空分裝置運(yùn)行中碳?xì)浠衔锏谋O(jiān)測(cè)與控制研究

趙征峰 張成 尹丹放 鄭照飛

摘 要：空分裝置的原料是空氣，而空氣中含有多種影響空分裝置正常運(yùn)行的有害物質(zhì)，如水分、二氧化碳、碳?xì)浠衔锏?，給空分裝置帶來極大的安全隱患。因此，在空分裝置運(yùn)行過程中必須處理這些物質(zhì)，以滿足空分裝置正常運(yùn)行的指標(biāo)要求。本文重點(diǎn)講述了空分裝置運(yùn)行時(shí)對(duì)碳?xì)浠衔锏奶幚?、監(jiān)測(cè)和控制，旨在為相關(guān)研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：空分裝置;碳?xì)浠衔?空氣

中圖分類號(hào)：TQ116.02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）13-0142-03

Abstract： The air separation device is the raw materials， and the air contains a variety of harmful substances that affect the normal operation of the air separation device， such as H2O， CO2， hydrocarbon， to the air separation device brings great security risks. Therefore， these substances must be in the Air separation unit operation process to meet the requirements of the normal operation of the air separation unit. This paper focused on the treatment， monitoring and control of hydrocarbon contained in air during the operation of an air separation unit， aimed to provide reference for relevant research.

Keywords： air separation device;hydrocarbons;air

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)和制造業(yè)的不斷升級(jí)，空分裝置已普遍應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，且不斷向大型化發(fā)展，空分裝置在化工、化肥、鋼鐵等行業(yè)的公司生產(chǎn)中具有舉足輕重的作用，因此，空分裝置在運(yùn)行過程中要著重注意設(shè)備安全，保證其平穩(wěn)運(yùn)行。在影響空分裝置安全的諸多因素中，防止分餾塔主冷凝蒸發(fā)器爆炸是防范重點(diǎn)之一，要防止分餾塔主冷凝蒸發(fā)器液氧中碳?xì)浠衔锏暮砍瑯?biāo)[1]。

分餾塔主冷凝蒸發(fā)器，簡(jiǎn)稱主冷，是用于下塔頂部氮?dú)夂蜕纤撞恳貉鯎Q熱，從而使下塔頂部氮?dú)饫淠?，為下塔提供回流液，上塔底部液氧蒸發(fā)，為上塔提供上升蒸氣的裝置。為了空分裝置能正常、安全運(yùn)行，相關(guān)單位應(yīng)嚴(yán)格控制主冷液氧中的碳?xì)浠衔铮瑖?yán)格參照中石化1989年制定的《關(guān)于空分設(shè)備液氧中乙炔及其他碳?xì)浠衔锟刂浦笜?biāo)的規(guī)定》[2]。

為了防止分餾塔冷凝蒸發(fā)器液氧中碳?xì)浠衔锏暮砍瑯?biāo)，相關(guān)單位應(yīng)該從源頭抓起，采取以下措施。

1 監(jiān)測(cè)大氣中的碳?xì)浠衔?/p>

空分裝置的原料為空氣，空氣中含有微量的碳?xì)浠衔锖推渌s質(zhì)，特別是石化企業(yè)，空氣中碳?xì)浠衔锖科毡檩^高。如果生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)異常，大量物料排出，或天氣惡劣，濕度高，有霧，空氣中的有害雜質(zhì)會(huì)增多。因此，空分裝置的吸入口應(yīng)與碳?xì)浠衔铮ㄌ貏e是乙炔）等有害氣體源保持安全距離，并采取以下措施。

①每天分析一次大氣質(zhì)量，分析項(xiàng)目包括碳?xì)浠衔铮–mHn）、氮氧化物（NOX）及二氧化硫（SO2）等;或者設(shè)置在線分析儀連續(xù)監(jiān)測(cè)大氣中的碳?xì)浠衔锖陀泻﹄s質(zhì)，其中，應(yīng)監(jiān)測(cè)吸風(fēng)口空氣中有害雜質(zhì)允許的極限含量，使其符合表1的要求。②設(shè)立風(fēng)向標(biāo)，隨時(shí)掌握四季風(fēng)向。③建立全廠緊急排放聯(lián)系系統(tǒng)，及時(shí)通知調(diào)度、調(diào)度再通知空分設(shè)備操作員，加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)裝置發(fā)生異常排放時(shí)液氧的分析和監(jiān)測(cè)。④建立裝置排放及氣象臺(tái)賬，及時(shí)對(duì)CmHn積聚進(jìn)行分析及控制。

2 分子篩吸附系統(tǒng)

采用分子篩吸附系統(tǒng)能夠有效去除空氣中含有的對(duì)空分裝置有害的物質(zhì)，包括吸附空氣中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷、重?zé)N和氧化亞氮等雜質(zhì)，其中，吸附掉部分碳?xì)浠衔?，防止碳?xì)浠衔镌谥骼淠舭l(fā)器及主換熱器中積聚。常溫分子篩吸附的空分設(shè)備，通常能把C2H2等有害物質(zhì)吸附，具體污染物的吸附性見表2。

分子篩吸附系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)。①盡量降低沸石入口溫度，降低水負(fù)荷，提高沸石吸附雜質(zhì)的能力。②當(dāng)大氣條件惡化或裝置緊急排放時(shí)，分子篩應(yīng)在高溫下再生，并適當(dāng)縮短操作周期，以盡可能減少CmHn進(jìn)入塔中的量。③確保分子篩再生的徹底性。分子篩再生不徹底，會(huì)大大降低CO2和CmHn的吸附速率，形成惡性循環(huán)。④分子篩凈化工藝雖然大大改善了主冷凝器蒸發(fā)器的CmHn，但不能承受大氣條件的惡化和長(zhǎng)期運(yùn)行的考驗(yàn)。目前，分子篩對(duì)CmHn的吸附效果還不是很好。⑤加強(qiáng)對(duì)分子篩出口氣體的監(jiān)測(cè)，包括露點(diǎn)、二氧化碳和CmHn，在線和離線分析相結(jié)合?？辗盅b置分子篩出口二氧化碳一般采用在線分析，離線分析僅含水，不含二氧化碳。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，需要配置CO2實(shí)驗(yàn)室分析儀，尤其是國(guó)產(chǎn)在線分析儀。

3 主冷安全是空分裝置的安全重點(diǎn)

第一，主冷凝蒸發(fā)器板束設(shè)計(jì)采用獨(dú)特的防爆結(jié)構(gòu)，防止CmHn和NO2等雜質(zhì)在翅片中積聚。

第二，從主冷中抽取大量液氧，保證碳?xì)浠衔锏姆e聚可降到最低。產(chǎn)品液氧在高壓下蒸發(fā)，大大降低烴類物質(zhì)積累的可能性。

主冷系統(tǒng)在操作上應(yīng)注意以下情況。①主冷卻系統(tǒng)應(yīng)采用全浸式操作，防止碳?xì)浠衔锍恋?，并在液位波?dòng)時(shí)與裸露的散熱片摩擦產(chǎn)生靜電，以降低爆炸危險(xiǎn)。②保持至少1%的液氧排放量，使主冷液氧始終保持部分更新，將CmHn的積聚消滅在萌芽狀態(tài)。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，一次冷卻的連續(xù)排放可以大大降低一次冷卻碳?xì)浠衔锏娘L(fēng)險(xiǎn)，比間歇一次排放要好得多。③一旦主冷卻液中的碳?xì)浠衔锍瑯?biāo)，應(yīng)在主冷卻液液位允許的情況下增加液氧排放量。根據(jù)CmHn含量，主冷卻系統(tǒng)中的碳?xì)浠衔锟稍诘鸵何幌路湃雰?chǔ)罐，并在高液位下排空。④考慮增設(shè)液氧吸附器，液氧通過該吸附器使部分積聚的CmHn被吸附凈化，減少爆炸的可能性。

4 在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空分裝置碳?xì)浠衔锏暮?/p>

在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣和主冷液氧中碳?xì)浠衔锖康姆绞揭话阌袃煞N：一是采用總烴分析儀分析總碳?xì)浜?二是采用色譜分析儀分析碳?xì)浠衔锶M分含量。

4.1 總烴分析儀的測(cè)量原理

被測(cè)氣體進(jìn)入檢測(cè)器——?dú)溲骐x子化檢測(cè)器（FID），在氫火焰中被加熱，碳?xì)浠衔锇l(fā)生離解。被離子化的碳?xì)浠衔镌诨鹧娴膬蓚€(gè)電極間產(chǎn)生電流。該電流對(duì)應(yīng)總碳?xì)浠衔锖?，由精密的電子倍增器測(cè)得。生成的信號(hào)送至分析儀電子單元，在分析儀顯示屏上實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，也可以將信號(hào)傳送給監(jiān)控系統(tǒng)顯示、記錄和報(bào)警。

空分設(shè)備中主要用于冷凝蒸發(fā)器液氧中總碳?xì)浠衔锏暮糠治?，?dāng)采用總烴分析儀分析總碳?xì)浜繒r(shí)，液氧中的碳?xì)浠衔锟偤坎粦?yīng)超過100×10-6，超過時(shí)應(yīng)排放液氧，以保證主冷系統(tǒng)的安全。

4.2 烴色譜分析儀的工作原理

由于各種物質(zhì)的蒸氣壓、分子大小和化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，因此，色譜柱上的吸附能和溶解度不同，色譜柱上各種物質(zhì)的分布系數(shù)也不同。當(dāng)混合氣體或液體（稱為流動(dòng)相）連續(xù)通過色譜柱（稱為固定相）時(shí)，各種物質(zhì)在流動(dòng)相中的分布系數(shù)不同。通過吸附、解吸、溶解和固定相分析對(duì)各種物質(zhì)進(jìn)行分析，將混合物中的各種成分分離出來，并按照分離順序從色譜柱的末端流出，進(jìn)入檢測(cè)器。檢測(cè)器將分離出的組分濃度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后使用電子儀器或數(shù)據(jù)處理器測(cè)量混合物的成分和濃度。

色譜法包括兩種核心技術(shù)：第一種是分離技術(shù)，不同的分析采樣氣需采用不同的色譜柱;第二種是檢測(cè)技術(shù)。目前，氣相色譜分析儀常用的檢測(cè)器有熱導(dǎo)式檢測(cè)器（TCD）、氫焰離子化檢測(cè)器（FID）、氬離子化檢測(cè)器（ADD）和電子捕獲式檢測(cè)器（ECD）。碳?xì)浠衔锷V分析儀一般采用氫焰離子化檢測(cè)器（FID）。

氣相色譜分析儀具有高效率、高選擇性、高靈敏度、高速度和范圍廣等特點(diǎn)。色譜柱使用要求高，色譜分析儀調(diào)校和維護(hù)比較麻煩。氣相色譜分析儀實(shí)質(zhì)上是間斷式分析，氣樣是間斷加入載氣中，分析速度快、周期短，工業(yè)上仍然把該儀器當(dāng)作連續(xù)監(jiān)視和控制工程的工具。

氣相色譜分析儀在空分裝置中主要用于空氣和冷凝蒸發(fā)器液氧中碳?xì)浠衔锏暮糠治觯ǔＥ渲?通道色譜分析儀分析，即甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、乙炔（C2H2）、乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）、C4+以及總烴（∑CmHn）。當(dāng)采用色譜分析儀分析碳?xì)浠衔锶M分含量時(shí)，大、中型制氧機(jī)液氧中乙炔含量不應(yīng)超過0.1×10-6，小型制氧機(jī)不應(yīng)超過1.0×10-6，超過時(shí)應(yīng)排放液氧，以保證主冷的安全。

在空氣進(jìn)入空分裝置分餾塔前，通過對(duì)空氣中碳?xì)浠衔锏念A(yù)處理采取有效的監(jiān)測(cè)和控制措施，能完全消除碳?xì)浠衔飳?duì)空分裝置正常運(yùn)行的影響，保證主冷凝蒸發(fā)器的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程GB 16912—2008 ：[S].2008.

[2]中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司.關(guān)于空分設(shè)備液氧中乙炔及其他碳?xì)浠衔锟刂浦笜?biāo)的規(guī)定（中石化[1989]生字56號(hào)）[S].1989.