收率，對裂解爐裂解深度進(jìn)行先進(jìn)控制，利用在線色譜分析儀對爐出口裂解氣組分(主要為輕組分，重組分不分析)進(jìn)行分析是必不可少的，分析結(jié)果可以為控制裂解爐出口溫度、進(jìn)料量、進(jìn)料比率及裂解爐熱負(fù)荷等工藝參數(shù)提供重要依據(jù)[1]。

在線色譜分析儀屬于精密儀器，因此對所分析的樣品條件要求十分苛刻，一般所選用的樣品溫度不能高于120℃，雜質(zhì)顆粒尺寸不能大于5μm，而且不能含有焦油、粉塵及飽和水汽等雜質(zhì)。而裂解氣組成復(fù)雜，不能直接進(jìn)色譜分析儀，為了滿足在線色譜分析儀的分析條件，就要對被分析的樣品進(jìn)行處理，這就需要樣品預(yù)處理系統(tǒng)。取樣系統(tǒng)是在線色譜分析儀樣品預(yù)處理的重要組件之一，它能實(shí)現(xiàn)對過程工業(yè)流體樣品的取樣，在不改變過程工業(yè)流體典型化學(xué)組分特征的情況下完成對樣品流的分離。

1 取樣系統(tǒng)介紹①

在化工分析取樣中，取樣系統(tǒng)要根據(jù)其應(yīng)用目的來設(shè)計(jì)，通過對取樣系統(tǒng)上取樣管“探針”的設(shè)計(jì)或定向來完成對取樣流體部分組分的初步物理分離。例如，取樣物理分離是將取樣探針周圍的固體顆粒從氣態(tài)或液態(tài)流體中分離出來；取樣探頭定位法是通過加液抑制將固體顆粒物從氣態(tài)樣品中分離出來[2]。

常用的取樣器型式有在線插拔式、探針分離式和流體分層式3種。

在線插拔式取樣器如圖1所示。該型取樣器的優(yōu)點(diǎn)是拆卸方便、容易清洗更換，缺點(diǎn)是不能應(yīng)用在高溫高壓的場所。

圖1 在線插拔式取樣器結(jié)構(gòu)1——取樣針閥； 2——CONAX接頭；3——工藝連接法蘭； 4——取樣管線

探針分離式取樣器如圖2所示。該型取樣器的取樣探針在工藝根部閥的前面，取樣針閥在工藝根部閥的后面，工藝根部閥的開關(guān)對取樣探針沒有影響，其優(yōu)點(diǎn)是可以隨時(shí)關(guān)閉工藝根部閥對工藝管道進(jìn)行吹掃，可應(yīng)用在高溫高壓的場所，缺點(diǎn)是前置取樣探針容易堵塞，不便于拆裝和清洗。

圖2 探針分離式取樣器結(jié)構(gòu)1——取樣針閥； 2——取樣管；3——焊接頭； 4、7——工藝連接法蘭；5——工藝根部閥； 6——手持片；8——夾持法蘭； 9——探針；10——工藝管道

在一些情況下，如對有一定跨距的管路中的流體進(jìn)行正確取樣時(shí)，由于流體有分層現(xiàn)象出現(xiàn)，因此需要采用特殊設(shè)計(jì)的取樣探頭。圖3為流體分層式取樣器，在一定長度的探針上分布有開口(小孔)，探針的長度等于管路的近似直徑，由于樣品是從管路提取并送到取樣探頭的探針，并且這些樣品是從管路不同部位提取的。因此，對所提取樣品的最后檢驗(yàn)便能如實(shí)反映流經(jīng)管路的流體全部的組分特征。該型取樣器的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)に嚬艿乐懈鱾€(gè)部位的樣品進(jìn)行采樣，經(jīng)常應(yīng)用在取樣流體有分層現(xiàn)象的工藝裝置上，缺點(diǎn)是安裝不方便、容易堵塞。

2 自動清焦取樣器簡介

乙烯裂解爐出口的裂解氣溫度很高，含水量大，組成復(fù)雜，既有氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯及丙烷等輕組分，又有裂解汽油、柴油及焦油等粘稠組分，此外還含有酸性氣體。常用的取樣器在乙烯裂解爐上容易結(jié)焦堵塞，使用壽命都很短，不適合在乙烯裂解爐上使用。針對乙烯裂解爐的特殊性專門設(shè)計(jì)了一套帶清焦的自動取樣系統(tǒng)，又叫自動清焦取樣器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

自動清焦取樣器是一種在裝置正常開車的情況下可以定時(shí)自動對在線分析儀取樣管線進(jìn)行清焦處理的裝置，在自動清焦時(shí)既不影響工藝裝置的運(yùn)行又不影響在線分析儀的分析。

2.1自動清焦取樣器組成

自動清焦取樣器由清焦氣缸、行程開關(guān)、二位五通電磁閥、空氣過濾減壓閥、除液過濾器、動態(tài)逆流取樣器、排液電磁閥、取樣三通、就地清焦控制箱(安裝在現(xiàn)場)、綜合控制箱(安裝在分析小屋)、綜合控制器PLC及清焦?fàn)顟B(tài)顯示器等組成。

圖4 自動清焦取樣器結(jié)構(gòu)1——?dú)飧祝?2——行程開關(guān)接線盒；3——二位五通電磁閥； 4——清焦桿；5——空氣過濾減壓閥； 6——除液過濾器；7——?jiǎng)討B(tài)逆流取樣器； 8——排液電磁閥；9——取樣三通； 10——工藝氣動閥；11——工藝管道

自動清焦取樣器的控制是由PLC來完成的(也可以由DCS直接控制)。在清焦氣缸上裝有行程開關(guān)，一個(gè)高位一個(gè)低位，根據(jù)清焦的深度可以調(diào)節(jié)氣缸的行程。氣缸的動作由一個(gè)二位五通電磁閥控制，取樣器底部有工藝根部閥，工藝根部閥的開關(guān)信號、清焦桿高低位信號及二位五通電磁閥信號等全部輸入到PLC中，為了方便檢修在自動清焦取樣器的附近安裝一個(gè)就地清焦控制箱(帶手動清焦按鈕、清焦桿高低位信號指示燈)，對應(yīng)的在線色譜分析小屋安裝有綜合控制箱(帶手動清焦按鈕、清焦桿高低位信號指示燈)，這些手動清焦信號也全部輸入到PLC中，由PLC采集信息，最終給二位五通電磁閥一個(gè)信號讓氣缸動作來控制清焦。自動清焦取樣器控制邏輯如圖5所示。

圖5 自動清焦取樣器控制邏輯

2.2自動清焦取樣器的工作原理

綜合控制箱內(nèi)的PLC，首先判斷DCS返回的允許清焦信號、工藝根部閥打開信號與清焦桿高低位信號，當(dāng)這些信號為高位時(shí)則給二位五通電磁閥一個(gè)信號打開氣源開關(guān)氣缸下行，到達(dá)低位的行程開關(guān)后行程開關(guān)返回信號給PLC，PLC給二位五通電磁閥信號使氣源自動切換，氣缸返回高位，完成一次清焦過程。自動清焦設(shè)定為每兩小時(shí)清焦一次。也可以手動清焦，在小屋的綜合控制箱有選擇開關(guān)，可以選擇小屋手動清焦也可以選擇就地手動清焦，當(dāng)選擇就地手動清焦時(shí)小屋的手動清焦不起作用，反之亦然。當(dāng)按下手動清焦按鈕時(shí)，按鈕給PLC一個(gè)請求清焦信號，PLC會綜合判斷各種條件是否滿足清焦，滿足則氣缸動作清焦，不滿足則氣缸不動作。

清焦器的核心部件為清焦刀頭，清焦刀頭采用馬氏體不銹鋼3Cr13加工制成，加工完成后經(jīng)熱處理(淬火回火)其硬度可達(dá)HRC48，熱處理后的清焦刀頭具有較高的強(qiáng)度、較好的耐磨性和優(yōu)良的耐腐蝕性，因此它能在裂解爐復(fù)雜的工況條件中使用。清焦刀頭的主要功能是將取樣口的結(jié)焦鏟回工藝管道，以確保取樣口暢通。

動態(tài)逆流取樣器。樣品從工藝管道出來經(jīng)工藝根部閥到取樣三通，然后進(jìn)入動態(tài)逆流取樣器。動態(tài)逆流取樣器的取樣管從下到上分為兩段，第1段內(nèi)部裝有瓷環(huán)，可以增加氣體的接觸面積，同時(shí)對樣品的上行增加阻力，使樣品在環(huán)境溫度中自然冷卻，裂解氣中的重組分冷凝，冷凝的重組分沿管道壁流向取樣口。第2段為列管式換熱器，樣品從下部進(jìn)入換熱器，渦旋管冷卻器產(chǎn)生的低溫(-15～-10℃)冷氣從換熱器的頂部注入到換熱器，換熱器的管程走樣品，換熱器的殼程走冷氣，使冷氣和樣品在換熱器中逆向流通。樣品在換熱器中快速冷卻，樣品里的水分和油在經(jīng)過換熱器時(shí)被冷凝，這些凝液在自身重力的作用下沿著管道壁向下回流，在反向流過取樣管第1段時(shí)將清洗被阻擋截留于此的雜質(zhì)、重油等先期冷凝的重組分并脫離瓷環(huán)一同流回工藝管道。凝液起到?jīng)_刷管道自清洗的作用。這些冷凝液流回工藝管道的過程中受工藝管道高溫的作用在取樣口和工藝根部閥附近結(jié)焦，這些結(jié)焦層會將整個(gè)取樣口堵塞，最終影響在線色譜分析儀的取樣，所以為了解決結(jié)焦的問題，就需要對取樣管道進(jìn)行定期清焦。

動態(tài)逆流取樣器出口的樣品溫度通常設(shè)定在5±1℃，渦旋管冷卻器利用儀表風(fēng)產(chǎn)生約-15℃的低溫冷氣來冷卻樣品，冷卻率極高，并且這一溫度可以調(diào)節(jié)。換熱器的出口裝有測溫元件，測溫元件測到的樣品溫度傳遞到溫控器，溫控器根據(jù)設(shè)定溫度來控制溫度控制閥和樣品超溫切斷閥，使取樣器輸出設(shè)定溫度范圍的裂解氣。正常工作情況下，通過控制渦旋管冷卻器產(chǎn)生的冷氣來冷卻裂解氣，使取樣器出口溫度在一定范圍內(nèi)。當(dāng)樣品出口流量增大、工藝發(fā)生變化及樣品傳輸管線泄漏等原因造成樣品冷卻不下來、溫度持續(xù)升高到超溫保護(hù)設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，溫度控制器輸出一個(gè)信號給樣品超溫切斷閥，關(guān)閉樣品出口，這時(shí)，由于換熱器內(nèi)部樣品不再流動，樣品溫度將馬上冷卻下來，當(dāng)溫度降到超溫保護(hù)設(shè)定點(diǎn)時(shí)，溫度控制器便關(guān)閉樣品超溫切斷閥信號，樣品出口打開。

樣品從動態(tài)逆流取樣器出來后進(jìn)入安裝在清焦取樣器上的除液過濾器(圖4零件6)，除液過濾器過濾精度為10μm，可以將樣品中沒有脫去的液體除去，除液過濾器下方有排液電磁閥，排液電磁閥的控制開關(guān)安裝在分析小屋，儀表工巡檢時(shí)定期按一下開關(guān)，即可排液。除液過濾器的出口裝有精細(xì)過濾器，由不銹鋼粉末冶金燒結(jié)制成，過濾精度5μm，從精細(xì)過濾器出來的樣品無油、無雜質(zhì)，就可以進(jìn)入后級樣品預(yù)處理了。

后級樣品預(yù)處理主要包括流量控制、流路切換、大氣平衡及標(biāo)準(zhǔn)氣校正等，經(jīng)過處理后的樣品即可進(jìn)入在線色譜分析儀進(jìn)行分析。

3 結(jié)束語

自動清焦取樣器的投用提高了在線分析儀的使用壽命，減少了在線分析儀取樣器的維護(hù)次數(shù)，提高了勞動生產(chǎn)率從而節(jié)約了生產(chǎn)成本。目前這種自動清焦取樣器已在蘭州乙烯、撫順乙烯、吉林乙烯、天津乙烯、盤錦乙烯及四川乙烯等許多化工廠乙烯裝置裂解爐上得到了廣泛使用，為裂解爐在線分析儀的長期可靠運(yùn)行提供了保障。

[1] 張會國，曲衛(wèi)方，生顯林，等.乙烯裂解氣在線分析取樣系統(tǒng)存在的問題及改進(jìn)措施[J].化工自動化及儀表,2008,35(5):93～96.

[2] 羅伯特 E 謝爾曼,著，馮秉耘，高長春，譯.過程樣品分析儀樣品預(yù)處理系統(tǒng)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

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2016-10-31(修改稿)