在线分析仪采样细粉和低聚物脱除方案的设计及工程应用

赵霄

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

在线分析仪采样细粉和低聚物脱除方案的设计及工程应用

赵霄

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

在气相法聚丙烯反应器及其附近管线的试样采集中，不可避免地存在聚丙烯细粉及丙烯低聚物杂质，会对在线分析仪的正常测量造成危害。介绍了杂质的形成机理和基本物性特点，并从设计和工程应用的角度阐述了分析仪采样处理系统中杂质的典型脱除方案，包括采样探头的设计方案、前端反吹或冲洗单元的设计方案、过滤器的选型原则、冷却及分离设备的设置方案、色谱采样阀的选型原则等，从多个方面清除采样处理管线中的杂质，尽可能地减少对在线分析仪的不良影响，保证在线分析仪的正常工作。

气相法聚丙烯工艺技术 聚丙烯细粉 丙烯低聚物 脱除方案 分析仪采样处理系统 反吹或冲洗单元 过滤器 冷却器

气相法聚丙烯工艺技术中，需要在线采样分析并稳定控制气相反应器内的气相组成，以控制共聚产品的组成和性能。介质的主要成分为气相烃类混合物、少量聚丙烯(PP)细粉和丙烯低聚物组成的气液固三相混合介质。从工艺角度讲，真正需要在线分析的试样是气相烃类混合物，而PP细粉和丙烯低聚物均属于试样杂质。为了保证在线工业气相色谱仪能准确地分析各种混合烃类介质的组成，必须通过分析仪采样处理系统将试样中的PP细粉和低聚物进行彻底脱除，否则会造成采样管线频繁堵塞、色谱采样阀经常卡塞漏气、色谱定量管和色谱柱遭受污染等问题，严重干扰正常测量，导致分析数据错误、色谱停用等事故发生， 最终影响工艺产品的组成和质量。

本文从设计和工程应用的角度阐述在线分析仪采样处理过程中PP细粉及低聚物的典型脱除方案。

1 PP细粉和低聚物的工艺特点及其主要危害

1.1 PP细粉的形成和危害

好的气相法聚丙烯工艺及催化剂，在反应器中得到的PP粉料粒度分布比较窄，细粉和大颗粒较少，但生产过程中产生少量的细粉是无法避免的。那些少量的微米级PP细粉产生的原因： 微量过细的催化剂细粉聚合所致，少量催化剂颗粒走短路使反应停留时间过短而产生细粉，聚合过程中少量聚合物颗粒破碎产生细粉。

在采样处理系统的前端即采样探头至前级减压站，如果不能快速有效地脱除大颗粒PP细粉，直接会导致前端采样管线或过滤器频繁堵塞，造成分析中断，大幅增加仪表维护人员的工作量。在采样处理系统的中段和末端，如果不能进一步有效地脱除直径较小的细粉，也会导致末端旁通过滤器的堵塞或造成色谱采样阀卡塞漏气而无法使用，影响正常的分析测量。

1.2 低聚物的形成和危害

丙烯低聚物通常是指由几个或几十个丙烯分子聚合而成的小聚合体，其相对分子质量介于小分子和高分子之间，在压力和温度较低的分析仪采样管线中通常以液相油脂的形态存在。由于相对分子质量较小，又是液体介质，单纯采用过滤器很难将其完全滤除，因而需要在采样处理系统中设置专用的液体冷却及分离设备进行低聚物的脱除。

气相法聚丙烯工艺技术中，产生低聚物在所难免，某些专利技术的反应器内甚至会产生较多的低聚物。丙烯低聚物对工业气相色谱仪的正常测量非常不利，危害也很大。样品处理系统中未脱除的液相低聚物极易通过色谱采样阀进入色谱定量管和色谱柱，并对其造成严重污染，最终导致分析中断、色谱仪停用。

在线工业气相色谱仪故障会直接导致聚丙烯气相反应器内组成控制不准，进而造成聚合物组成控制不准，产品性能指标偏离，生产出不合格产品，最终影响产品组成和质量。

2 PP细粉和低聚物脱除方案的设计及工程应用

2.1 采样探头的设计

分析仪采样探头应尽量选用不带插入式探针的类型。工艺设备或管道中的PP细粉含量相对较高，插入式探针内径较小，容易被黏度较大的PP细粉附着甚至堵塞。如果安装在水平工艺管线上，采样探头应垂直向上取压，充分利用细粉的自重返回工艺管线中，以减少进入采样处理系统的细粉数量。含反吹或冲洗单元的前级减压站应与采样探头一体式安装，尽量不使用采样管线连接，减少堵塞环节。

2.2 采样前端反吹或冲洗单元的设计

在采样探头和前级减压站之间安装反吹或冲洗单元对于有效地去除采样处理系统前端的PP细粉和低聚物至关重要。丙烯冲洗单元典型配置方案如图1所示。通过DCS或PLC控制相关气动电磁阀的动作，可以实现分析仪进样和采样处理管线冲洗的周期性切换，保证冲洗单元气动三通阀前绝大部分的PP细粉和低聚物在冲洗周期被有效去除。下面以图1所示方案为例说明如下。

1) 进样(样品传输)周期。逻辑控制电磁阀SOV-A和SOV-B处于非励磁状态，排放阀V-A1打开，冲洗阀V-A2关闭，三通阀V-A3的1—2端通，进样阀V-B1和V-B2打开；此时，分析试样进入前级减压站和后续的样品处理系统，并维持一段时间；三通阀和冲洗阀至排放阀管线中的冲洗丙烯进入低压排放管线或火炬管线。

2) 冲洗周期。逻辑控制电磁阀SOV-A和SOV-B转换至励磁状态，排放阀V-A1关闭，冲洗阀V-A2打开，三通阀V-A3的1—3端通，进样阀V-B1和V-B2关闭；此时，冲洗丙烯对三通阀至采样探头之间的管线和阀门进行冲洗，将其中的试样及其携带的PP细粉和低聚物反向冲洗回工艺采样设备或管线中，并维持一段时间。

假设1台色谱串行分析3个采样流路，每个采样流路分析周期均为3min，其中如果每个流路的试样传输时间设定为1min，则冲洗时间可长达8min,当不进样时就一直保持冲洗状态。设定较长的周期性的冲洗时间，非常有利于采样前端去除绝大多数的PP细粉和低聚物，避免采样前端管线和阀门的堵塞，减小后续脱除试样杂质的压力，大幅提高脱除效率。进样周期开始前，由于冲洗丙烯积聚在采样探头至三通阀之间，因而进样周期的前期如前30s，不要进行色谱采样，待正常试样完全充满在采样管线中后，再进行色谱采样，以免残留的冲洗丙烯干扰正常的分析测量。

未被反吹或冲洗回工艺的PP细粉和丙烯低聚物将主要通过采样处理系统中的过滤器和冷却分离器进行脱除。

2.3 过滤器的选择及其工程应用

采样处理系统中过滤器的选择通常需要考虑如下主要因素： 分析试样的基本物性，被过滤介质的基本物性，采样处理系统的阻力降。

图1 丙烯冲洗单元在线分析仪样品处理系统前端冲洗单元典型配置

气相法聚丙烯工艺技术中，分析试样主要是气相烃类混合物，被滤除的介质主要是固相PP细粉和液相丙烯低聚物，考虑到采样速率和采样管线的整体阻力降要求，在采样处理系统的前端，即前级减压站内选用过滤直径为50～100μm的2台并联安装的旋进式过滤器或聚结式过滤器；在采样处理系统的末端，试样返回快速回路前选用过滤直径为10～30μm的聚结式旁通过滤器。

旋进式过滤器可以用于分离气相试样中的微米级颗粒物和液滴。过滤器中使用了微孔薄膜滤芯，微孔结构由聚合材料构成，滤孔孔径均衡，过滤面具有良好的保留颗粒物的能力。旁路流切向进入过滤器能产生旋涡流，颗粒物被送回工艺，有利于滤芯保持清洁。旋进式过滤器适用于PP细粉较多的工艺采样点，其细粉过滤能力较强，对较大的低聚物液滴也有一定的滤除作用。

聚结式过滤器的聚结滤芯由多种复合材料经特殊工艺加工而成，试样中的PP细粉和丙烯低聚物被聚结器内部的超细纤维捕捉，这些细小纤维对气流形成了曲折的通道，迫使固体颗粒和液体雾滴在惯性碰撞、扩散拦截和直接拦截三种过滤机理的作用下，被超细纤维捕获，液体表面张力使小液滴聚结成较大液滴，在重力作用下，大型液滴会与部分被滤出的PP细粉一同沉降至容器底部。

上述两种过滤器不仅对PP细粉的过滤效果明显，而且对液相低聚物也有很好的脱除作用，因此被普遍应用于气相法聚丙烯工艺技术中的在线分析仪采样处理系统中。

2.4 液体冷却及分离设备的设置

分析试样中含有较多的液相低聚物时，单纯依靠过滤器难以彻底清除，应当在采样处理系统中设置专用的低聚物脱除设备。工程应用中典型的冷却及分离设备一般有两种： 利用工艺夹套水或循环水进行冷却的微型管壳式换热器；利用仪表风进行制冷的旋风冷却器。无论何种方式，其目的都是将混合在气相烃类试样中的低聚物进行充分冷却液化并聚集为较大的液滴，再利用重力作用使其进入排液分离罐，最终将液相低聚物收集至装置的废油系统中。

这两种低聚物脱除设备在分析采样处理系统中可以单独设置，也可以串行设置。根据工程经验，仪表风旋风冷却器的冷却效果往往更好。在工程实践中，除了个别专利商有特殊要求外，冷却及分离设备较少应用于气相法聚丙烯工艺技术在线分析仪采样处理系统中。实际上，在分析试样冷却的过程中，液相低聚物得以充分分离的同时，也会有部分固相PP细粉随液体排入废油收集系统。因而，液体冷却及分离设备的设置不仅对液相低聚物具有良好的脱除效果，而且对PP细粉也有一定的去除作用，在工程应用中应当予以重视并合理配置，以更好地脱除分析试样中的杂质。

2.5 色谱采样阀的选型

分析试样在经过采样处理系统冲洗单元、前级减压站过滤器、冷却分离设备和聚结式旁通过滤器后，作为试样杂质的PP细粉和丙烯低聚物已基本脱除殆尽，理论上不会对后续的色谱采样阀、定量管、色谱柱和分析仪造成危害，也不会影响色谱的正常测量。但在实际工程应用中，除了需要仪表维护人员定期清洗采样处理系统中的过滤器外，在色谱分析仪投用数周或数月后，仍能够在色谱采样阀的凹槽处看到PP细粉的存在，严重时甚至会导致采样阀卡塞漏气而不能正常使用。产生这种问题的主要原因如下：

1) 过滤器的滤芯孔径选择过大，导致PP细粉进入色谱采样阀。

2) 直径较小的微米级PP细粉穿过各种脱除设备到达采样阀凹槽附近，经过长时间缓慢的聚合反应最终形成较大的粉末卡塞色谱采样阀。

3) 仪表维护不当，导致PP细粉留在采样管线中，并进入色谱采样阀等。

鉴于此，在工程设计阶段，制造厂应尽量选择更易于清洗维护和更换的色谱采样阀，比如选择滑阀而非膜片阀。

3 结束语

由于气相法聚丙烯装置的工艺特点，某些在线分析仪采样管线中不可避免地会吸入少量的PP细粉和丙烯低聚物，为了保证工业气相色谱仪的正常工作和准确测量，最终用户、设计院和分析仪供货商应该在工程设计阶段对试样杂质的脱除方案进行充分地讨论和研究，并结合测量介质组分和被脱杂质的工艺特性设计出合理高效、经济实用的采样处理系统。在装置运行的过程中，仪表维保人员应根据脱除效果，不断总结经验，摸索出一套行之有效的主动维护方案，及时对分析采样处理系统中潜在的堵塞或卡塞元件进行清洗处理，尽可能减少被动停用在线分析仪的频次，保证工厂生产操作的连续性和可靠性。

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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

赵霄(1974—)，男，山东荣成人，1996年毕业于大连理工大学自动化系生产过程自动化专业，获工学学士学位，现在中国石化工程建设有限公司仪表自控室从事石油化工自动化设计工作，任高级工程师。

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。