在线气体分析仪在乙烯裂解装置中的应用

2020-06-22孙继锋

化工自动化及仪表 2020年3期

孙继锋张剑马琪

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司）

乙烯是石油化学工业的基础原料之一，由乙烯装置生产的乙烯、丙烯、丁二烯，是生产各种有机化工原料和三大合成材料（合成树脂、合成纤维、合成橡胶）的基础原料［1］。乙烯工业的发展水平总体上代表了一个国家石油化学工业的水平［2］。目前全世界年产超过一亿吨乙烯，主要以石脑油（或乙烷）为原料，采用蒸汽裂解技术生产。以石脑油为原料时，乙烯收率约为30%、丙烯收率约为15%［3］。

近年来，乙烯裂解工艺不断发展和完善，以满足对裂解原料的可选择性和烯烃产品市场需求的多样性［4］。先进的过程控制技术极大地改进了产品质量，提高了生产效率。乙烯裂解过程的典型特征是物料在裂解炉中滞留时间短、选择性高、操作安全可靠、能效高。在线分析在乙烯和丙烯的生产过程中至关重要，通过连续监测工艺过程中的介质组成，实现增加产出和确保产品质量的目的［5］。

1 设计条件

裂解气工况参数如下：

介质名称裂解气

采样点位置裂解炉出口

样品状态气相

最大设计压力 0.440MPa

最大设计温度 675℃

操作压力 0.071（最大）/0.070（正常）/0.040（最小）MPa

操作温度 576（最高）/399（正常）/381（最低）℃

样品组成及其测量范围见表1。

表1 样品组成及其测量范围 mol%

2 设计方案

2.1 采样系统

裂解气温度较高且组成复杂，H2O 和C5 以上的重组分较难汽化，一旦进入色谱，会对进样阀和色谱分离系统造成不良影响，需要在采样系统中除掉。因此，一些公司专门开发了针对裂解气工况的特殊采样系统。比较典型的有赛默飞世尔公司的Py-Gas 采样器、ABB 公司的DRS 采样器及天华院的YQXL 采样器等。这些采样器工作原理大同小异，以Py-Gas 采样器［6］为例，其工作过程如图1 所示。

图1 Py-Gas 采样器工作过程

由工艺管线来的高温、带有油水混合物的裂解气先经过过滤段，被过滤掉一部分后回流到工艺管线里。然后进入冷却段，Vortex 制冷器可产生最低达-40℃的制冷空气，通过列管式换热器冷却样品，使裂解气中的大量H2O 和C5 以上的油类物质冷凝为液体，顺着立管回流到工艺管线中。冷却后的气体样品经取样器顶部的气动阀进入样品管线，为防止气体样品中携带水或油类重烃组分，气体样品出口的温度由一个气动温控单元控制，当温度高于设定值时，出口气动阀关断，截断气体样品，当温度低于设定范围时，关断Vortex 制冷器的驱动空气，停止制冷，直到温度回到设定区间。通常样品气出口温度设定在10～16℃，只有温度在此范围内时，裂解气样品才能进入样品管线。

2.2 样品前处理系统

样品前处理系统（图2）尽可能靠近采样点，主要功能是气液分离，进一步除去裂解气中的重组分。该系统可以设置反吹功能，在裂解炉清焦时，用于反吹样品管线和采样探头。

图2 样品前处理系统（1/4″=6mm，3/8″=10mm）

2.3 样品预处理系统

样品预处理系统（图3）通常安装在分析小屋外墙并靠近色谱仪处，主要功能是对裂解气样品进行进一步处理，包括过滤、压力指示和调节、流路指示和调节、多流路切换以及色谱仪标定等。

2.4 色谱配置

每台裂解炉有两组炉管，每组炉管的出口有一个采样点，即每台裂解炉有两个采样点，共用一台在线色谱仪。为了提高分析采样频率，这两个点可进行并行进样、并行分析。西门子Maxum II 型色谱仪独有的八通道热导检测器，配合多应用并行技术，使得裂解气快速分析成为现实，分析周期短至2min，即2min 同时完成两流路数据更新。阀柱系统的配置是色谱分析仪快速准确测量的前提，具体如图4 所示。

图3 样品预处理系统（1/8″=3mm，1/2″=12mm）

图4 阀柱系统配置

3 分析结果及谱图

在本套预处理系统中，由于介质的操作温度达400℃，且含有H2O 和C5 以上的重组分，在样品传输过程中，易冷凝为液态，使得样品以气液两相的形式共存，这对在线分析仪来说是不现实的，所以在采样点采用天华院的YQXL 采样器对采样后的样品进行处理，使之在采样点就将重组分和H2O 除掉，在前处理和预处理中进行常规的处理就能达到在线分析仪表进表前的要求。

在线色谱分析仪LR1～LR3 检测器谱图如图5～7 所示。可以看出，在2min 的分析周期内，需要测量的6 个组分（H2、CH4、C2H4、C2H6、C3H6和C3H8）得到了很好的分离和有效测量，将分析结果与设计院给出的设计数据表中的测量范围和正常值作对比，可以发现分析所得结果均在测量范围内，这说明预处理系统的设计和色谱分析仪的选型在乙烯裂解工段上完全满足设计要求，为裂解炉控制提供了及时有效的分析数据。