EO/EG装置氧表预处理系统的改进①

林湛霞 张国志

(1.中化泉州石化有限公司；2.上海莱丰自动化技术有限公司)

EO/EG装置氧表预处理系统的改进①

林湛霞1张国志2

(1.中化泉州石化有限公司；2.上海莱丰自动化技术有限公司)

针对EO/EG装置氧表预处理系统在实际应用中存在的问题,对原预处理系统中减压阀、流量报警设备设置不合理，造成氧表测量值频繁波动影响工艺生产的问题进行了相应改造，改造后的预处理系统的样品条件达到了氧表的使用要求。

磁氧分析仪 预处理系统 环氧乙烷(EO) 乙二醇(EG)

国内某100万吨乙烯项目，自2013年EO/EG装置氧表投用以来，由于工艺压力的波动，引起氧表预处理箱内压力、流量波动 ，导致进样压力难以稳定，引起测量值波动，无法达到设计精度，工艺难以操作。为了优化工艺生产，笔者对此表的样品预处理进行了改造，仪表维护量减少，同时工艺操作也平稳高效。

1 EO/EG装置简介

乙二醇装置主要由环氧乙烷(EO)和乙二醇(EG)两部分组成，某EO/EG装置采用乙烯氧气氧化法。在催化剂银的作用下，乙烯和氧气直接进行氧化反应，生成环氧乙烷：

该化学反应的副反应同时进行,反应式如下：

C2H4+3O2→2CO2+2H2O

副反应生成的CO2用碳酸盐溶液吸收并将它从循环气体中除去,反应式如下：

CO2+K2CO3+H2O→2KHCO3

在上述反应中,将甲烷作为致稳剂加入到循环气中,用以提高爆炸下限和氧在反应器进料中的允许浓度,同时为了得到环氧乙烷的最佳收率,还加入抑制剂二氯乙烷来限制乙烯完全氧化为二氧化碳。乙二醇工艺纯净的环氧乙烷与水按一定比例送入乙二醇反应器，反应生成乙二醇。再经蒸发、脱水、精馏得到产品乙二醇：

C2H4O+H2O→C2H4(OH)2(乙二醇)

环氧乙烷反应器是全装置的关键,主要控制参数为：入口乙烯浓度30%，入口氧气浓度8%。

在反应器集中安装在线分析仪器：在线质谱仪一台，用于监控4路气体的9种组分； 在线磁氧表4台；在线色谱一台。反应器两路切换，整个反应器部分多达36个停车联锁，其中氧表的浓度是最重要的监测参数[1]。

2 氧表在工艺中的作用

在氧化反应中，氧浓度是一个关键的监测参数，氧浓度过低，乙烯转化率下降；氧浓度过高，乙烯转化率上升，但环氧乙烷的产量并不明显提高；氧浓度如果超过爆炸极限，装置就会存在严重的安全隐患，因此快速而准确地分析出反应器进、出口的氧浓度是非常重要的。氧化反应器中氧的摩尔浓度应控制在8.0%(甲烷致稳)或6.8%(氮气致稳)以下。测量值稳定且小于8.0%(如果大于8.0%，装置停车并难以控制加氧量的操作，而且中间产物环氧乙烷反应活性高，爆炸极限宽为3%～100%)，为了防止可燃性混合气体的形成，广泛采用联锁系统加以保护。乙烯氧化反应系统的安全关键是氧气的浓度是否正常，为了能准确显示氧气浓度，反应器入口设计3台氧分析仪，反应器出口设计一台氧分析仪，其中3台组成三取二冗余系统，分析结果进入DCS和SIS系统，工艺异常时实施紧急刹车控制。其中任何一台高报警就联锁停氧气混合站(OMS)。所以任何设计不当、设备材料选择不妥、安装差错，都会导致装置停车甚至引发着火、爆炸。工艺压力的波动，会引起氧表预处理箱内压力、流量的波动 ,从而导致进样压力难以稳定，引起测量值波动，造成工艺难以操作。

3 氧表在反应控制中存在的问题

图1统计了4个月氧表AT-1501、AT-1502由于测量数值波动而产生的维护量。

图1 仪表维护量统计图

由图1可以看出氧表流量计波动调节维护量占总维护量的55%。经过分析认为，氧表频繁波动是因为仪表预处理设计上存在问题。

流量计安装位置不合理，调节流量计会产生背压，将流量计由原表后位置移至表前。流量开关原设计在表后，流量开关具有很强的节流作用，放在表后会产生较大的背压，导致仪表测量气室压力不稳定，并且流量开关会导致流量波动，拆除流量开关试验。氧表的测量气室出口一般会设计直排大气，以避免背压对测量气室内部的压力造成影响而产生测量偏差，原设计中将流量开关和流量计均安装在仪表出口之后，流量计和流量开关的结构中均有节流作用很强的针阀，为保证流量开关设定的流量报警点符合要求，必须将内部的针阀关小，这就相当于仪表出口有很大的背压。一旦仪表入口处压力或流量波动，将马上导致仪表测量气室的压力波动，从而导致仪表测量值波动。

假设气路系统是在理想情况下，则忽略重力，简化后的伯努利方程为：

式中p——流体的压强；

p0——常量；

v——流体的速度；

ρ——流体的密度。

其中从左到右分别为静压、动压和总压。显然流动中速度增大，压强就减小；速度减小， 压强就增大；速度降为零，压强就达到最大值(理论上应等于总压)。

当仪表测量室出口直排大气时，动压将会较大，静压力将会较小；当仪表测量室出口有背压时，静压力将会较大，动压将会小于直排大气时的动压。当总压即压力源波动时，测量室出口直排大气情况下的静压变化将会较小，而动压变化将会较大，静压变化小对气体密度的影响也会较小，对测量的影响也会较小；而测量室出口有背压时，由于背压的影响，动压变化将不如前者那么大，静压变化则大于前者，静压变化大导致气体密度变化也会较大，则对于测量的影响会很大。因此，将可能会产生背压的部件安装在仪表出口的设计是不合理的。

改造前的预处理系统如图2所示。

4 改进措施

对于第3节出现的情况有两种解决办法：方案一，增设表前稳压阀、稳流阀和表后背压稳压阀、稳流阀；方案二，将造成背压的部件移至表前[2,3]。

方案一的实际运行效果会好于方案二，因为这种方案的压力和流量都会非常稳定，是仪表理想的测量工况，但是由于工艺生产安全的要求，需要控制样品滞后时间在15s以内，若增设这些稳压、稳流设备样品滞后时间会超出设计要求，因此只能选择方案二。

方案二，出于工艺安全的考虑流量计的位置不允许置于表前，只能将它的背压影响尽可能减到最小，即将流量计全开，只起到指示流量的作用，然后利用表前针阀来控制流量大小。流量开关按工艺要求也要置于表后，但无法选到合适的不会产生背压的流量报警设备，经过与工艺人员商讨，将流量开关移至表前，然后加强巡检关注表后流量计的示数即可，改造后预处理系统如图3所示。而且仪表测量室如果漏气，流量开关不报警，但流量计示数会下降，而且仪表测量值也会下降，不会造成装置联锁停车，工艺人员关注氧测量值及其趋势即可。对于安全方面，入口、出口氧表都是两台，可互相参考测量值，任意一台测量值高高报警都会联锁OMS停车，同时工艺人员加强对氧测量值的关注度，加强巡检，不会发生安全问题。

图2 改造前预处理系统简图

图3 改造后预处理系统简图

5 改造效果

改造后氧在线测量值与同一点的质谱仪数据仅差0.02%，可靠性大幅增加。测试样品滞后时间并现场模拟压力、流量波动对氧表测量值的影响,发现样品滞后时间合格，在同一条件下测量,氧测量值的压力波动范围降到±10kPa，流量波动降到±1L/h,对氧浓度测量值的影响远小于改造前。因此改造后取得了预期效果，通过改造，提高了EO/EG在线分析仪表测量的准确性和可靠性，使氧表从原来一天校验一次降低到一月一次，不仅节约了成本,也降低了人工成本，更保证了样品分析的实时性。 稳定氧表，减少波动，避免工艺因氧表波动而联锁停车，造成产量损耗。同时为工艺的平稳生产提供了可靠保证和技术支持。

6 结束语

主要阐述了国内某大型乙烯EO/EG装置中，氧表在生产过程中出现的问题、解决问题的思路和方案。首先，通过对装置以及工艺的介绍，仪表在工艺控制中的作用，确立了该氧表在本系统中的重要性；其次，通过对问题的分析，对各个预处理部件功能的分析，找到了问题的症结所在；最后，找到了解决问题的方案。通过实验并在实际中应用，经过一段时间的统计和数据分析，发现改造后，效果明显，既降低了工作强度、人工成本，又保证了系统的安全、经济运行。

[1] 钱耀红，李亚楠.在线分析小屋系统在EO装置中的应用[J].化工自动化及仪表，2013，40(7)：910～916.

[2] 左国庆，明赐东.自动化仪表故障处理实例[M].北京：化学工业出版社，2003.

[3] 王森,符青灵.仪表工试题集:在线分析仪表分册[M].北京:化学工业出版社，2006.

林湛霞(1970-)，工程师，从事在线分析仪表的管理工作，linzhanxia@sinochem.com。

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1000-3932(2017)03-0319-04

2016-08-16，

2017-01-11)