石化装置密闭取样系统的选择与应用

2021-02-27赵洪涛

油气与新能源 2021年1期

赵洪涛

（北京石油化工工程有限公司）

0 引言

在石油化工装置中，为确定进料是否符合要求、生产过程是否正常、产品是否合格，都需要按时在原料、中间产品和产品中采集样品来进行分析化验，而所采集的样品是否具有代表性，对分析化验结果的正确性有着很大影响。要保证样品的代表性，就需要选择合适的取样系统。

目前，取样系统有开式和密闭式两大类。传统的开式取样法由于需要对取样容器、管道的物料滞留区域进行置换和清洗，易造成有毒有害物料的泄漏，威胁到操作人员的安全和健康，同时也造成了资源的浪费，并且给环境带来了一定的污染。近年来，密闭取样器被广泛应用于各大石油化工生产过程[1]，通过将采样后的物料循环回工艺管路、排入回收装置或者送入火炬等方式，避免采样时的放空、撒漏等对安全生产、人员健康和作业环境产生危害，同时，也减少了外界环境对样品的污染及每次采样时因置换所造成的物料损失。

目前，密闭取样器的型式及种类较多，如何根据物料性质及工艺参数等选择合适的取样器，成为用户关注的焦点。

1 密闭取样器的组成

密闭取样器主要由箱体、采样瓶、快速接头（采样针）、管道、压力表、阀门、密封件及法兰组成，适用于石油化工装置管道内不同工艺状况下的各种介质，尤其是有毒有害、易燃易爆等有危险性的中、低压气液介质的无泄漏取样。样品真实性强、准确度高、无残液及残气排放，能够有效防止有毒有害介质对操作工人的伤害，同时也避免了对周边环境的污染，以及在采样时可能造成的危险事故。

2 密闭取样器分类

按取样物料的性质，密闭取样器分为气体密闭取样系统、液体密闭取样系统、液化气体密闭取样系统。可根据现场实际情况选择增加吹扫、伴热、冷却、过滤等功能，组成不同形式的密闭取样器。

考虑到取样人员的安全，当采样介质温度高于60 ℃时，需设置取样冷却器，以避免取样人员被烫伤[2]。对于部分特殊物料，若降温后其中部分组分会凝结从而导致物料组成变化的，可不加冷凝系统；对于冷凝后结晶可能造成管路堵塞的还需要在管路上加伴热。取样人员对此要做好人身防护。

对于取样入口压力较大的系统，常在样品进口前增设自力式调节阀减压，从而保证取样系统的稳定和安全。

2.1 气体密闭取样系统

石化生产过程中很多物料含有对人体有毒有害的物质，需要在密闭条件下取样。根据工艺条件的不同，一般分为常温常压型、常温高压型、高温常压型、高温高压型等。通常可应用于系统压力为0.1～20 MPa可压缩气体的采样，回样点与采样点的压力差不低于0.02 MPa，采样介质为流动状态，采样容器为高压钢瓶。

常温常压型密闭取样形式见图1所示，高温常压型密闭取样形式见图2所示，带氮气吹扫密闭取样形式见图3所示。

图1 常温常压型密闭取样系统

图2 高温常压型密闭取样系统

图3 带氮气吹扫密闭取样系统

2.2 液体密闭取样系统

液体密闭取样系统主要应用于有毒有害液体介质的采样。采样容器可为高压钢瓶或耐压玻璃瓶。

当采样容器为钢瓶时，取样系统的型式与气体密闭取样系统类似，但稍有区别。气体取样时采样钢瓶采用上进下出的型式，如图1～图3；而液体取样时采样钢瓶则采用下进上出的型式，即：将图1～图3中样品进口和样品出口的位置互换（冷却水系统随样品进口相应调整）。但是，液体采用此种型式的取样系统存在着钢瓶内采样情况不可见、化验室在分析操作上不方便、钢瓶重量大等缺点，一般只在采样压力特别高时采用。

耐压玻璃瓶液体密闭取样系统可以采集系统压力为0.02～15 MPa的液体介质。排气口需配备挥发气体吸附罐，以保证液体中的易挥发性气体不直接排放到大气中对环境和人体造成伤害。对于挥发性及毒性较大的采样介质还需配备氮气吹扫系统，在采样前后对系统进行吹扫。采样前吹扫的目的是尽量减少用物料冲洗采样针的时间，减少采样时长，从而减少挥发性及有毒物料的挥发及泄漏风险；同时赶出瓶中氧气，防止物料被氧化。采样后吹扫可防止阀门处残留物料，以及拔出采样瓶后采样针头残留的物料泄漏。

当存在排气针堵塞导致采样瓶内压力增大而破裂造成危险，或者取样时物料有溢流出采样瓶的可能，从而造成有毒有害物料存在泄漏风险时，可选择固定体积液体密闭取样系统（一般当流程压力大于1 MPa时即可选用此种型式）。该系统可每次采集固定体积样品，流程压力不直接通到采样瓶，使取样更安全高效。

带氮气吹扫常温液体密闭取样形式见图 4所示，带氮气吹扫高温液体密闭取样形式见图5所示，固定体积液体密闭取样形式见图6所示。

图4 带氮气吹扫常温液体密闭取样系统

图6 固定体积液体密闭取样系统

2.3 液化气体密闭取样系统

对于液化气体的密闭取样，目前多采用常温气体密闭取样系统，只是在采样钢瓶内增加调整管，以给采样钢瓶留出足够的气化空间。对于LPG（液化石油气）、液态乙烯、液态丙烯等，目前即采用此种形式。目前已有相应的国标取样法[3-5]，取样系统可按照标准设置。

液态乙烯密闭取样系统如图7所示。

图7 液态乙烯密闭取样系统

3 密闭取样器的选择配置要点

密闭取样器的种类繁多，如何在如此多的形式中选择合适的取样器，关系到能否取到有代表性的样品，从而保证分析测试结果的准确性。选择密闭取样器主要从以下几个方面考虑。

（1）明确样品的物料性质及工艺参数

首先，确定该物料状态，明确温度、压力、黏度，以及物料各组分的物性等。对于操作温度大于60 ℃的样品，需配备取样冷却器；高黏度介质，需设置氮气吹扫系统；易结晶凝固介质，需设置伴热系统。

如，邻二甲苯液相氧化装置中，氧化反应器出口粗品（液相，温度200 ℃，压力1.3 MPa，主要组分为邻甲基苯甲酸甲酯、邻苯二甲酸单甲酯、邻甲基苯甲酸、邻苯二甲酸、水、邻二甲苯）的取样需要设置伴热系统，保证取样温度不低于140 ℃，以防止其中的邻苯二甲酸和邻甲基苯甲酸凝固堵塞取样管。

（2）确定取样器的型式

确定是气体密闭取样、液体密闭取样还是液化气体密闭取样，需不需要冷却、保温、伴热、吹扫等；是钢瓶取样还是玻璃瓶取样；是否定量取样；放空去向是火炬，还是需要设置吸附罐；是采用箱体式还是立柱式（箱体式易于保温和防尘，立柱式简洁且节省成本）；设置的位置是否便于取样，是否需要从高处引到低点取样。

如，邻二甲苯液相氧化装置中，氧化反应器出口粗品取样性质为液体密闭取样，需设置伴热、吹扫，采用钢瓶取样，为保证伴热效果采用箱体式。介质出口为下游工艺管道，放空排至火炬。取样位置在氧化反应器泵出口管道上，取样方便，不需要从高处引到低处。

（3）确定取样器的材质

密闭取样器的材质可选择304L（不锈钢材料，属于超低碳不锈钢）、316L（不锈钢材料，属于超低碳不锈钢）、Monel（蒙乃尔合金，又称镍合金）、Hastelloy（哈氏合金，属于镍基合金）等多种材质，通常密闭取样器的管路、阀件材质为316L，面板、箱体、铭牌、支架的材质为304L。采样钢瓶材质通常为316L，根据物料性质可选择是否内部做钝化处理。若为常压液态物料可选择玻璃瓶取样，根据需要可选择棕色玻璃瓶、透明玻璃瓶、耐高温玻璃瓶等，配套的采样针和排气针材质为316L。

如，邻二甲苯液相氧化装置中，氧化反应器出口粗品密闭取样系统整体材质为316L，只有箱体和伴热管采用了304L材质。对于涉及氢氟酸和氟气的采样，需要用到Monel材质；含有硫化氢、氯化氢、甲酸等物料的采样，需要用到Hastelloy材质。

（4）确定取样器管路的管径

通常情况下，冷却器进出口管径可选择 1/2英寸（12.7 mm）或3/4英寸（19.0 mm）。物料的进出口管径宜为1/2英寸（12.7 mm），气体物料可选择1/4英寸（6.35 mm）。氮气吹扫管道为1/4英寸（6.35 mm）。各类管径也可选择其他尺寸，但管径不宜过大，以防影响主管物料。

（5）确定取样容器的体积及配件

根据该物料的分析项目，确定所需的取样体积。通常采样钢瓶可选容积为25～2 000 mL，一般需配置两端阀门、快速接头、把手，根据需要配置防爆片、调整管、保温套等。采样玻璃瓶可选容积为25～2 000 mL，可选择透明或棕色，一般需配置瓶盖、Teflon（聚四氟乙烯）垫、保护膜等。

如，邻二甲苯液相氧化装置中，氧化反应器出口粗品取样点需要分析邻二甲苯及邻甲基苯甲酸甲酯的含量和酸值。根据分析方法，需要采样300 mL才能满足测试要求，同时，采样钢瓶还需要设置保温套，防止在运输过程中样品温度降低出现凝固。

最后，以合成气制乙醇装置中粗乙酸甲酯羰基化反应器出口气体取样为例，对密闭取样器的选择配置要点进行说明。该物料为气体，操作温度为250 ℃，操作压力 4.85 MPa，物料主要组分为一氧化碳、乙酸甲酯、氢气、二甲醚、乙酸，摩尔百分比分别为70%、5%、15%、9%、0.005%。主要分析项目为乙酸、乙酸甲酯、氢气、二甲醚及一氧化碳的含量。

结合上述取样器的确定步骤，该物料可选用高温常压型密闭取样系统（见图2）。因二甲醚、乙酸有腐蚀性，物料接触材质选用316L，为节省费用，面板、箱体、铭牌、支架的材质选用304L。冷却器进出口管径选择1/2英寸（12.7 mm），物料进出管道选用1/4英寸（6.35 mm）。根据各分析项目分析方法要求，通过核算，选用300 mL的采样钢瓶，钢瓶配置两端阀门、快速接头、把手，以方便运送钢瓶及与测试设备连接。